João Fernando Faria de Almeida. Modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário do rio Douro. Universidade do Minho Escola de Engenharia

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia João Fernando Faria de Almeida Modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário do rio Douro UMinho 2013 João Fernando Faria de Almeida Modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário do rio Douro outubro de 2013

2 Universidade do Minho Escola de Engenharia João Fernando Faria de Almeida Modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário do rio Douro Tese de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Civil Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor José Luís da Silva Pinho outubro de 2013

3 Agradecimentos Gostaria de deixar o meu apreço às diversas pessoas que de alguma maneira me auxiliaram durante a realização desta dissertação, pela sua compreensão, dedicação e disponibilidade, fundamentais para a concretização da mesma. A todos um especial agradecimento. Em primeiro lugar expressar um agradecimento especial ao Professor Doutor José Luís Pinho, orientador da Dissertação, que demonstrou uma orientação atenta, cuidada e sempre disponível, por toda a paciência demonstrada ao longo de todo o período de elaboração desta dissertação e por toda a partilha de conhecimento e conselhos prestados. Um agradecimento ao Grupo de Hidráulica do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho pela motivação ao longo do curso e pela forma entusiasmante com que partilharam os conhecimentos e cativaram os alunos. Aos meus Pais, que sempre se esforçaram e sacrificaram para que nada essencial me faltasse, que sempre me compreenderam e incentivaram, pela sua paciência, pelo seu grande carinho e conforto e por tudo que me ensinaram ao longo da vida o meu muito obrigado. A toda a minha família que sempre me acompanhou e auxiliou ao longo da minha vida académica e pela motivação e concelhos dados. Um especial agradecimento aos meus amigos, que ao longo destes anos estiveram presentes para me motivar, pela sua amizade e disponibilidade pela compreensão e apoio o meu muito obrigado. i

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5 Resumo Os estuários e a orla litoral estão sujeitos à influência de vários agentes forçadores, como as marés, a agitação marítima e os ventos. Estes agentes são responsáveis pela geração de correntes, fazendo das zonas costeiras sistemas altamente dinâmicos. A maioria dos fundos em zonas costeiras é composta por sedimentos, com predominância de areias junto à costa, e de siltes e argilas em estuários e lagunas. Este material é frequentemente transportado pelas correntes, originando variações morfológicas dos fundos. Em particular, podem ocorrer erosões e sedimentações significativas em estuários, lagunas, praias, embocaduras e outras zonas costeiras, que necessitam de ser quantificadas e, por vezes, alteradas por soluções de engenharia. Na presente dissertação serão avaliados os processos hidrodinâmicos, padrões de circulação tridimensionais em situações normais e de cheia, e a caracterização da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro, suportados por ferramentas de modelação matemática. Este trabalho contempla a criação de um modelo tridimensional do estuário do rio Douro no programa computacional Delft3D desenvolvido pela WL- Delft Hydraulics, que simula diferentes condições de descarga da barragem de Crestuma, amplitudes de maré, propriedades dos sedimentos e possíveis cenários de rotura das estruturas de defesa da embocadura do estuário. Conclui-se que a velocidade do escoamento no estuário do rio Douro depende essencialmente do caudal descarregado e da amplitude de maré, e que os valores máximos da velocidade de escoamento localizam-se na zona junto ao quebra-mar. Os valores associados à dinâmica sedimentar estão inteiramente dependentes da velocidade do escoamento e das características dos sedimentos, ocorrendo os valores mais elevados de erosão e sedimentação onde se registam os valores máximos da velocidade de escoamento na zona junto ao quebra-mar. Registou-se durante o período da vazante do estuário uma maior concentração de sedimentos comparativamente com a enchente na camada de fundo da embocadura do estuário, o que sugere que nem toda a quantidade de sedimentos volta com a enchente da maré, uma grande parte é transportada em direcção à embocadura. O colapso das estruturas de defesa originam velocidades de escoamento, erosões/sedimentações e concentração de sedimentos menores comparativamente com a situação actual no estuário alterando a localização onde ocorre o seu valor máximo. Palavras-chave: Hidrodinâmica, dinâmica sedimentar, modelação, erosão e sedimentação, concentração de sedimentos iii

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7 Abstract Coasts and estuaries are subjects to the influence of several various forces, as the tides, the maritime agitation and the winds. These agents are responsible for the generation of currents, making coastal areas highly dynamic systems. The majority of the deep in coastal zones is composed by sediments, predominantly sands along the shore, and silts and clays in estuaries and lagoons. This material is frequently transported by the currents, causing morphological variations of the deep. Privately, erosions can occur and significant sedimentations in estuaries, lagoons, beaches, inlets and other coastal zones, that need to be quantified and, sometimes corrected by engineering solutions. In this dissertation will evaluate the hydrodynamic processes, three-dimensional circulation patterns normal situations and flooding, and the characterization of sediment dynamics in the estuary of the Douro river, supported by mathematical modeling tools. This work includes the creation of a three-dimensional model of the estuary of the Douro river in Delft3D computer program developed by WL-Delft Hydraulics, which simulates different discharge conditions of Crestuma dam, tidal ranges, sediment properties and possible failure scenarios of structures defense of the estuary. It was concluded that the flow velocity in the estuary of the Douro river depends of the torrent discharged of the torrent discharged and tidal range, and that the maximum values of the flow velocity are located in the area along the breakwater. The values associated with the sediment dynamics are entirely dependent on the flow speed and characteristics of sediments, occurring values higher erosion and sedimentation where there are maximum values of the flow velocity in the zone close to the breakwater. Was recorded during the ebb a higher concentration of sediment comparatively with the flooding, suggesting that not all the amount of sediment returns with the flood tide, a large part is transported towards the river mouth. The collapse of the defense structures originates lower speeds runoff, erosion / sedimentation and sediment concentration comparatively with the present situation in the estuary, changing the location where the maximum value occurs. sedimentation Keywords: Hydrodynamics, sediment dynamics, modelling, erosion and v

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9 Índice Agradecimentos... i Resumo... iii Abstract... v Índice de figuras... xi Índice de tabelas... xvii Acrónimos... xix 1. Introdução Enquadramento Objectivos do trabalho Estrutura da dissertação Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos e costeiros Hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros Marés Vento Efeito de Coriollis Correntes termohalinas e estratificação Ondas Transporte sedimentar Formulação matemática dos modelos hidrodinâmicos Equações de Navier-Stokes Equações de Reynolds Dinâmica sedimentar e evolução do nível de talvegue Programas de modelação Delft3D TELEMAC vii

10 Índice RMA SED2D MIKE Modelo do estuário do rio Douro Bacia hidrográfica e estuário do rio Douro Modelo tridimensional do estuário do rio Douro Batimetria do modelo do estuário do rio Douro Condições de Fronteira Calibração do modelo do estuário do rio Douro Análise e discussão dos resultados Aspetos gerais Cenários de modelação Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro Elevação da superfície livre Velocidade das correntes Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro Acção do caudal fluvial Acção da maré Influência da dimensão dos sedimentos Influência da massa volúmica dos sedimentos Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura Análise Hidrodinâmica Análise à dinâmica sedimentar Conclusões e sugestões para trabalhos futuros Conclusões Sugestões para trabalhos futuros Bibliografia Anexo A. Influência da massa volúmica dos sedimentos na análise da dinâmica sedimentar 111 viii

11 Índice B. Análise ao caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura ix

12 Índice x

13 Índice de figuras Figura 1 - Atracção exercida pela Lua, e pelo Sol (APRH, 2007)... 5 Figura 2 - Efeito da aceleração de Coriollis (Gomes, 2004)... 7 Figura 3 - Arquitectura do sistema Delft3D (Delft3D-FLOW, 2011) Figura 4 - Ilustração de uma malha 3D (Mensencal, 2010) Figura 5 - Tipos de elementos para a discretização espacial (Donnell, 2011) Figura 6 - Estrutura do sistema de modelação MIKE 3 adaptado de (Danish Hydraulic Institute, 2001) Figura 7 - Bacia hidrográfica do Douro Figura 8 - Estuário do rio Douro (Google Earth, 2013) Figura 9 - Evolução ao longo do tempo da restinga (Google Earth, 2013) Figura 10 - Representação das fronteiras terrestres do estuário no programa Google Earth (esquerda) e Global Mapper (direita) Figura 11 - Princípio da técnica domain decomposition (Delft3D-FLOW, 2011) Figura 12 - Representação dos múltiplos domínios do estuário (esquerda) e do domínio da restinga (direita) Figura 13 - Principio do modelo NESTHG (Delft3D-FLOW, 2011) Figura 14 - Representação do modelo global do estuário (esquerda) e do modelo local da restinga (direita) Figura 15 - Representação da grelha utilizando um refinamento local na restinga Figura 16 - Representação da batimetria do modelo do estuário Figura 17 - Fronteiras abertas no modelo Figura 18 - Descargas da barragem de Crestuma no período de a (SNIRH, 2013) Figura 19 - Localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre Figura 20 - Curvas de elevação de superfície para maré viva Figura 21 - Curvas de elevação de superfície para maré morta Figura 22 - Curvas de elevação de superfície para o valor intermédio da maré Figura 23 - Representação esquemática dos vórtices induzidos pelo jacto de saída Figura 24 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do coeficiente de rugosidade de Manning Figura 25 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do modelo de turbulência tridimensional Figura 26 - Planta do modelo com a localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre Figura 27 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 200 m³/s Figura 28 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 450 m³/s xi

14 Índice de figuras Figura 29 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 700 m³/s Figura 30 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de m³/s Figura 31 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré viva Figura 32 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré morta Figura 33 - Representação da velocidade superficial máxima (superior) e dos vectores velocidade (inferior) para o cenário Figura 34 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 7 (Q200), 8 (Q450), 9 (Q700) e 10 (Q10000) Figura 35 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 11 (Q200), 12 (Q450), 13 (Q700) e 14 (Q10000) Figura 36 - Número de Froude no estuário do rio Douro para o cenário 10 (Q10000).. 54 Figura 37 - Velocidade superficial para o caudal de 200 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário Figura 38 - Velocidade superficial para o caudal de 450 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário Figura 39 - Velocidade superficial para o caudal de 700 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário Figura 40 - Velocidade superficial para o caudal de m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário Figura 41 - Localização das estações de observação para o estudo dos perfis verticais de velocidade Figura 42 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré viva Figura 43 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e m³/s (direita) em maré viva Figura 44 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré morta Figura 45 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e m³/s (direita) em maré morta Figura 46 - Valor de erosão e sedimentação em planta (superior) e em perfil longitudinal (inferior) do estuário para o cenário Figura 47 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário Figura 48 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário Figura 49 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário Figura 50 - Nível do leito inicial e final para o cenário 18 em relação ao zero hidrográfico xii

15 Índice de figuras Figura 51 - Localização das estações de observação para o estudo da dinâmica sedimentar no estuário Figura 52 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 15 (esquerda) e para o cenário 16 (direita) Figura 53 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 17 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) Figura 54 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 relativos a cada caudal fluvial Figura 55 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 2 relativos a cada caudal fluvial Figura 56 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 relativos a cada caudal fluvial Figura 57 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 4 relativos a cada caudal fluvial Figura 58 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 relativos a cada caudal fluvial Figura 59 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 6 relativos a cada caudal fluvial Figura 60 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro ao longo de 10 anos Figura 61 - Nível futuro do fundo em relação ao zero hidrográfico Figura 62 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do caudal fluvial Figura 63 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de maré e valor ao fim de 10 anos Figura 64 - Valor da amplitude de maré tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 26 (esquerda) e para o cenário 27 (direita) Figura 65 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada tipo de maré Figura 66 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada tipo de maré Figura 67 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada tipo de maré Figura 68 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do tipo de maré Figura 69 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de D50 e valor ao fim de 10 anos Figura 70 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos Figura 71 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos Figura 72 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos xiii

16 Índice de figuras Figura 73 - Comparação entre erosão/sedimentação (direita) e concentração de sedimentos (esquerda) Figura 74 - Valor da concentração de sedimentos tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 28 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) Figura 75 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da dimensão dos sedimentos Figura 76 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 77 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 78 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 79 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 80 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 81 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 82 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para as várias massas volúmicas dos sedimentos e valor ao fim de 10 anos Figura 83 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 84 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 85 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 86 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 87 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário Figura 88 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário Figura 89 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 34 e Figura 90 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 35 e Figura 91 - Nível de água em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de ruptura (esquerda) e sem ruptura (direita) das estruturas de defesa Figura 92 - Velocidade superficial em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para um caudal fluvial de 450 m³/s (cenário 34) Figura 93 - Valor da erosão e sedimentação no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa e ao fim de 10 anos Figura 94 - Concentração máxima de sedimentos no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa xiv

17 Índice de figuras Figura 95 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos Figura 96 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos Figura 97 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos Figura 98 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da massa volúmica dos sedimentos Figura 99 - Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de 450 m³/s sem ruptura e com ruptura das estruturas de defesa Figura Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de m³/s sem ruptura e com ruptura das estruturas de defesa Figura Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 450 m³/s (esquerda) e m³/s (direita) relativo aos cenários 34 e xv

18 Índice de figuras xvi

19 Índice de tabelas Tabela 1 - Descrição dos módulos da estrutura do sistema Tabela 2 - Componentes astronómicas da maré Tabela 3 - Concentrações de sedimentos consideradas Tabela 4 - Cenários considerados para modelação Tabela 5 - Valores de amplitude para os diferentes cenários Tabela 6 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 1, 2 e Tabela 7 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 4, 5 e xvii

20 Índice de tabelas xviii

21 Acrónimos 3D - Espaço tridimensional 2D - Espaço bidimensional M2 - Constituinte lunar semidiurna S2 - Constituinte solar semidiurna K2 - Constituinte lunissolar semidiurna FLOW - Modulo Hidrodinâmico do Delft3D MOR - Modulo Morfodinâmico do Delft3D LNHE - Laboratoire National d`hydraulique et Environnement EDF - Electricité de France IAHR - International Association for Hydro-Environment Engineering and Reseacher SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos SMS - Surface-Water Modeling System UTM - Universal Transverse Mercator Coordinate System INAG - Instituto Nacional da Água PA - Localização da Ponte da Arrábida PI - Localização da Ponte do Infante PF - Localização da Ponte do Freixo SM - Localização da ermida de São Miguel-o-Anjo EE - Localização da Foz do estuário Fr - Número de Froude En - Estação de Observação número n D50 - Diâmetro médio dos sedimentos xix

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23 1 1. Introdução 1.1 Enquadramento Desde sempre as regiões litorais apresentam uma importância relevante para a vida humana, por constituírem regiões onde estão presentes algumas das grandes cidades mundiais e onde se produzem e exploram a maior parte dos recursos marinhos utilizados pelo homem. A maximização dos benefícios e a consequente minimização dos impactos negativos decorrentes da acção antropogénica na utilização dos recursos hídricos é um dos principais objectivos de um recente domínio científico: a hidroinformática. Este domínio explora a interacção entre a modelação matemática e as tecnologias de informação e comunicação, no sentido de proporcionar a sua aplicação na resolução de problemas relacionados com os sistemas hídricos, contribuindo assim para o desenvolvimento sustentado das sociedades contemporâneas (Pinho, 2000). Os estuários e a orla litoral estão sujeitos à influência de vários agentes forçadores, como as marés, a agitação marítima, os ventos, entre outros. Estes agentes são responsáveis pela geração de correntes, fazendo das zonas costeiras sistemas altamente dinâmicos. A caracterização da hidrodinâmica constitui o primeiro passo em muitos estudos sobre zonas costeiras, dado que as correntes determinam o movimento dos sedimentos e das substâncias dissolvidas. As principais aplicações, que advêm do seu estudo são, a previsão de correntes e marés, a análise da intrusão salina em estuários, o cálculo de tempos de residência, a propagação e rebentação das ondas, e a previsão de sobrelevações e de correntes litorais devidas as ondas. A maioria dos fundos em zonas costeiras é composta por sedimentos, com predominância de areias junto à costa, e de siltes e argilas em estuários e lagunas. Este 1

24 Capítulo - 1 material é frequentemente transportado pelas correntes e pelas ondas, originando variações morfológicas dos fundos. Em particular, podem ocorrer erosões e sedimentações significativas em estuários, lagunas, praias, embocaduras e outras zonas costeiras, que necessitam de ser quantificadas e, por vezes, corrigidas por soluções de engenharia. A capacidade de previsão da dinâmica sedimentar e das variações morfológicas é, assim, um elemento fundamental para uma gestão adequada das zonas costeiras. As principais aplicações, que advêm do seu estudo são, a quantificação de taxas de erosão e deposição em estuários e bacias portuárias, previsão da evolução da linha de costa, alimentação artificial de praias, estudo de obras de protecção costeira, regularização de embocaduras lagunares, e a definição de dragagens e de planos de imersão de dragados (Fortunato, 2011). O tema proposto para a presente dissertação é a modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de um sistema estuarino e costeiro, uma vez que a nível de hidrodinâmica estas zonas apresentam uma grande diversidade de variáveis, a nível de marés, ventos, agitação marítima, características das águas oceânicas e fluviais, entre muitas outras que por sua vez irão influenciar a dinâmica sedimentar nestas mesmas zonas. Com a modelação 3D, poderemos estudar em pormenor as variáveis mais importantes para a caracterização deste sistema complexo. A construção de um modelo hidráulico de um sistema estuarino tem como objetivo a caracterização de padrões de circulação 3D em situações normais ou de cheia, e o estudo da dinâmica sedimentar contempla a caracterização de processos de erosão/sedimentação. O modelo hidráulico a construir utiliza o software de modelação Delft3D. Para a caracterização de padrões de circulação 3D, objeto de estudo desta dissertação, os modelos tridimensionais são os indicados pelo facto de se tratar de modelos de elevada complexidade física e numérica quer devido ao grande número de processos físicos que permitem simular quer pela diversidade de métodos e opções numéricas implementadas. O modelo poderia ser realizado com outro software de modelação, mas para a escolha deste software pesou o facto de o software ser gratuito, e comparativamente a outros programas de cálculo ter as mesmas características de aplicação. 2

25 Introdução 1.2 Objectivos do trabalho Esta dissertação teve como objectivo principal a construção de um modelo hidrodinâmico tridimensional implementado com o auxílio do programa Delft3D que permita simular e caracterizar padrões de circulação em 3D em situações normais ou de cheia, e padrões de erosão e deposição para o estuário do rio Douro. 1.3 Estrutura da dissertação A presente dissertação está organizada em cinco capítulos. Neste primeiro capítulo é feita uma introdução ao tema que será abordado nesta dissertação, e são apresentadas as motivações e objectivos do trabalho e ainda a organização do documento escrito. No segundo capítulo apresentam-se os principais fenómenos relativos aos processos físicos, da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos. Contém a formulação matemática utilizada para águas superficiais e de dinâmica sedimentar. Contém ainda a descrição do estudo de soluções de software para resolução das equações dos escoamentos com superfície livre em sistemas tridimensionais e de transporte sedimentar mais utilizados a nível mundial. No capítulo três, apresenta-se a metodologia utilizada para o desenvolvimento desta dissertação onde se descreve pormenorizadamente todos os passos que foram efectuados para atingir os objectivos propostos. Apresenta-se uma descrição da bacia hidrográfica e do estuário do rio Douro, e descreve-se os valores do caudal, amplitude de maré e concentração de sedimentos característicos do estuário. Apresenta-se ainda o modelo tridimensional do estuário do rio Douro que será aplicado no estudo hidrodinâmico e de dinâmica sedimentar, e os processos de calibração utilizados. No quarto capítulo apresenta-se os resultados obtidos neste trabalho, designadamente os padrões de circulação tridimensionais em situações normais ou de cheia, as características do escoamento fluvial, e padrões de erosão e deposição para o estuário do rio Douro em função do tipo de maré, do escoamento fluvial, o tipo de sedimentos presentes no sistema estuarino e a possibilidade de colapso das estruturas de defesa na embocadura do estuário. No quinto capítulo, são apresentadas as principais conclusões retiradas deste estudo e ainda sugestões para trabalhos futuros. 3

26 Capítulo - 1 4

27 2 2. Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos e costeiros 2.1 Hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros Seguidamente apresentam-se os principais fenómenos relativos aos processos físicos, que se apresentam variáveis no tempo e no espaço, influenciando a hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros Marés As marés são movimentos oscilatórios das águas marinhas relativamente ao referencial da altitude, determinados por forças induzidas pela variação das posições relativas de todos os astros principalmente do sistema solar com a terra. Devido à sua proximidade em relação à Terra, e à sua massa volúmica os astros com maior influência são a Lua e o Sol, podendo, habitualmente, desprezar-se a acção gravítica dos restantes astros. As marés resultam fundamentalmente da acção das forças astronómicas devidas à atracção gravitacional entre a Terra e a Lua e, de forma menos intensa, entre a Terra e o Sol devido à sua proximidade em relação à Terra, sendo apresentado um esquema simplificado da deformação da superfície terrestre provocada pela acção da Lua e do Sol na figura 1. Figura 1 - Atracção exercida pela Lua, e pelo Sol (APRH, 2007) 5

28 Capítulo - 2 De modo geral, acontece a preia-mar (maré cheia) quando a Lua passa por cima de um determinado local e quando a Lua passa por baixo desse mesmo local, ou seja, por cima de dois pontos diametralmente opostos. As preia-mares sucedem-se, regularmente, com um intervalo médio de meio-dia lunar (aproximadamente 12h 25m) o que corresponde matematicamente à constituinte lunar semidiurna (M2). O intervalo de tempo entre uma preia-mar e a baixa-mar seguinte é, em média, 6h 13m. Observa-se que, o mar não reage instantaneamente à passagem da Lua, havendo, para cada local, um atraso maior ou menor das preia-mares e baixa-mares. Um outro aspeto importante é o fenómeno quinzenal da alternância entre marés vivas e marés mortas, este fenómeno, matematicamente explicado pela constituinte S2 (solar semidiurna), decorre do efeito do sol como elemento "perturbador". Com efeito, quando o Sol e a Lua estão em oposição (Lua cheia) ou conjunção (Lua nova), a influência do Sol reforça a da Lua e ocorrem as marés vivas (matematicamente as constituintes somam-se), e quando o Sol e a Lua estão em quadratura (Quarto crescente e Quarto minguante), a influência do Sol contraria a influência da Lua e ocorrem as marés mortas (matematicamente as constituintes subtraem-se). De modo geral, as amplitudes de marés vivas em Portugal Continental são cerca de 1,5 m, ou seja, o mar sobe e desce 1,5 m em relação ao nível médio. Em marés mortas, a amplitude da maré é da ordem dos 70 cm. A amplitude das marés vivas é ainda maior por ocasião dos equinócios (marés vivas equinociais). Tal facto é matematicamente explicado pela introdução de uma terceira constituinte (K2) que, perto dos equinócios, reforça o efeito do Sol (Instituto hidrográfico, 2013) Vento As correntes resultantes da acção do vento são provocadas pela tensão que é exercida na superfície da água devido à deslocação de massas de ar provocada pelos gradientes de pressão e temperatura do ar, através da acção do sol. A acção do vento sobre a superfície da água provoca um regime de ondulação superficial (Gomes, 2004). 6

29 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos Efeito de Coriollis O efeito de Coriollis que provoca deformação das correntes nos escoamentos resulta da aceleração de grandes massas de fluidos devido ao movimento de rotação da Terra. A aceleração resultante é tanto maior quanto menor for o raio da circunferência formada por um plano perpendicular ao eixo de rotação da Terra, provocando um efeito global de circulação no sentido horário no hemisfério Norte e anti-horário no hemisfério Sul (Gomes, 2004). Figura 2 - Efeito da aceleração de Coriollis (Gomes, 2004) Correntes termohalinas e estratificação As correntes termohalinas resultam do gradiente de massa volúmica nos oceanos, que é dependente da salinidade, da temperatura e da pressão a que as massas de água estão sujeitas, apresentando variações resultantes de processos que ocorrem nas camadas superficiais, e que derivam de interacções da água com o ar, tais como o aquecimento provocado pelo sol, evaporação e diluição devida à ocorrência de precipitação. Estas correntes provocam movimentos de ascensão das massas de água menos densas e na descida de massas de água mais densas. A salinidade de uma massa de água é definida como a quantidade total de sais dissolvidos na água, sendo o sal preponderante o cloreto de sódio. A salinidade varia com a bacia oceânica, sendo que em bacias fechadas, onde os efeitos da evaporação se fazem sentir com maior intensidade os valores de salinidade apresentam-se mais elevados. A estratificação térmica ocorre devido à variação de temperatura na água verticalmente. Devido à acção do vento a camada superficial apresenta-se como uma zona de mistura, podendo atingir algumas dezenas de metros de profundidade, é 7

30 Capítulo - 2 caracterizada por ser uma zona isotérmica, sendo seguida por uma zona de variação rápida da temperatura designada de termoclina. Em profundidades elevadas, a variação de temperatura é muito lenta, considerando-se uma zona quase isotérmica (Gomes, 2004) Ondas A formação do movimento ondulatório é efectuada ao longo de interfaces entre fluidos de densidades distintas. Nas ondas de superfície os fluidos presentes são a água e o ar. No limite comum entre camadas com densidades diferentes, como por exemplo ao longo da termoclina num oceano formado por duas camadas de diferentes massas volúmicas poderá ocorrer a formação de ondas internas. Os períodos associados às ondas internas são normalmente muito mais longos do que os correspondentes às ondas na superfície (Pinho, 2000) Transporte sedimentar O transporte de sedimentos nos estuários é bastante diferente em relação ao que se passa nos rios e oceanos. Nestes ambientes naturais, a descarga fluvial encontra a maré, e a corrente desta assume um papel gerador de turbulência. A partir deste momento existe apenas um pequeno período de tempo entre a subida e a descida da maré cuja turbulência é mínima. Neste intervalo de tempo, os sedimentos mais pesados depositam-se no leito do estuário. À medida que a corrente volta novamente a aumentar, as partículas elevam-se para a coluna de água, mas ao contrário da água doce que continua a escoar-se ao longo do estuário na camada superior, as partículas estão agora na camada mais baixa da circulação estuarina, onde o movimento médio da água é a do oceano em direcção a montante. Deste modo uma parte dos sedimentos nunca chega a alcançar o mar e acumula-se no estuário numa região situada perto de onde o rio entra no estuário, ou seja, onde a circulação muda de apenas uma camada para duas (Tomczak, 2000). Os sedimentos permanecem em suspensão devido à turbulência, mas a sua concentração na coluna de água varia fortemente com a maré. Durante a vazante existe uma maior concentração de sedimentos relativamente à enchente, o que sugere que nem toda a quantidade de sedimentos volta com a enchente da maré, uma pequena parte parece capaz de avançar em direcção à embocadura (Tomczak, 2000). 8

31 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos Com a mudança da amplitude de maré existirá também uma variação de sedimentos em suspensão. As correntes da maré diminuem a sua intensidade durante o período de marés mortas o que permite que uma grande parte de sedimentos se deposite no fundo do estuário. À medida que a amplitude da maré cresce, maior quantidade de sedimentos entra em suspensão, porém é necessário uma maior velocidade para colocar os sedimentos do fundo em suspensão do que apenas mantê-los em suspensão, portanto o aumento de concentração de sedimentos de uma maré para a outra é lenta. Quando se atingem as marés vivas e a amplitude de maré começa a diminuir, uma grande quantidade de sedimentos continua quase permanentemente suspensa, e a sua concentração diminui lentamente. Como resultado, a concentração de sedimentos é maior, para a mesma amplitude de maré, durante o período de marés vivas para as marés mortas do que o processo inverso de marés mortas para as marés vivas (Tomczak, 2000). A acumulação de grande quantidade de sedimentos nos estuários, pode criar problemas na navegação, pelo que, para evitar esse problema são necessárias operações contínuas de dragagens (Tomczak, 2000). O caudal fluvial escoado apresenta uma grande influência na quantidade de sedimentos que permanecem em suspensão. Um dos efeitos causados devido à variação da descarga fluvial consiste na subida e descida da zona de acumulação de sedimentos, designada por região de turbidez, que responde ao aumento e à diminuição do escoamento fluvial. A descarga fluvial é um factor chave para os sedimentos saírem do estuário para o oceano. Uma grande descarga fluvial empurra a região de turbidez para jusante, e com a elevada turbulência associada ao escoamento médio, mantém os sedimentos em suspensão por mais tempo, o qual permite que estes se propaguem pela região de turbidez sem serem fixos. No entanto as cheias não são sempre benignas e podem causar destruição em áreas baixas, devido à descarga de grandes quantidades de água em tempo reduzido (Tomczak, 2000). As cheias podem também ter efeitos contrários, que consistem no aumento da sedimentação no estuário. A água doce transportando lodo escoa para o estuário e acaba por se depositar na camada inferior da água salgada (Swales, et al., 2003). A floculação é outro fenómeno que afecta o sistema sedimentar, consiste num processo em que as partículas minúsculas se juntam, tornando-se num corpo mais pesado que acaba por se depositar no fundo. Na água doce, essa partícula mantém-se em 9

32 Capítulo - 2 suspensão devido ao seu movimento molecular e são portadoras de cargas negativas pelo que existe uma tendência para se repelirem umas às outras. Por sua vez, nos estuários, onde a água doce se mistura com a água salgada ionicamente carregada, as cargas negativas são neutralizadas e as partículas atraem-se. À medida que colidem, tendem a fundir-se ou a unir-se formando agregados maiores ou aglomerados de sedimentos chamados flocos. Este processo depende dos níveis de salinidade, consequentemente podem sofrer alterações ao longo do estuário. Pode ainda variar de maré para maré e de estação para estação, ou de acordo com a quantidade de escoamento (Tomczak, 2000). As marés e as ondas também contribuem com sedimentos para o estuário, geralmente mais grossos, provenientes dos oceanos. Cria-se assim um gradiente de sedimentos, desde a embocadura até ao início do estuário, com uma variação de sedimentos grosseiros para finos (Oberrecht, 2004). 2.2 Formulação matemática dos modelos hidrodinâmicos Equações de Navier-Stokes As equações de Navier Stokes representam o movimento de um volume elementar de fluido incompressível e isotérmico, quando expresso em termos de valores instantâneos das componentes das velocidades u, v e w e da pressão p. Estas são representados pelas equações apresentadas em seguida (Pinho, 2000) = [1] = [2] = [3] Onde,, e são as componentes das forças de volume por unidade de massa [Nkg -1 ]; é a pressão [Pa]; é o coeficiente de viscosidade dinâmico [kg m -1 s -1 ]. 10

33 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos Equações de Reynolds As equações de Reynolds são obtidas a partir das equações de Navier-Stokes substituindo-se o valor instantâneo da velocidade pela soma de um valor médio temporal com uma flutuação aleatória, estas equações caracterizam o movimento médio (média temporal) de uma partícula de fluido. + () + () + ( ) = [4] + () + () + ( ) = [5] + ( ) + ( ) ( ) + = [6] Onde, s -1 ];, e são médias temporais das componentes da velocidade [m é a média temporal da pressão [Pa];, e são flutuações das componentes da velocidade [m s -1 ]. As equações de Reynolds na forma tridimensional e a equação da continuidade estabelecidas em termos de valores médios de,, e, são o ponto de partida para o estudo de escoamentos reais. Em domínios como as zonas costeiras, estas equações deverão sofrer as adaptações necessárias para a consideração das particularidades que lhes são inerentes: fundos pouco profundos predominantes e consideração de outras forças aplicadas, como sejam, forças de Coriollis devidas à rotação da Terra, variações da pressão atmosférica, atrito na superfície devido ao vento e a influência de gradientes de massa volúmica provocados pela presença de substâncias tais como sal e poluentes (Pinho, 2000). 11

34 Capítulo Dinâmica sedimentar e evolução do nível de talvegue Para o transporte de sedimentos não coesivos, a abordagem de Van Rijn representou um avanço significativo nas estimativas de transporte sólido e resistência ao escoamento, devido ao rigor teórico e à qualidade apresentada nas suas análises. Além de considerar o transporte sólido separado em transporte de fundo e suspensão, Van Rijn procurou estudar e definir os critérios para identificar o início do transporte em suspensão. (Rijn, 2003) Na formulação Van Rijn distingue entre o transporte de fundo e transporte em suspensão, tendo ambas uma contribuição relativa a correntes e ondas.! " =! ",# +! ", [7]! $ =! $,# +! $, [8] Onde! " representa o transporte em suspensão, e! $ o transporte de fundo,! ",# e! ", representa respectivamente a contribuição relativa a correntes e ondas no transporte em suspensão,! $,# e! $, representam respectivamente a contribuição relativa a correntes e ondas no transporte de fundo. Os gradientes de transporte na direcção x e y são utilizados na equação de conservação de sedimentos, equação 9, para determinar as variações do nível do fundo. % + (& %,'(& ),' ) + (& %,*(& ),* ) = 0 [9] Sendo:! $, =! $,#, +! $,,, transporte de carga de fundo na direcção x! $, =! $,#, +! $,,, transporte de carga de fundo na direcção y! ", =! ",#, +! ",,, transporte de carga em suspensão na direcção x! ", =! ",#, +! ",,, transporte de carga em suspensão na direcção y O transporte tridimensional de sedimentos em suspensão pode ser calculado resolvendo a equação tridimensional de advecção-difusão (balanço de massa) para sedimentos em suspensão. # (l) + #(l) + - (l) ) # (l) + #(l). (l) # (l) ",. (l) # (l) ",. ", (l) # (l) = 0 [10] 12

35 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos Onde, (l) [kg/m 3 ]; / (l) concentração de massa da fracção de sedimentos, e componentes da velocidade [m/s]; (l) [m 2 /s]; (l) (l) (l). ",,.", e.", coeficientes de difusão da fracção de sedimentos " (l) sedimentos (l) [m/s]. velocidade de sedimentação da fracção de O transporte em suspensão relativo a corrente na direcção x e direcção y é obtido pela equação 11 e #! ",#, = 0 /. ", #! ",#, = 0 /. ", 12 4 [11] [12] O transporte sólido de fundo calculado para todas as fracções de sedimentos pelo método de Van Rijn, é obtido pela equação 13.! $ = 0,0067 " " 1 (l) 89 : = : < [13] onde,! $ transporte solido no fundo [kg/m 3 ]; mistura; 7 disponibilidade relativa da fracção do sedimento na camada de : mobilidade dos sedimentos devido a ondas e correntes; : < mobilidade excedente dos sedimentos. : = >?? ("-)@A BC [14] 13

36 Capítulo - 2 : < = ( >??- DE ) ("-)@A BC [15] <FF = G I H + JI KL [16] Onde, #M velocidade crítica para o início do movimento (com base numa parametrização da curva Shields) [m/s]; H módulo da velocidade média segundo a direcção vertical calculado a partir da velocidade na camada inferior, assumindo um perfil de velocidades logarítmico [m/s]; J KL velocidade de pico na camada de fundo [m/s]; N massa volúmica relativa dos sedimentos. O transporte sólido de fundo nas direcções x e y é calculado segundo as equações 17 e 18.! $, = % ( % ( % ) C,B! $,# +! $, /ON [17]! $, = % ( % ( % ) C,B! $,# +! $, NQR [18]! $,# = & % G(M (I M #K"S [19] T! $, T = UT! $,# T [20] U = ( V WX - DE ) Y ( Z - DE ) Y [21] Com! $, = 0 se U < 0.01,! $,# = 0 se U > 100, ^ corresponde ao ângulo entre a direcção da corrente e a direcção da onda, e é o ângulo entre o local de direcção de propagação das ondas e do eixo x. O transporte em suspensão devido às ondas proposto por Van Rijn, é uma estimativa do transporte de sedimentos em suspensão devido ao efeito da velocidade assimétrica das ondas. 14

37 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos! $, = 0.2`&V&a J b c d [22] Onde,! $, transporte em suspensão devido às ondas [kg/m/s]; `&V&a parâmetro de ajuste J b velocidade assimétrica das ondas c d carga de sedimentos em suspensão 2.3 Programas de modelação Neste capítulo é apresentado uma serie de programas de modelação e de cálculo hidrodinâmico e de dinâmica sedimentar, que foram alvo de estudo para a realização do modelo tridimensional do estuário do rio Douro Delft3D O Delft3D é um programa de cálculo hidrodinâmico desenvolvido pela WL-Delft Hydraulics, instituto de pesquisa da Holanda, é composto por um conjunto de programas, com capacidade de simulação de escoamentos de massas de águas superficiais. Tem uma estrutura flexível que simula fluxos em duas ou três dimensões, assim como ondas, qualidade da água, ecologia, transporte de sedimento e morfologia do fundo, com a capacidade de interação entre estes processos. Os módulos que compõem o Delft3D são: FLOW (Hidrodinâmico); WAVE (Ondas); SED (transporte de sedimentos); MOR (Morfodinâmica); WAQ (Qualidade de água); PART (Traçadores); ECO (Ecologia) e CHEM (Química), estes módulos possuem ferramentas de pré-processamento, processamento e pós-processamento, o que facilita o trabalho de implementação de modelos para uma região específica. Figura 3 - Arquitectura do sistema Delft3D (Delft3D-FLOW, 2011) 15

38 Capítulo - 2 O módulo hidrodinâmico Delft3D-FLOW é capaz de simular fluxos não estacionários em duas ou três dimensões, fenómenos de transporte resultantes da maré, descargas de água e efeitos meteorológicos, incluindo o efeito de diferença de densidade devido a gradientes horizontais dos campos de temperatura e salinidade. O módulo hidrodinâmico pode ser usado para efectuar simulações de fluxo em marés e oceanos, regiões costeiras, estuários, reservatórios e rios. As condições hidrodinâmicas (velocidade, níveis, densidade, salinidade, etc.) calculadas pelo módulo Delft3D-Flow são usadas como dados de entrada para outros módulos do Delft3D (Baptistelli, 2008). Este modelo utiliza para resolução numérica das equações em que se baseia o método das diferenças finitas e uma grelha curvilínea. A coordenada vertical usada pelo modelo é uma coordenada sigma, evitando assim que os elementos da malha interceptem a topografia do fundo, sendo possível adoptar outras opções em termos de coordenadas verticais. O modelo tem por hipótese as aproximações usuais para regiões de águas pouco profundas a variação longitudinal do campo de densidade é considerada no cálculo da componente baroclínica da força de gradiente de pressão, e utiliza a aproximação de Booussinesq para determinação dos coeficientes de difusão turbulenta. O modelo resolve as equações de Navier-Stokes para um fluido incompressível, cuja aceleração local e advetiva é adicionada ao efeito de Coriollis, e considera como aproximação águas pouco profundas. Os movimentos verticais são processados com a equação da continuidade (Andutta, 2011). O modelo Delft3D-FLOW também tem em conta na sua formulação matemática os fenómenos físicos, de gradientes de superfície livre (efeitos barotrópicos), fluxos turbulentos de massa e momento, transporte de substâncias conservativas (sal, calor, etc.), maré forçando as fronteiras abertas, variação espacial e temporal do atrito do vento na superfície da água, variação espacial da tensão de atrito de fundo, a variação espacial e temporal da pressão atmosférica na superfície da água, a variação temporal nas fontes e sumidouros (ex. nos caudais de rios), efeito cobre-descobre devido à variação da maré, trocas de calor através da superfície livre, evaporação e transpiração, efeitos do fluxo secundário sobre as equações de quantidade de movimento, caudal afluente e efluente (ex. descarga de rios), difusão de quantidade de movimento na direcção vertical devido a ondas internas, influência das ondas sobre atrito de fundo (2D e 3D), fluxo através de estruturas hidráulicas, fluxos de vento incluindo ciclone, furacão e tufão, simulações de descargas térmicas, descarga de efluentes e tomadas de água em 16

39 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos qualquer localização e em qualquer profundidade da área modelada (módulo advecção/difusão), cálculo de trajectórias, e simulações que consideram as inundações e vazantes em planícies de maré (contornos móveis) para casos bidimensionais e tridimensionais (Baptistelli, 2008). O módulo Delft3D-MOR incorpora os efeitos das ondas, correntes e transporte de sedimentos na evolução morfológica. Foi concebido para simular o comportamento morfodinâmico de rios, estuários e zonas costeiras em escalas de tempo de dias a anos, devido às complexas interações entre as ondas, correntes, transporte de sedimentos, e batimetria. Para o cálculo do transporte em suspensão, e transporte de fundo são utilizadas as equações de Van Rijn, Engelund-Hansen, Meyer-Peter-Muller, Bijker, e Bailard (Tomlinson, 2006) TELEMAC O programa de cálculo TELEMAC foi inicialmente desenvolvido em França, pelo Laboratoire National d`hydraulique et Environnement (LNHE), um departamento de pesquisa da companhia Electricité de France (EDF) em colaboração com outros institutos de investigação. Está validado em conformidade com as recomendações da International Association for Hydro-Environment Engineering and Reseacher (IAHR) (Hervouet, 2000). O programa TELEMAC-3D resolve as equações tridimensionais de Navier- Stokes considerando as variações locais na superfície livre do fluido, desprezando as variações de densidade na equação de conservação da massa, considerando a pressão hidrostática e a aproximação de Boussinesq para resolver as equações de conservação da quantidade de movimento. O programa TELEMAC-3D calcula a salinidade baseado na lei de conservação de massa. A solução das equações é baseada no método dos elementos finitos, que permite o controlo da distribuição de elementos na malha utilizada, permitindo a definição da máxima resolução nas áreas de topografia de fundo complexa, e baixa resolução nas regiões de menor interesse. A discretização vertical do modelo é feita em coordenadas sigma, favorecendo a representação de variações batimétricas. O modelo morfológico e de transporte de sedimento em suspensão SediMorph funciona acoplado ao modelo hidrodinâmico (Peixoto, 2012). O método de elementos finitos em que o TELEMAC se baseia, associado a uma malha de cálculo, composta por elementos triangulares de diversos tamanhos e formas, 17

40 Capítulo - 2 permite que a topografia seja discriminada de forma adequada e, portanto, as geometrias complexas da área de estudo podem ser tidas em conta. Os principais resultados, em cada ponto da malha, são a velocidade em todas as três direcções e as concentrações de quantidades transportadas. A profundidade da água é calculada nos pontos nodais da malha de elementos finitos. As aplicações do TELEMAC-3D compreendem problemas de escoamentos com superfície livre de superfície, tanto em massas de água costeiras como em rios. O software tem em consideração para os processos de cálculo, a influência da temperatura e / ou salinidade na densidade, o atrito de fundo, influência da força de Coriollis, influência de factores climáticos (pressão do ar e do vento), consideração das trocas térmicas com a atmosfera, fontes e sumidouros para o movimento do fluido dentro do domínio do escoamento, modelos de turbulência simples ou complexos (k-epsilon), tendo em conta os efeitos da força de Arquimedes (flutuabilidade), áreas secas do domínio computacional (planícies de maré). As principais áreas de aplicação estão relacionadas com ambientes marítimos através do estudo de correntes induzidas ou pelas marés ou gradientes de densidade, com ou sem influência de forças externas do vento ou da pressão atmosférica. Pode ser aplicado a grandes áreas como oceanos, ou a pequenos domínios como estuários e zonas costeiras, para estudo do impacto de efluentes, plumas térmicas, transporte de sedimentos, deposição de sedimentos e a sua espessura, representando uma análise de cariz sedimentológica, e simular a temperatura da água ou salinidade (Mensencal, 2010). Figura 4 - Ilustração de uma malha 3D (Mensencal, 2010) 18 O sistema é constituído por pré-processadores para digitalizar os dados e descrever o problema, por programas de simulação e por pós-processadores para

41 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos representar os dados e analisar os resultados. A estrutura do sistema (Tabela 1) apresenta os seguintes módulos (Mensencal, 2010): Tabela 1 - Descrição dos módulos da estrutura do sistema Estrutura e módulos do Sistema Pré-processador Hidrodinâmica Sedimentologia Qualidade água Ondas da Fluxo de águas subterrâneas Pós-processador MATISSE FUDAA- PREPRO STBTEL TELEMAC- 2D TELEMAC- 3D SPARTACUS -2D SISYPHE SEDI-3D SUBIEF-2D SEDI-3D TOMAWAC ARTEMIS ESTEL-2D ESTEL-3D RUBENS FUDAA- PREPRO POSTEL-3D Descrição Software concebido para gerar uma malha, utilizando dados batimétricos e/ou topográficos. Interface do utilizador. Adaptação para programas geradores de malha comerciais existentes. Software desenvolvido para realizar simulações hidrodinâmicas em duas dimensões horizontais no espaço. Destina-se à realização de simulações hidrodinâmicas em três dimensões no espaço. Este módulo lagrangeano simula em duas dimensões fluxos laminares e turbulentos utilizando o método SPH (Smooth Particle Hydrodynamics). Projectado em duas dimensões para simular o transporte de sedimentos através do arrastamento destes no leito e em suspensão. Tem a mesma funcionalidade que o módulo SISYPHE mas em três dimensões está integrado no TELEMAC-3D. Simula o transporte de sedimentos suspensos e também traçadores em duas dimensões. Simula o transporte de elementos na água, está integrado no TELEMAC-3D. Software configurado para simular o estado do mar em condições permanentes ou transitório usando um método espectral. Projectado para simular as mudanças nas características da agitação marítima quer numa massa de água costeira ou num porto. Fluxos e transporte de poluentes no subsolo médio em duas dimensões. Fluxos e transporte de poluentes no subsolo médio em três dimensões. 19

42 Capítulo RMA2 O programa RMA2 é um modelo hidrodinâmico bidimensional no plano horizontal baseado num método de elementos finitos desenvolvido pelo US Army Corps of Engineers. O cálculo da solução de elementos finitos é efectuado pela equação de Reynolds obtida pelas equações de Navier-Stokes para escoamentos turbulentos. O programa pode ser aplicado para calcular os níveis de água e distribuição de correntes em torno de ilhas, em pontes, cruzamentos de rios, canais de bombagem, padrões de correntes em rios, reservatórios e estuários (Donnell, 2011). O programa RMA2 permite a obtenção de soluções em regime permanente ou variável, com o estabelecimento de condições de fronteira variáveis ao longo do tempo. As soluções são obtidas num determinado número de instantes, nos pontos nodais da malha de elementos finitos. Apresenta como principal limitação a impossibilidade de resolução de escoamentos supercríticos. Esta limitação advém do método numérico empregue na resolução das equações de continuidade e conservação da quantidade de movimento (Pinho, 2000). O programa RMA2 permite a modelação de regiões que apenas se encontram inundadas em determinados períodos de tempo, ideal para simulações de cheias. É baseado nas equações de conservação de massa e quantidade de movimento integradas segundo a coordenada vertical com as direcções horizontais, que são resolvidas por um método de elementos finitos usando a técnica dos resíduos pesados de Galerkin. Os elementos para a discretização espacial poderão ser rectangulares e/ou triangulares de seis e oito nós, respectivamente. Figura 5 - Tipos de elementos para a discretização espacial (Donnell, 2011) O programa utiliza funções de forma quadráticas para velocidades e lineares para a profundidade, a integração espacial é efectuada pelo método de Gauss, e as derivadas temporais são discretizadas por uma aproximação de diferenças finitas. O efeito do atrito no fundo é calculado usando os métodos de Manning ou Chezy, e as 20

43 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos características turbulentas dos escoamentos são considerados a partir de coeficientes de viscosidade dinâmica (Peixoto, 2012). O pré e pós-processamento de dados do programa RMA2 são realizados pelo programa SMS (Surface-Water Modeling System), que permite criar e analisar resultados de modelos hidrodinâmicos bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) de águas superficiais. A partir desta interface é obtida a visualização dos resultados das simulações, são criadas as condições iniciais das simulações, criados os ficheiros de dados e as malhas de elementos finitos SED2D O Programa SED2D (WES-HL, 2000) foi desenvolvido pelo US Army Corps of Engineers. Pode ser aplicado ao estudo de problemas de dinâmica sedimentar em canais em que o escoamento possa ser considerado bidimensional no plano horizontal, não calculando problemas de hidrodinâmica como as elevações de água e velocidades do escoamento que terão que ser calculados num programa auxiliar como o RMA2. Uma suposição implícita do modelo SED2D é que as alterações na elevação do leito devido a erosão e/ou deposição não afectam significativamente o campo do escoamento utilizado no modelo fornecido no programa RMA2, sendo que caso não seja este verificado é necessário voltar para a resolução da malha de base e se obter uma melhor solução hidrodinâmica. O programa permite estudar duas categorias de sedimentos, sedimentos não coesivos, como as areias e sedimentos coesivos como a argila, e analisar problemas em que o material sedimentar seja constituído por um destes tipos de sedimentos, sendo que para cada dimensão efectiva do material sedimentar, terá que ser realizado um cálculo separado. Referente as capacidades do programa o mesmo permite a análise de problemas em regime permanente ou em regime variado. As trocas de material entre o fundo e a coluna de água podem ser consideradas ou desprezadas. As tensões tangenciais no fundo podem ser calculadas a partir da equação de Manning ou de uma lei de parede logarítmica, podendo ainda ser calculadas tensões tangenciais considerando o efeito combinando de correntes e ondas (Pinho, 2005) (Donnell, 2006). O programa é baseado num conjunto de conceitos apresentados em seguida: o problema de dinâmica sedimentar pode ser agrupado nos processos elementares erosão, ressuspensão, transporte e sedimentação. O escoamento apresenta um potencial para erodir, ressuspender e transportar sedimentos independentemente da sua presença nos domínios modelados. Os sedimentos mantêm-se em repouso no fundo do canal nas 21

44 Capítulo - 2 situações em que o escoamento apresentar características que originem tensões tangenciais inferiores ao valor crítico da tensão para início da erosão. Mesmo após o início do movimento dos sedimentos a batimetria poderá não sofrer qualquer alteração se a erosão for compensada pela sedimentação que ocorre de forma independente e, também, de forma contínua. No transporte de sedimentos coesivos estes irão permanecer em suspensão enquanto a tensão tangencial no fundo for superior ao valor crítico de deposição. Em geral, a ocorrência simultânea de sedimentação e erosão de material coesivo não ocorre. A estrutura de fundos formados por materiais coesivos varia com o tempo e com o estado de tensão. A maior parte dos sedimentos é transportado em suspensão, mesmo que parte desse material seja transportado junto ao fundo MIKE3 O programa MIKE3 foi desenvolvido pelo (DHI), pode ser aplicado ao estudo de problemas de simulação hidrodinâmicos tridimensionais de superfície livre, dinâmica sedimentar e processos de qualidade de água (DHI, 2011). É um sistema de modelação projectado para o estudo da oceanografia, regiões costeiras, estuários e lagos, com variações de temperatura e densidades. O sistema é totalmente tridimensional, resolve equações de impulso e de continuidade nas três direcções cartesianas. Resolve problemas em regime variável para variações de densidade e batimetria, considerando também elevações das marés, correntes e outras condições hidrográficas. O cálculo da solução de elementos finitos é efectuado pela equação de Reynolds obtida pelas equações de Navier-Stokes incluindo os efeitos de turbulência e de densidade variável, juntamente com a equação de conservação de massa. O programa MIKE3 é composto por três módulos fundamentais: O módulo hidrodinâmico (HD), o módulo de turbulência e o módulo de advecção-dispersão (AD). No módulo de hidrodinâmica, as variáveis são as componentes de velocidade nas três direcções e as pressões do fluido. As equações do modelo são discretizadas num esquema implícito de diferenças finitas. Várias características, tais como descrição de superfície livre, a descrição de fluxo laminar e variações de densidade são opcionalmente invocadas nos três módulos fundamentais. Uma série de módulos encontram-se também implementados no programa, como o módulo de advecçãodispersão de substâncias conservativas ou linearmente decadente, o módulo de qualidade da água (WQ), de eutrofização (EU), simulando o crescimento de algas e 22

45 Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos produção primária, um módulo de transporte de lodos (MT), simulação de erosão e deposição de material coesivo, e um módulo de transporte de sedimentos (PA). O sistema baseia-se na modelação da conservação da massa e da quantidade de movimento, em três dimensões de um fluido newtoniano, baseando-se no conceito de viscosidade turbulenta de Boussinesq referente as tensões de Reynolds para o campo de velocidade média. Para lidar com as variações de densidade, são consideradas as equações de conservação de salinidade e temperatura. O transporte de quantidades escalares, tais como a salinidade e temperatura, é resolvido no módulo advecção-dispersão usando um técnica explícita, de diferenças finitas baseado na interpolação quadrática a montante em três dimensões. O esquema de diferenças finitas apresenta características de robustez no que se refere à dispersão numérica, estabilidade e conservação de massa (Danish Hydraulic Institute, 2001). Figura 6 - Estrutura do sistema de modelação MIKE 3 adaptado de (Danish Hydraulic Institute, 2001) 23

46 Capítulo

47 3 3. Modelo do estuário do rio Douro 3.1 Bacia hidrográfica e estuário do rio Douro A bacia hidrográfica do rio Douro tem uma superfície de km 2 estando 19,1% localizada em território português (cerca de km 2 ) e o restante em território espanhol. É uma das mais extensas e mais pluviosas Baicas hidrográficas da Península Ibérica. Neste rio estão construídas barragens de fio de água com pequena capacidade de armazenamento. As margens do estuário são elevadas e com pequena secção transversal. Devido ao conjunto de condições descritas, o rio está sujeito a grandes cheias tendo as albufeiras construídas no rio, no trecho nacional, pequena capacidade de as modelar. O escoamento anual do rio Douro é, em média, de hm 3, correspondendo um escoamento de hm 3 com origem em precipitação na bacia nacional e o restante em Espanha. Estima-se que a bacia hidrográfica do rio Douro, em território nacional, apresente uma capacidade total de armazenamento de recursos hídricos de hm 3, em regime regularizado. A bacia hidrográfica do rio Douro é a bacia nacional que apresenta o maior valor de escoamento na sua foz, em termos de volume de águas. Tem numerosos afluentes em território nacional, sendo os mais importantes o Sabor, o Tua, o Corgo, o Tâmega, o Sousa, o Águeda, o Coa, o Távora, o Varosa, o Paiva e o Arda (Infopedia, 2013). Para a bacia hidrográfica do rio Douro foram projetados diversos aproveitamentos hidroelétricos, estando implantados no próprio rio Douro a barragem de Miranda, a barragem do Picote, a barragem de Bemposta, a barragem do Pocinho, a barragem da Valeira, a barragem da Régua, a barragem do Carrapatelo e a barragem de Crestuma. 25

48 Capítulo - 3 Figura 7 - Bacia hidrográfica do Douro O estuário tem um comprimento de 22 km, estando a propagação da maré limitada a montante pela barragem de Crestuma. A penetração da cunha salina depende de factores como o caudal do rio e da amplitude da maré, atingindo apenas a barragem de Crestuma em condições de caudal do rio excepcionalmente baixo. O estuário do Douro representado na Figura 8 localiza-se entre as cidades de Porto e Gaia, respectivamente nas margens norte e sul e é constituído por um vale estreito, com largura mínima de 135 m na Ponte D. Luís a 6 km da embocadura. A jusante da Ponte da Arrábida, o estuário alarga atingindo a largura máxima de 1300 m. O estuário superior é estreito e tem uma profundidade normalmente superior a 10 m. No estuário inferior a largura aumenta e a profundidade diminui, só ultrapassando os 10 m excepcionalmente no canal principal, o qual permanece confinado à margem norte. 26

49 Modelo do estuário do rio Douro Figura 8 - Estuário do rio Douro (Google Earth, 2013) Na embocadura, está localizado o banco de areia do Cabedelo disposto perpendicularmente ao eixo do estuário, confinando o escoamento ao canal estreito junto à margem norte. O Cabedelo é um banco arenoso sendo a sua forma modulada pelo regime de agitação e pelo escoamento devido ao rio e à maré. Em situações de cheia, para caudais da ordem dos m 3 /s o banco é galgado e destruído pelo escoamento, sendo reconstruído progressivamente pelo escoamento depois de terminada a cheia. É observável (Figura 9) que ao longo do tempo o banco de areia tem migrado para montante no estuário. A instabilidade na parte sudeste do banco de areia pode representar uma ameaça para uma reserva natural local existente. O tamanho e a forma variável do banco de areia causaram incómodo frequente para a navegação, afetando a largura e profundidade do canal de navegação. Com o objetivo de melhorar a segurança da navegação, entre 2004 e 2008 foi construído um quebra-mar para estabilizar o banco de areia, apresentado na figura 9 (Bastos et al., 2012) 27

50 Capítulo Figura 9 - Evolução ao longo do tempo da restinga (Google Earth, 2013) O caudal médio anual num ano típico na barragem de Crestuma situa-se em torno dos 450 m 3 s -1, sendo 700 m 3 s -1 e 200 m 3 s -1 para anos húmidos e secos, respectivamente. Este caudal apresenta uma marcada variabilidade entre os meses de Inverno e os de Verão, podendo em situações de cheia exceder os m 3 s -1 (INAG, 2000). Em termos de mistura vertical, o estuário pode normalmente ser considerado como verticalmente homogéneo, apresentando no entanto uma cunha salina em situações de caudal elevado. Para condições médias, o estuário é parcialmente misturado com uma modulação na estratificação de marés vivas a mortas (Bordalo,1991; HIDROMOD, 1995). 3.2 Modelo tridimensional do estuário do rio Douro A fase inicial do trabalho de modelação consiste na construção de uma grelha para discretização do domínio espacial do modelo. Para tal, foram definidas as fronteiras fechadas do estuário do rio Douro, através do programa Google Earth, com a ferramenta adicionar caminho (figura 10) criando um ficheiro do tipo *.kml, e posteriormente corrigido localmente através da análise dos ortofotomapas. Para que a construção do modelo fosse toda efectuada no mesmo sistema de coordenadas, foi utilizado o programa Global Mapper (figura 10) para converter o ficheiro *.kml, do modelo, como a batimetria do estuário, para o sistema de 28

51 Modelo do estuário do rio Douro coordenadas UTM (Universal Transverse Mercator coordinate system), e transformando os dados do domínio das fronteiras fechadas do modelo do estuário num ficheiro do tipo *.ldb para que este fosse reconhecido pelo programa Delft3d, programa que foi utilizado neste trabalho. Figura 10 - Representação das fronteiras terrestres do estuário no programa Google Earth (esquerda) e Global Mapper (direita) Na construção da grelha do modelo procurou-se obter um refinamento na zona da restinga para uma melhor compreensão e estudo desse local relativamente à sua dinâmica sedimentar e ao mesmo tempo ter uma grelha que permitisse a execução do programa com tempos CPU aceitáveis. A grelha foi considerada mais larga em locais de menor interesse para o estudo como é o caso do oceano e parte interior do estuário do rio Douro. Para se atingirem estes objectivos, estudou-se a construção de grelhas utilizando diferentes técnicas que são em seguida apresentadas. A primeira técnica utilizada foi o domain decomposition que consiste na construção de um modelo dividido em múltiplos domínios (figura 11), o que permite uma maior flexibilidade relativamente ao domínio e refinamento da grelha, e um refinamento local acentuado apenas na região de interesse. Figura 11 - Princípio da técnica domain decomposition (Delft3D-FLOW, 2011) 29

52 Capítulo - 3 Para esta construção foi utilizado o módulo RFGRID do Delft3D utilizando o ficheiro do tipo *.ldb, criado para a definição das fronteiras fechadas e gerando uma grelha rectangular com o respectivo refinamento para cada local de domínio a construir através da ferramenta create rectangular grid, e posteriormente a eliminação da grelha fora do domínio do modelo através do comando delete interior or exterior block. Os múltiplos domínios criados consistem no domínio do rio Douro, no domínio da restinga, da zona costeira e do oceano, cada um com espaçamentos diferentes, sendo o domínio da restinga o que apresenta o maior refinamento com uma grelha espaçada de 10 m nas duas direções horizontais, enquanto a zona do oceano apresenta o menor refinamento com a grelha espaçada em 200 m. De modo a que os múltiplos domínios comunicassem entre eles procedeu-se a criação das fronteiras coincidentes de cada subdomínio através da ferramenta DD Boundaries, que através da delimitação cria um ficheiro do tipo *.ddb (figura 12). Apos a sua conclusão, a grelha apresenta um total de células de cálculo, sendo 972 da grelha do oceano, 3450 da grelha da zona costeira, da grelha da restinga, e 2243 da grelha do rio Douro. Figura 12 - Representação dos múltiplos domínios do estuário (esquerda) e do domínio da restinga (direita) Uma outra técnica de construção do modelo utilizada foi a técnica de NESTHG, que consiste na criação de um modelo global do estuário menos refinado e um modelo local da restinga com maior refinamento, sendo posteriormente sobrepostos os dois modelos e utilizada a informação do modelo global que transitará para a informação do modelo local (figura 13), através da interpolação bilinear dos resultados calculados computacionalmente nas estações definidas no modelo global do estuário. 30

53 Modelo do estuário do rio Douro Figura 13 - Principio do modelo NESTHG (Delft3D-FLOW, 2011) Para a construção do modelo global do estuário e do modelo local da restinga (figura 14) foi utilizado o modulo RFGRID do Delft3D e utilizado o mesmo método de criação das grelhas que foi utilizado no método do domain decomposition, apresentado uma grelha com um espaçamento de 10 m para o modelo local da restinga, enquanto que para o modelo global do estuário optou-se pela criação de uma grelha através da opção baseada em splines para delimitar as fonteiras fechadas do modelo definidas no ficheiro do tipo *.ldb, criado anteriormente, e com um refinamento reduzido visto que se pretende um cálculo mais rápido neste modelo. Apos a criação do modelo global do estuário e do modelo local da restinga procedeu-se à criação das estações no modelo global que transitam informação para as fronteiras do modelo local, através do módulo NESTHD1 que cria um ficheiro do tipo *.obs. Obtidas as estações procedeu-se ao cálculo do modelo global, e de seguida à criação de um ficheiro do tipo *.bct através do modulo NESTHD2, que por interpolação bilinear transfere os dados da altura da água e da velocidade nas estações definidas no modelo global para as fonteiras do modelo local da restinga. Após a sua conclusão, a grelha apresenta um total de células de cálculo, sendo 846 referentes à grelha do modelo global, e da grelha do modelo local. Figura 14 - Representação do modelo global do estuário (esquerda) e do modelo local da restinga (direita) 31

54 Capítulo - 3 Por fim utilizou-se o método de criação da grelha utilizando um refinamento local (figura 15), através do modulo RFGRID do Delft3D, e do ficheiro do tipo *.ldb, criado anteriormente para a definição das fronteiras fechadas, gerando uma grelha rectangular com um refinamento homogéneo para todo o domínio a construir através da ferramenta create rectangular grid, e posteriormente a eliminação da grelha fora do domínio do modelo através do comando delete interior or exterior block. De modo a refinar mais o local da restinga, recorreu-se à opção Refine grid locally que permite o refinamento da grelha para um subdomínio horizontal e vertical, tendo como limitação este método, o refinamento de todo esse subdomínio, ou seja todo o subdomínio horizontal e vertical da grelha será refinado, procedendo-se então a um refinamento local da grelha da restinga definindo-se um espaçamento de 20 m. Para os locais da grelha em que se pretende um menor refinamento com o objetivo de reduzir o tempo de cálculo recorreu-se à opção Derefine grid locally. Apos a sua conclusão, a grelha apresenta um total de células de cálculo, estando 6351 células localizadas na restinga conforme ilustrado na figura 15. Figura 15 - Representação da grelha utilizando um refinamento local na restinga Constatou-se que os dois primeiros modelos em que as grelhas foram criadas com o Domain Decomposition e o NESTHG revelavam alguma instabilidade numérica nos processos de cálculo, pelo que se optou por utilizar a grelha em que foi realizado um refinamento local. O processo de cálculo é efectuado num período de tempo satisfatório de aproximadamente 3 horas para uma simulação de 48 horas Batimetria do modelo do estuário do rio Douro Para definição da batimetria do modelo foi utilizado o módulo QUICKIN do Delft3D usando duas batimetrias existentes disponíveis, uma disponibilizada pela Administração do Porto do Douro e Leixões, referente ao local da restinga com 6 m de resolução e outra mais abrangente, incluindo parte do trecho do rio Douro e parte do 32

55 Modelo do estuário do rio Douro Oceano Atlântico com uma resolução de 100 m, disponibilizada pelo Instituto Hidrográfico e apresentada na figura 16. De modo a serem utilizadas pelo módulo QUICKIN para o modelo construído as batimetrias foram convertidas para o mesmo sistema de coordenadas UTM utilizado para a grelha, pelo pograma Global Mapper e para o mesmo nível de referência utilizado pelo programa Delft3D que é o zero hidrográfico. As batimetrias foram introduzidas no modelo através de um ficheiro tipo *.xyz e interpoladas para as células da grelha através da opção triangular interpolation. Parte do trecho do rio Douro foi introduzida através da opção depth linear uma vez que apenas se conhecia a cota de fundo do estuário na barragem de Crestuma. Para a definição de camadas segundo a direcção vertical do modelo foi utilizado o módulo Flow Input onde se utilizara um número de 10 camadas com espaçamento vertical idêntico (cada camada apresenta uma espessura de 10% da profundidade local). Figura 16 - Representação da batimetria do modelo do estuário 3.3 Condições de Fronteira Foram definidas duas fronteiras abertas no modelo de modo a caracterizar o escoamento hidrodinâmico e a análise à dinâmica sedimentar no estuário, em função da variação de maré do oceano e da descarga fluvial no rio Douro, localizada na barragem de Crestuma. Para tal foram criadas duas fronteiras (boundaries) no módulo Flow input do Delft3D, como mostra a figura

56 Capítulo - 3 Figura 17 - Fronteiras abertas no modelo A condição de fronteira criada a montante no estuário do rio Douro, na barragem de Crestuma, é do tipo Total discharge em combinação com o tipo Time-series com uma distribuição vertical hidraulicamente uniforme, onde são introduzidos os valores de caudal descarregados pela barragem e posteriormente os valores de concentração de sedimentos considerada na água descarregada. A condição de fronteira referente ao Oceano Atlântico é do tipo Water level em combinação com o tipo Astronomic requerendo esta condição o conhecimento das componentes astronómicas da maré. De modo a serem definidos os caudais a utilizar na condição de fronteira referente às descargas da barragem de Crestuma, foram analisados os dados disponibilizados pelo SNIRH no período de a , da estação hidrometria de Crestuma (figura 18). Os dados disponibilizados pelo INAG referem que o caudal médio anual num ano típico na barragem de Crestuma se situa em torno dos 450 m 3 /s, sendo 700 m 3 /s e 200 m 3 /s em anos húmidos e secos respectivamente, podendo para situações de cheia exceder os m 3 /s (INAG, 2000). m 3 /s Caudal Crestuma Figura 18 - Descargas da barragem de Crestuma no período de a (SNIRH, 2013) 34

57 Modelo do estuário do rio Douro Para a fronteira referente ao Oceano Atlântico foram definidos três tipos de marés distintas, uma maré viva, uma maré morta e uma maré com valores intermédios aos valores obtidos pelas duas marés anteriores, sendo que para tal recorreu-se ao instituto hidrográfico para a observação dos valores de maré que seriam relevantes para este estudo. Sendo esta condição de fronteira do tipo Astronomic as componentes astronómicas consideradas e respectivas amplitudes e fases são apresentadas na tabela 2. Tabela 2 - Componentes astronómicas da maré Componentes astronómicas Amplitude (m) Fase (graus) M2 1, ,81590 S2 0, ,40000 N2 0, ,06030 K2 0, ,71790 K1 0, ,05890 O1 0, ,45700 NU2 0, ,18740 MU2 0, ,33180 SA 0, , N2 0, ,60460 MSF 0, ,78410 Os valores de concentração de sedimentos na fronteira referente ao rio Douro, foram considerados tendo em análise os valores de rios portugueses disponibilizados pelo SNIRH, bem como vários artigos sobre rios internacionais, com características semelhantes às do rio Douro, visto que esta informação especificamente para o caso do rio Douro é praticamente nula ou inexistente. Deste modo foram considerados os valores presentes na tabela 3 (Hickin, 1995). Tabela 3 - Concentrações de sedimentos consideradas Frequência Concentração de sedimentos (mg/l) Muito Alta Alta Normal Baixa

58 Capítulo Calibração do modelo do estuário do rio Douro A calibração do modelo foi realizada utilizando registos de níveis de maré, tendo em consideração os valores da estação do porto de Leixões, disponibilizado pelo instituto hidrográfico num período de 48 horas. Comparou-se os três tipos de marés que serão alvo de estudo, concretamente uma maré viva uma maré morta e um período onde a maré apresenta uma serie de valores intermédios às marés anteriores visto que esta será importante para o estudo da dinâmica sedimentar a longo prazo. O ponto de observação do modelo onde se obterá os valores das marés encontra-se no oceano, conforme apresentado pela figura 19, sendo que a comparação deveria ter sido realizada para pontos no interior do estuário, não sendo esta possível devido à falta de registos na situação de configuração actual das obras da embocadura. Figura 19 - Localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre. A maré viva foi comparada com base nos dados obtidos na estação do porto de Leixões referentes ao período de 29 de Março de 2002 a 31 de Março de 2002 com início às 00:00 horas (figura 20). 36

59 Metros 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 Modelo do estuário do rio Douro Maré Viva de a Figura 20 - Curvas de elevação de superfície para maré viva A maré morta foi comparada com base nos dados obtidos na estação do porto de Leixões referentes ao período de 08 de Janeiro de 2010 a 10 de Janeiro de 2010 com início às 00:00 horas (figura 21). Minutos Delft3D Instituto Hidrográfico Metros 1 0,75 0,5 0,25 0-0,25-0,5-0,75-1 Maré Morta de a Figura 21 - Curvas de elevação de superfície para maré morta O valor intermédio da maré foi comparado com base nos dados obtidos na estação do porto de Leixões referentes ao período de 02 de Janeiro de 2000 a 04 de Janeiro de 2000 com início às 00:00 horas (figura 22). Minutos Delft3D Instituto Hidrográfico 37

60 Capítulo - 3 Metros 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0-0,25-0,5-0, ,25 Valor Intermédio da Maré a Figura 22 - Curvas de elevação de superfície para o valor intermédio da maré Ao observar as figuras anteriores pode-se concluir que para maré viva os valores simulados pelo modelo apresentam um comportamento perfeito em comparação com os valores reais, enquanto para maré morta e para o valor intermédio de maré o modelo apresenta um pequeno desvio dos valores reais, com um erro sempre inferior a 0,1 m, em baixa-mar para a maré morta e em preia-mar para o valor intermédio de maré. Apesar dos pequenos desvios da curva do modelo simulado, pode-se admitir que esta apresenta uma boa aproximação aos valores da curva registada no marégrafo do Porto de Leixões. Conclui-se ainda que dos muitos factores que podem influenciar a elevação da superfície livre, nesta simulação apenas foram consideradas as componentes astronómicas expostas na tabela 2, ficando de fora o vento, a pressão e o caudal fluvial que pode explicar as diferenças verificadas. Foi assumido com valor constante ao longo das simulações e igual ao valor médio diário registado em Crestuma. Minutos Delft3D Instituto Hidrográfico Segundo descrito pelo Instituto Nacional da Água (INAG, 2012) existem dois vórtices induzidos pelo jacto de saída, um ciclónico a sul (a) e outro anticiclónico a norte (b), características apresentadas pelo modelo conforme apresentado na figura Figura 23 - Representação esquemática dos vórtices induzidos pelo jacto de saída

61 Modelo do estuário do rio Douro Foi ainda realizada uma análise de sensibilidade dos resultados às variações do valor do coeficiente de rugosidade de Manning: definiram-se três valores distintos do coeficiente, um valor para condições de rugosidade baixas, um para condições regulares e um outro para condições de elevada rugosidade das paredes do canal, simuladas pelo modelo num período de 48 horas para um valor constante do caudal do rio Douro de 450 e f /N. Constatou-se que a variação do coeficiente apenas afectava de forma significativa a velocidade horizontal da camada de fundo, enquanto na camada superficial o valor permanece constante. Pode-se constatar que para coeficientes de rugosidade de Manning mais elevados o valor da velocidade horizontal na camada de fundo (figura 24) na Ponte da Arrábida, é mais baixa, comparativamente com valores mais reduzidos do coeficiente, que implicam velocidades mais altas. Definiu-se para o modelo um valor constante do coeficiente de rugosidade Manning de 0,033 N e -/f, correspondendo a canais com leito arenoso e lodoso e as paredes laterais em pedra, em condições regulares, por ser o que mais se aproxima às características gerais do estuário do rio Douro. m/s 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Velocidade Horizontal Coeficiente de rugosidade Manning (N e 1/3 ) min 0,025 0,045 0,033 Figura 24 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do coeficiente de rugosidade de Manning Outro aspeto analisado foi a sensibilidade dos resultados das velocidades em função do modelo de turbulência adoptado uma vez que o programa Delft3D permite o cálculo recorrendo a quatro tipos de modelos de turbulência: o k-epsilon, o k-l, o Algebric, e Constante. Para tal foi simulado um período de 48 horas para um valor constante do caudal do rio Douro de 450 e f /N, e comparando-se os resultados obtidos no local coincidente com a localização da Ponte da Arrábida. Constatou-se que, os modelos k-epsilon, k-l e Algebric, apresentam resultados muito semelhantes, com uma ligeira diferença do modelo k-epsilon, que apresenta resultados mais estáveis, conforme se pode ver na figura 25. O modelo do tipo Constante apresenta valores bastante 39

62 Capítulo - 3 distintos dos valores reais. Consequentemente o modelo adoptado como referencia para as simulações é o modelo de turbulência k-epsilon. m/s,7000,6000,5000,4000,3000,2000,1000,000 Velocidade Horizontal Modelo de turbulencia min k-epsilon k-l Algebraic Constant Figura 25 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do modelo de turbulência tridimensional 40

63 4 4. Análise e discussão dos resultados 4.1 Aspetos gerais Devido à grande quantidade de resultados obtidos decidiu-se optar por uma organização deste capítulo em quatro grandes secções: (A) apresentação dos cenários de modelação alvos de estudo, (B) apresentação dos resultados da análise hidrodinâmica, (C) dos resultados da análise à dinâmica sedimentar, e (D) dos resultados no caso de colapso das estruturas de defesa na embocadura do estuário do rio Douro. Consideramse os seguintes resultados dentro de cada conjunto: A Cenários de modelação B Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro B1 Análise da maré B2 Análise da velocidade do escoamento C Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro C1 Análise da influência exercida pelo caudal fluvial C2 Análise da influência exercida pela maré na morfologia do estuário C3 Análise da influência da dimensão dos sedimentos presentes no estuário C4 Análise da influência da massa volúmica dos sedimentos D Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura D1 Impactos na hidrodinâmica D2 Impactos na dinâmica sedimentar 41

64 Capítulo Cenários de modelação Os cenários definidos para modelação apresentados na tabela 4 resultam da combinação da variação da maré e do caudal de descarga da barragem de Crestuma, bem como da concentração de sedimentos na água do rio Douro. A variação das diferentes variáveis em estudo resultou na consideração dos diferentes cenários que foram organizados em grupos temáticos de análise de problemas específicos. Visto que a definição de algumas variáveis como a massa volúmica dos sedimentos presentes no estuário e o seu diâmetro serem de difícil definição, admitiu-se uma série de valores verossímeis, nas simulações realizadas. Define-se ainda um cenário acidental, onde é considerada a destruição das estruturas de defesa existente na restinga, de modo a possibilitar a análise do impacto desta situação na hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário.. 42

65 Capítulo - 4 Tabela 4 - Cenários considerados para modelação Problema em análise Cenário Tipo de Maré Caudal (m 3 /s) Coeficiente de rugosidade Manning (s*m -1/3 ) Coeficiente de viscosidade horizontal (m 2 /s) Coeficiente de difusão horizontal (m 2 /s) Modelo de turbulência 3D Massa volúmica dos sedimentos (kg/m 3 ) Diâmetro médio de sedimento D50 (μm) Concentração de sedimentos Crestuma (kg/m 3 ) Tempo de simulação 1 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 2 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 0 - Calibração 3 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 4 Intermédia 450 0, k-l ,5 2 dias 5 Intermédia 450 0, Algebraic ,5 2 dias 6 Intermédia 450 0, Constant ,5 2 dias 7 Maré viva 200 0, k-epsilon dias 8 Maré viva 450 0, k-epsilon dias 9 Maré viva 700 0, k-epsilon dias 1 - Análise hidrodinâmica 10 Maré viva , k-epsilon dias 11 Maré morta 200 0, k-epsilon dias 12 Maré morta 450 0, k-epsilon dias 13 Maré morta 700 0, k-epsilon dias 14 Maré morta , k-epsilon dias 43

66 Capítulo - 4 Problema em análise 2 - Análise morfodinâmica (caudal) 3 - Análise morfodinâmica (maré) 4 - Análise morfodinâmica (dimensão de sedimento) 5 - Análise morfodinâmica (densidade de sedimentos) 6 - Análise morfodinâmica (rutura) Cenários Tipo de maré Caudal (m 3 /s) Coeficiente rugosidade Manning (s*m -1/3 ) Coeficiente viscosidade horizontal (m 2 /s) Coeficiente de difusão horizontal (m 2 /s) Modelo de turbulência 3D Massa volúmica dos sedimentos (kg/m 3 ) Diâmetro médio de sedimento D50 (μm) Concentração sedimentos Crestuma (kg/m 3 ) Tempo de simulação 15 Intermédia 200 0, k-epsilon ,1 2 dias 16 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 17 Intermédia 700 0, k-epsilon dias 18 Intermédia , k-epsilon dias 19 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 1 anos 20 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 anos 21 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 4 anos 22 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 6 anos 23 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 8 anos 24 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 10 anos 25 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 26 Maré viva 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 27 Maré morta 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 28 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 29 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 30 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 31 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 32 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 33 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 34 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 2 dias 35 Intermédia , k-epsilon dias 36 Intermédia 450 0, k-epsilon ,5 10 anos 44

67 Capítulo Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro Elevação da superfície livre A figura 26 apresenta o local à saída do estuário onde se efectuou a análise das alturas da água induzidas pelas marés e pelo caudal do rio Douro, e apresentadas nas figuras 27 a 30, para um caudal descarregado pela fronteira a montante (Crestuma) de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s 700 m 3 /s e m 3 /s, respectivamente. Figura 26 - Planta do modelo com a localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre. Elevação(metros) 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, Mare viva Mare Morta minutos Figura 27 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 200 m³/s. 45

68 Capítulo - 4 Elevação (metros) 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, Mare viva Mare morta minutos Figura 28 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 450 m³/s. Elevação(metros) 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, minutos Mare viva Mare morta Figura 29 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 700 m³/s. 2,5 2 Elevação (metros) 1,5 1 0,5 0-0, minutos -1 Mare viva Mare morta Figura 30 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de m³/s. Na análise dos gráficos de elevação de superfície, os aspetos que mais se destacam, são a diferença de amplitudes entre os dois tipos de marés, apresentando a maré morta uma diferença de amplitude de aproximadamente um metro menor que os valores da maré viva, e a diferença de valores, na situação de cheia (caudal de m 3 /s) para os resultados obtidos 46

69 Análise e discussão dos resultados para caudais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s, e 700 m 3 /s, que apresentam valores bastante análogos, conforme é apresentado na tabela 5. Tabela 5 - Valores de amplitude para os diferentes cenários Amplitude (metros) Maré viva Maré morta Tempo Q200 Q450 Q700 Q10000 Q200 Q450 Q700 Q10000 (min) 180 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,23466 Na tabela 5 os valores em preia-mar e baixa-mar são sempre máximos para o caudal de cheia de m 3 /s, como seria de esperar, devido a localização da estação de observação se localizar à saída do estuário conforme identificado anteriormente na figura 26. Para caudais de cheia o nível da água é agravado até à embocadura. No restante estuário, a quando a baixa-mar é exposta uma grande área da restinga sendo esta maior ou menor conforme seja maré viva ou maré morta, criando assim um grande banco de areia na parte sul do estuário, sendo posteriormente coberta parcialmente na transição para preia-mar, mas não totalmente coberta criando assim uma barreira ao escoamento da água do rio Douro para o oceano, que se processa sempre na parte norte do estuário, aumentado a altura da água no interior do estuário. No caso de cheia, para um caudal de m 3 /s, escoado pelo rio Douro, a restinga é submersa quase na sua totalidade, apresentando uma grande altura de água para montante do quebra-mar aumentando o seu valor à medida que se desloca para o interior do estuário. A maré também tem uma grande influência no interior do estuário para qualquer tipo de caudal do rio Douro, apresentando em preia-mar um valor de 4,418 metros (m) na Ponte da Arrábida para maré viva e de 3,922 m para maré morta, em relação ao zero hidrográfico. Observa-se ainda que para os caudais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s esta diferença de altura de água é aproximadamente de um metro sendo maior do que no caso da situação de cheia. Estas características são apresentadas nas figuras 31 e 32 obtidas para os cenários 7 a 14 apresentados na tabela 4. 47

70 Capítulo - 4 Simulação 7 baixa-mar (200 m 3 /s) Simulação 7 preia-mar (200 m 3 /s) Simulação 8 baixa-mar (450 m 3 /s) Simulação 8 preia-mar (450 m 3 /s) Simulação 9 baixa-mar (700 m 3 /s) Simulação 9 preia-mar (700 m 3 /s) Simulação 10 baixa-mar (10000 m 3 /s) Simulação 10 preia-mar (10000 m 3 /s) Figura 31 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré viva 48

71 Análise e discussão dos resultados Simulação 11 baixa-mar (200 m 3 /s) Simulação 11 preia-mar (200 m 3 /s) Simulação 12 baixa-mar (450 m 3 /s) Simulação 12 preia-mar (450 m 3 /s) Simulação 13 baixa-mar (700 m 3 /s) Simulação 13 preia-mar (700 m 3 /s) Simulação 14 baixa-mar (10000 m 3 /s) Simulação 14 preia-mar (10000 m 3 /s) Figura 32 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré morta 49

72 Capítulo Velocidade das correntes Na análise dos resultados das velocidades no estuário, serão identificadas as zonas de velocidade máxima e o tipo de escoamento ocorrido, assim como a variação da velocidade em profundidade nas zonas de maior interesse e os valores de velocidade à saída do estuário ao longo do tempo. Os valores da velocidade horizontal máxima na camada superficial são apresentados na figura 33, assim como os vectores de velocidade correspondentes, para o cenário 8, com um caudal fluvial de 450 m 3 /s, com maré viva, que ocorre a 28,17 horas apos início da simulação, e corresponde à vazante do estuário apos a preia-mar ter ocorrido. É identificável que para este cenário a velocidade máxima ocorre na saída do estuário com um valor máximo de aproximadamente 1,579 m/s, devido ao estreitamento da seção transversal gerado pela presença do quebra-mar. Os valores mais elevados de velocidade acontecem na parte norte da embocadura do estuário, enquanto na zona sul da embocadura a velocidade é muito próxima do valor nulo, devido ao escoamento ser processado pela parte norte do estuário como é demostrado pelos vectores de velocidade do escoamento (figura 33). A influência da velocidade do escoamento proveniente do rio Douro no oceano vai diminuindo à medida que se desloca para jusante da embocadura, conforme é observável pela pluma formada na figura 33, que apresenta um valor nulo a aproximadamente 3200 m de distância da saída do estuário para este cenário. Como já referido anteriormente no capítulo 3.4, são visíveis dois vórtices em zonas adjacentes à embocadura do estuário, que resultam da circulação do escoamento para o oceano formando um jacto de água na direcção do oceano, no momento da vazante do estuário. Os vórtices formados são de dois tipos, sendo um na direcção anti-horária e outro na direcção horária a sul e a norte do jacto de água, respectivamente. 50

73 Análise e discussão dos resultados Figura 33 - Representação da velocidade superficial máxima (superior) e dos vectores velocidade (inferior) para o cenário 8. São apresentados nas figuras 34 e 35, os valores de velocidade superficial ao longo de um eixo longitudinal do estuário do rio Douro, compreendido entre o oceano e a Ponte do Freixo, para o momento de ocorrência da máxima velocidade correspondente à vazante do estuário após a preia-mar, para os cenários da análise hidrodinâmica de maré viva (cenário 7 a 10) e de maré morta (cenário 11 a 14), respectivamente. Nas figuras 34 e 35 estão ilustradas as localizações da entrada do estuário (EE), ermida de São Miguel-o-Anjo (SM), da Ponte da Arrábida (PA), da Ponte do Infante (PI) e da Ponte do Freixo (PF). Através da comparação dos gráficos apresentados, pode-se concluir que as velocidades obtidas a quando da maré viva são maiores do que as de maré morta, como seria esperado devido às enchentes e vazantes do estuário deslocarem maiores volumes de água, apresentando a maré viva um máximo de velocidade de 5,91 m/s enquanto para o cenário de maré morta esse valor é de 5,65 m/s, localizado na entrada do estuário. É também patente que quanto maior for o caudal maior será a velocidade de escoamento, destacando-se os valores de cheia (caudal de m 3 /s) dos valores correspondentes aos caudais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s, que se mantêm próximos em todo o desenvolvimento do perfil longitudinal analisado. O valor de velocidade do escoamento para o cenário de cheia chega a um máximo de 5,91 m/s, enquanto para os caudais 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s os valores de escoamento apresentam um máximo de 1,46 m/s, 1,54 m/s e 1,66 m/s, respectivamente para a 51

74 Capítulo - 4 situação de maré viva, na zona de entrada do estuário o que evidencia a elevada diferença da velocidade na situação de cheia. Nas figuras 34 e 35 são evidenciadas quatro zonas onde a velocidade atinge valores mais elevados. A principal zona ocorre na entrada do estuário devido ao estreitamento da seção gerado pela presença do quebra-mar, o segundo pico de velocidade ocorre na zona mais profunda do estuário que se situa perto da ermida de São Miguel-o-Anjo (na coordenada x ), o terceiro pico encontra-se junto à Ponte da Arrábida (na coordenada x ), com a característica de apenas se evidenciar para o caudal de cheia, enquanto para caudais mais reduzidos este valor não ultrapassa os valores que ocorrem na ermida de São Miguel-o- Anjo. O quarto pico ocorre entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo (na coordenada x ), sendo o segundo maior valor de velocidade para os caudais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s com os valores de 1,14 m/s, 1,30 m/s e 1,48 m/s em maré viva e de 0,67 m/s, 0,90 m/s e 1,15 m/s para maré morta, respectivamente. 6 EE SM PA PI PF 5 Velocidade (m/s) Cordenada x (metros) Q200 Q450 Q700 Q10000 Figura 34 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 7 (Q200), 8 (Q450), 9 (Q700) e 10 (Q10000). 52

75 Análise e discussão dos resultados 6 EE SM PA PI PF 5 Velocidade(m/s) Cordenada x (metros) Q200 Q450 Q700 Q10000 Figura 35 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 11 (Q200), 12 (Q450), 13 (Q700) e 14 (Q10000). Da análise dos resultados apresentados nas figuras 34 e 35 verifica-se a existência de variações de velocidade com maior ênfase na parte interior do estuário (parte fluvial), no instante de vazante a quando da obtenção do máximo valor de velocidade de escoamento na camada superficial. É visível ainda na figura 36, correspondente ao cenário 10 (cenário mais desfavorável), que o número de Froude (obtido através da expressão Fr = U/ (gh)) é superior a um, na zona interior do banco de areia, ocorrendo apenas no mesmo instante que é representado nas figuras 34 e 35, não voltando a ultrapassar esse valor, no restante tempo de simulação, nem nos outros cenários considerados na análise hidrodinâmica. Com isto conclui-se que mesmo no pior cenário possível de caudal de cheia e considerando uma maré viva, na secção de descarga superior ao quebra-mar o regime de escoamento, segundo o número de Froude é fluvial para todo o tempo de simulação, com um valor máximo próximo de 0,30, enquanto no banco de areia o regime de escoamento é torrencial nesse mesmo instante de tempo, com um numero de Froude próximo de 1,01 que ocorre numa pequena região da restinga, local este que é submerso pela água proveniente do rio Douro, como demostrado pela simulação 10 da figura 31. As forças de inércia nesta região adquirem preponderância relativamente às forças gravíticas pelas velocidades atingidas pelo que trata-se de uma zona especialmente sensível. Contudo, estes resultados deverão ser encarados com prudência dadas as limitações resultantes da resolução espacial adoptada para o modelo. 53

76 Capítulo - 4 Figura 36 - Número de Froude no estuário do rio Douro para o cenário 10 (Q10000). Os gráficos das figuras 37 a 40 apresentam os resultados da velocidade superficial à saída do estuário, na estação de observação representada na figura 26, para os cenários de análise hidrodinâmica 7 a 14, ao longo de um período de tempo com 2360 minutos de simulação, combinando dois tipos de maré para cada caudal. A principal característica que se pode constatar pela análise aos gráficos é a velocidade do escoamento aumentar com o caudal, visto que quanto maior for o volume de água descarregado à saída do estuário maior será a velocidade de escoamento, sendo esta característica notória na diferença de valores entre as curvas de maré morta e de maré viva, evidenciando que o estado da maré também é um factor a ter em conta a quando da análise à variação de velocidade neste sistema. Nos gráficos das figuras 37 a 39, estão representados dois tipos de curvas: uma curva (1) e uma curva (2), presentes para os cenários de maré viva e de maré morta. Estas curvas representam a mudança no sentido do escoamento, ou seja o pico da curva (1) ocorre quando há uma enchente do estuário com a água proveniente do oceano a escoar para o seu interior até se dar a ocorrência da preia-mar, e o pico da curva (2) ocorre quando acontece o refluxo da água, ou seja a água que outrora tinha transposto a foz do estuário, volta a sair em direcção ao oceano até ao ponto da baixa-mar, ocorrendo estes dois tipos de curvas de forma alternada em conformidade com o ciclo da maré. O gráfico da figura 40, relativo ao caudal de cheia de m 3 /s, apresenta apenas um tipo de curva devido a não ocorrer nenhuma inversão no escoamento, encontrando-se a água proveniente do rio Douro sempre a sair do estuário em direcção ao oceano, apenas aumentando e diminuindo a sua velocidade consoante a ocorrência do ciclo da maré, ocorrendo o mesmo no cenário de maré morta com um caudal 54

77 Análise e discussão dos resultados fluvial de 700 m 3 /s visível na figura 39. Constatou-se que para o modelo de cálculo, não ocorre a inversão do sentido de escoamento na situação de maré viva, para caudais fluviais superiores a m 3 /s. Nas figuras 39 e 40 é notório que a curva de maré morta não apresenta mudanças no sentido do escoamento na camada superficial, sendo que esta situação poderá ocorrer apenas nas camadas mais profundas, devido à mudança de direcção de escoamento ocorrer primeiro nas camadas inferiores, propagando-se posteriormente para as camadas superiores. Velocidade (m/s) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 (2) (1) Maré viva Maré morta minutos Figura 37 - Velocidade superficial para o caudal de 200 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. Velocidade (m/s) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 (1) (2) Maré viva Maré morta minutos Figura 38 - Velocidade superficial para o caudal de 450 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. 55

78 Capítulo - 4 Velocidade(m/s) 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 (1) (2) Maré viva Maré morta minutos Figura 39 - Velocidade superficial para o caudal de 700 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. Velocidade (m/s) 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3, Maré viva Maré morta minutos Figura 40 - Velocidade superficial para o caudal de m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. Nas Figuras 42 a 45 são apresentados os gráficos correspondentes à variação da velocidade horizontal com a profundidade no momento da ocorrência da velocidade máxima na camada superficial, para cada caudal fluvial e para cada tipo de maré considerado na análise hidrodinâmica, correspondendo cada curva a estações de observação representadas na figura 41, posicionadas nos locais onde ocorrem os principais picos de velocidade identificados anteriormente. 56

79 Análise e discussão dos resultados Figura 41 - Localização das estações de observação para o estudo dos perfis verticais de velocidade As curvas apresentadas nas figuras 42 a 45 apresentam todas valores superiores para a velocidade na camada superficial, devido ao instante de tempo corresponder à vazante da água contida no estuário, e não ter sido considerado no cálculo o efeito do vento que poderia de alguma forma alterar esses valores. Os valores das camadas superficiais vão diminuindo com a profundidade, de uma forma menos acentuada até aproximadamente metade da altura da coluna de água, acentuando-se essa diminuição cada vez mais à medida que a profundidade aumenta. Em todos os cenários hidrográficos a curva correspondente à saída do estuário (estação 2) é a que apresenta uma curvatura superior na passagem da penúltima camada para a ultima, devido à acção da maré que se desloca na mesma direcção ao do escoamento fluvial para este instante de tempo. A estação de observação 1 apesar de estar colocada na saída do estuário apresenta valores redúzios, isto deve-se ao facto de esta estar na imediação da pluma formada pelo jacto de água descarregada do estuário e não no seu interior, o que em concordância com a figura 33, é bastante significativo. Camadas ,5 1 1,5(m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Camadas Camadas ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75(m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Figura 42 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré viva 57

80 Capítulo - 4 Camadas ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 (m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Camadas (m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Figura 43 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e m³/s (direita) em maré viva Camadas ,2 0,4 0,6 0,8(m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Camadas ,25 0,5 0,75 1(m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Figura 44 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré morta Camadas ,25 0,5 0,75 1 1,25(m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Camadas (m/s) Estação1 Estação2 Estação3 Estação4 Estação5 Figura 45 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e m³/s (direita) em maré morta 58

81 Análise e discussão dos resultados 4.4 Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro Acção do caudal fluvial Nas figuras 46 a 49 apresenta-se os valores da erosão e sedimentação no estuário para sedimentos não coesivos, ao fim de 36 horas de simulação, e com caudais fluviais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s, 700 m 3 /s e m 3 /s, sendo também apresentado o perfil longitudinal dos mesmos valores referente à zona central do leito do rio desde o oceano ate à Ponte do Freixo. SM PA PI PF Erosão / Sedimentação (m) 4,000E-03 2,000E-03 0,000E ,000E-03-4,000E-03-6,000E-03 Cordenada x (metros) Q200 Figura 46 - Valor de erosão e sedimentação em planta (superior) e em perfil longitudinal (inferior) do estuário para o cenário 15 59

82 Capítulo - 4 SM PA PI PF Erosão / Sedimentação (m) 1,000E-02 5,000E-03 0,000E ,000E-03-1,000E-02 Cordenada x (metros) Q450 Figura 47 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 16 SM PA PI PF Erosão / Sedimentação (m) 0,03 0,02 0, ,01-0,02-0,03 Cordenada x (metros) Q Figura 48 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 17

83 Análise e discussão dos resultados SM PA PI PF Erosão/ Sedimentação (m) Cordenada x (metros) Figura 49 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 18 As principais zonas com valores de erosão e sedimentação mais significativas estão localizadas junto à embocadura (sendo esta a zona que apresenta valores mais elevados), a jusante da Ponte da Arrábida e ente a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo, correspondendo aos locais onde se registam os valores mais elevados de velocidade, identificados anteriormente no capítulo O transporte de sedimentos é feito predominantemente em direcção ao mar para todos os cenários considerados, e é visível a existência de erosão localizada no início do quebramar, seguido de uma pequena deposição de sedimentos que forma um banco de areia a jusante deste, que vai reduzindo de valor à medida que se desloca para o oceano devido as correntes tenderem a ser de menor intensidade. Como seria de esperar há uma forte relação entre os valores de erosão e sedimentação com os valores do caudal fluvial do rio Douro, apresentando um valor máximo de erosão e de sedimentação de sedimentos junto à embocadura de 0,00401 m e 0,00285 m respectivamente, em relação ao valor inicial, para um caudal fluvial de 200 m 3 /s. Estes valores aumentam caso 61

84 Capítulo - 4 o caudal também aumente, apresentando resultados de 0,00881 m e 0,00650 m para um caudal fluvial de 450 m 3 /s e 0,02073 m e 0,01470 m, para um caudal fluvial de 700 m 3 /s para erosão e sedimentação respectivamente, atingindo o valor de 0,02250 m de deposição junto às margens do quebra-mar norte para este mesmo caudal. Observam-se nesse caso valores máximos 2 vezes superiores para caudais de 450 m 3 /s em comparação com o de caudal de 200 m 3 /s, e 5 vezes superiores comparado com o caudal de 700 m 3 /s. Relativamente à zona entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo é visível um aumento da erosão e da sedimentação ainda mais acentuado quando se aumenta o valor do caudal fluvial, atingindo um valor máximo de erosão e sedimentação de sedimentos de 0,00015 m e 0,00119 m para um caudal fluvial de 200 m 3 /s, 0,00594 m e 0,00593 m para um caudal fluvial de 450 m 3 /s, e 0,02309 m e 0,02350 m para um caudal fluvial de 700 m 3 /s, respectivamente. No cenário de cheia (figura 49), considerando um caudal fluvial de m 3 /s existe uma grande alteração da configuração de fundo do estuário, apresentando grandes valores de erosão e de sedimentação principalmente na zona da embocadura e junto a Ponte da Arrábida. Os valores mais elevados de erosão estão predominantemente situados no meio do canal onde se desloca a maior parte do volume de água e a maiores velocidades, arrastando consigo os sedimentos do leito, enquanto os valores mais elevados de sedimentação encontram-se localizados nas margens, onde o escoamento se efectua a velocidades menores. Os valores de erosão máximos são de 11,55 m junto à embocadura e de 10,27 m junto a Ponte da Arrábida, enquanto os valores máximos de sedimentação são de aproximadamente 4 m nas margens da embocadura e junto à Ponte da Arrábida. Na figura 50 é apresentado o nível do fundo em relação ao zero hidrográfico em perfil longitudinal referente à zona central do leito para o cenário de cheia, no início e no final da simulação. Constata-se a criação de duas zonas profundas que chegam aos 20 m e 18 m de profundidade localizadas na embocadura e junto à Ponte da Arrábida, resultantes da grande erosão que ocorreu nessas zonas durante a simulação, enquanto nas margens do leito o terreno aumentou o seu valor inicial em 4 m, o que poderá ser desfavorável para a circulação de grandes embarcações na zona e deverá ser sujeito a dragagens. 62

85 Análise e discussão dos resultados Profundidade em relação ao zero hidrográfico (m) SM EE PA PI PF Nível inicial Nível final Cordenada x (metros) Figura 50 - Nível do leito inicial e final para o cenário 18 em relação ao zero hidrográfico A figura 51 apresenta a localização de 6 pontos no estuário que serão alvo do estudo da dinâmica sedimentar. A selecção de cada localização foi estabelecida nas zonas da embocadura do estuário, onde ocorrem os valores mais elevados de erosão e sedimentação para o caso mais genérico de ocorrência, que é apresentado pelo cenário 16. Os pontos escolhidos serão denominados como estações de observação. Figura 51 - Localização das estações de observação para o estudo da dinâmica sedimentar no estuário 63

86 Capítulo - 4 O caudal fluvial influencia muito os valores da erosão e sedimentação dos sedimentos não coesivos, sendo exemplo dessa influência os resultados apresentados nas figuras 52 e 53, que representam os valores de velocidade directamente relacionadas com o caudal fluvial, e os valores da erosão na embocadura do estuário (estação de observação 3 da figura 51), ao longo de um período de simulação com minutos. m/s 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,0005-0,001-0,0015-0,002-0,0025-0,003-0,0035-0,004-0, min Velocidade Erosão / Sedimentação m m/s 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 m 0-0,002-0,004-0,006-0,008-0,01-0, min Velocidade Erosão / Sedimentação Figura 52 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 15 (esquerda) e para o cenário 16 (direita) m/s 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 m 0-0,005-0,01-0,015-0,02-0, min Velocidade Erosão / Sedimentação m/s 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 m min Velocidade Erosão / Sedimentação Figura 53 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 17 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) Da análise da figura 52, é visível que os valores da erosão e sedimentação apenas se alteram a quando da vazante do estuário, e mantêm-se constantes no momento da enchente proporcionado pelo ciclo das marés, devendo-se ao facto de as velocidades serem superiores no caso da vazante e por se ter considerado nula a concentração de sedimentos na fronteira oceânica. É também evidente que quanto maior for o caudal fluvial maior será a erosão provocada nesse local no momento da vazante. Nos gráficos da figura 53 são apresentadas as simulações para um caudal fluvial igual a 700 m 3 /s e m 3 /s, respectivamente, 64

87 Análise e discussão dos resultados observando-se em ambos os casos que a água do rio Douro encontra-se ao longo de toda a simulação a ser descarregada para o oceano. Porém no cenário 17 (Q700), é visível que a erosão não é sempre constante ao longo da simulação, devendo-se ao facto de no momento da transição de preia-mar para baixa-mar as velocidades aumentarem devido ao caudal descarregado ser maior na embocadura e diminuírem para valores inferiores na transição de baixa-mar para preia-mar, sendo estes valores de velocidade demasiado baixos para arrastarem as partículas de areia, provocando assim um período de tempo onde o nível do fundo se mantém constante. É visível no gráfico da figura 53 que o valor da velocidade necessária para arrastar as partículas de areia com as características descritas para o cenário 17, localizadas na estação de observação 3, é aproximadamente 0,3 m/s. Relativamente à situação de cheia (Q10000) são obtidos grandes valores de velocidade devido ao grande volume de água descarregado pelo estuário para o oceano, o que provoca constantemente grandes erosões na embocadura do estuário. Os gráficos das figuras 54 a 59 apresentam os valores da erosão e sedimentação para as 6 estacoes de observação evidenciadas na figura 51, em função dos vários valores de caudal fluvial analisados (200 m 3 /s, 450 m 3 /s, 700 m 3 /s e m 3 /s) ao longo de um período de simulação de minutos. metros 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E Q200 Q450 Q700 min metros 3 2,5 2 1,5 1 0, Q10000 min Figura 54 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 relativos a cada caudal fluvial 65

88 Capítulo - 4 metros 1,600E-02 1,400E-02 1,200E-02 1,000E-02 8,000E-03 6,000E-03 4,000E-03 2,000E-03 0,000E Q200 Q450 Q700 min metros 2 1,5 1 0, Q10000 min Figura 55 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 2 relativos a cada caudal fluvial metros min ,005-0,01-0,015-0,02-0,025 Q200 Q450 Q700 metros min Q10000 Figura 56 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 relativos a cada caudal fluvial metros 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E Q200 Q450 Q700 min metros min Q10000 Figura 57 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 4 relativos a cada caudal fluvial 66

89 Análise e discussão dos resultados metros 0,0008 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0, , Q200 Q450 Q700 min metros min 0-0, ,4-0,6-0,8-1 -1,2-1,4-1,6 Q10000 Figura 58 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 relativos a cada caudal fluvial metros 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, , Q200 Q450 Q700 min metros min Q10000 Figura 59 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 6 relativos a cada caudal fluvial Algo comum a todos os gráficos são os valores de erosão e sedimentação serem maiores para caudais superiores, o que seria de esperar, como observado anteriormente. O ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um valor de 0,00410 m, 0,00954 m e 0,02239 m para os caudais 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s respectivamente, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 1 a jusante da entrada do estuário, com um valor de 0,00038 m, 0,00126 m e 0,00440 m para os caudais 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s, respectivamente, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante. Na figura 56 exemplo onde se obteve os maiores valores de erosão, pode-se observar que para cada ciclo de maré no local onde se situa o ponto de observação 3 há uma erosão de 0,00159 m para um caudal fluvial de 200 m 3 /s, enquanto para 450 m 3 /s há uma erosão de 0,00348 m, sendo 2 vezes superior ao exemplo anterior, e para 700 m 3 /s há uma erosão de 0,00797 m, 5 vezes superior ao primeiro exemplo. 67

90 Capítulo - 4 Relativamente à figura 54 onde se obteve os valores de maior sedimentação, em cada ciclo de maré há uma sedimentação de areia de 0, m para um caudal fluvial de 200 m 3 /s, enquanto para 450 m 3 /s há uma erosão de 0, m, sendo 3 vezes superior ao exemplo anterior, e para 700 m 3 /s há uma erosão de 0, m, 11 vezes superior ao primeiro exemplo. No caso do caudal de cheia (Q10000) apenas nas estações de observação 1 e 2 se registam valores de sedimentação no final da simulação, com valor de 2,74 m e 1,73 m, respectivamente, estando estas localizadas no oceano, fora do estuário do rio Douro, enquanto para as restantes estações, todas localizadas no interior do estuário, onde outrora havia valores de deposição dos sedimentos de areia, apenas se registam valores de erosão devido às elevadas velocidades de escoamento que se fazem sentir na camada de fundo do rio Douro, fazendo com que as partículas de areia sejam arrastadas em grande quantidade tanto para fora do estuário como para as margens do leito do rio. O valor mais elevado de erosão é registado na estação de observação numero 3 localizado na embocadura do estuário, como seria de esperar devido ao estreitamento da seção do leito do rio proporcionado pelo quebra-mar, que impõe um aumento da velocidade nesse local, apresentado um valor de erosão de 12,095 m, com velocidade que variam ente os 2,8 m/s e 2,0 m/s na camada de fundo. A figura 60 apresenta a evolução dos valores da erosão e sedimentação na foz do estuário ao longo de um período de 10 anos, considerando um caudal fluvial de 450 m 3 /s, constantes durante toda a simulação. Observa-se um deslocamento progressivo para jusante em direcção ao oceano da sedimentação e erosão após o quebra-mar, com um valor máximo próximo dos 5,0 m e dos 4,5 m, respectivamente, ao fim da simulação com um período de 10 anos. Estes valores máximos não apresentam um crescimento linear ao longo do tempo, obtendo uma sedimentação ao fim de um ano um máximo de 2,5 m, enquanto para os anos seguintes este valor cresce para 3,5 m ao fim de 2 anos, sendo 1,4 vezes superior, 4 m ao fim de 4 anos, sendo 1,6 vezes superior, 4,5 m ao fim de 6 anos sendo 4,9 vezes superior, 2,3 m ao fim de 8 anos, sendo 2,5 vezes superior e 5,3 m ao fim de 10 anos sendo 2,7 vezes superior ao valor obtido no primeiro ano, apresentando assim um crescimento menor a cada ano que passa. 68

91 Análise e discussão dos resultados Simulação 19 1 ano Simulação 20 2 anos Simulação 21 4 anos Simulação 22 6 anos Simulação 23 8 anos Simulação anos Figura 60 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro ao longo de 10 anos Relativamente ao nível de fundo em relação ao zero hidrográfico (figura 61) no final do período dos 10 anos, há uma alteração significativa a jusante do quebra-mar, com uma deposição de areia localizada que passa da cota -11,9 m para a cota -7,9 m e uma escavação de 10,2 m para 12,5 m. No interior do estuário, apesar de haver uma sedimentação ao longo dos 10 anos de 2 m junto a Ponte da Arrábida, a cota de fundo não sofre grandes alterações enquanto na zona entre a Ponte da Arrábida e do quebra-mar coordenadas x m a m há uma acumulação de sedimentos que altera a cota de -7,86 m para -6,95 m. Comparando os valores obtidos ao fim de 10 anos com um caudal constante de 450 m 3 /s, e os valores obtidos ao fim de 36 horas de simulação para um caudal de cheia de m 3 /s (figura 49) conclui-se que o valor máximo de erosão obtido na embocadura do estuário ao fim das 36 horas é aproximadamente 3 vezes superior ao valor obtido ao fim de 10 anos sendo 11,55 m e 4,50 m respectivamente, o que demostra bem a grande influência que o valor do caudal fluvial tem no valor da erosão e da sedimentação. 69

92 Capítulo - 4 Profundidade em relação ao zero hidrográfico (m) Cordenada x (metros) Figura 61 - Nível futuro do fundo em relação ao zero hidrográfico A figura 62 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos em planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo da concentração de sedimentos no estuário, em função dos caudais fluviais 200 m 3 /s, 450 m 3 /s, 700 m 3 /s e m 3 /s. Estes valores máximos de concentração de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante com maior velocidade. EE SM Inicial 2 ano 4 ano 6 ano 8 ano 10 ano A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o fundo, e a velocidade de descarga podendo indicar que a carga suspensa é originada do arrastamento provocado pelo escoamento. Como seria de esperar os maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos com caudas fluviais maiores, ocorrendo a máxima concentração no local onde se localizam os valores de máxima velocidade próximos do quebra-mar. Os valores máximos localizados na camada de fundo, obtidos para o caudal de 200 m 3 /s foram de 0,024 kg/m 3, para 450 m 3 /s foram de 0,047 kg/m 3, para 700 m 3 /s, foram de 0,090 kg/m 3 e para o caudal de cheia de m 3 /s foram de 4,250 kg/m 3 sendo este um valor bastante elevado devido ao facto de grande quantidade dos sedimentos de areia serem arrastados pelo escoamento alterando de forma significativa a morfologia do fundo do canal conforme observado na figura 62. Como se pode constatar nos perfis transversais da figura 62, na superfície e no fundo o valor da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme, aliás o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, tendo nos casos dos caudais de 200 m 3 /s, 450 m 3 /s e 700 m 3 /s um valor nulo na camada superficial, enquanto para o caudal de cheia de m 3 /s a camada superficial apresenta um valor de 0,8 kg/m 3. Esta distribuição de valores da concentração deve-se essencialmente às 70

93 Análise e discussão dos resultados características dos sedimentos, para além das diferenças nas velocidades da corrente (sentido, direcção e valor). Simulação m 3 /s Perfil transversal Simulação m 3 /s Perfil transversal Simulação m 3 /s Perfil transversal Simulação m 3 /s Perfil transversal Figura 62 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do caudal fluvial 71

94 Capítulo Acção da maré Para se quantificar os impactos que os diferentes tipos de maré provocam no estuário, são apresentados na figura 63 os valores da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para sedimentos não coesivos, ao fim de uma simulação com 36 horas, para os casos de maré viva, maré morta e um valor intermédio da maré, com um caudal fluvial constante de 450 m 3 /s, sendo também apresentado uma simulação com os valores intermédios da maré ao fim de um período de simulação com 10 anos. Simulação 26 - maré viva Simulação 27 - maré morta Simulação 25 maré intermédia Simulação 24 - maré intermédia 10 anos Figura 63 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de maré e valor ao fim de 10 anos Através da análise da figura 63 é visível que quanto maior for o valor da amplitude de maré maior será o valor da erosão e sedimentação, concluindo-se que o tipo de maré influencia consideravelmente estes valores. A diferença de valores deve-se ao facto de que quanto maior for a amplitude da maré maior será o volume de água que entra e é posteriormente descarregado do estuário durante os ciclos de preia-mar e baixa-mar, ocorrendo velocidades de escoamento maiores para marés vivas e velocidades menores para marés mortas, provocando um maior ou menor transporte dos sedimentos. Observa-se que os valores máximos de erosão e de sedimentação ocorrem junto ao quebra-mar, local onde se obtêm os máximos valores de velocidade de escoamento, registando-se 0,0640 m e 0,0064 m de sedimentação para maré viva e maré morta, 72

95 Análise e discussão dos resultados respectivamente, e 0,0910 m e 0,0072 m de erosão para maré viva e maré morta, respectivamente. Conclui-se, assim, que o valor de sedimentação máximo em maré viva é 10 vezes superior ao registado em maré morta e que o valor de erosão máximo em maré viva é 13 vezes superior ao registado em maré morta, o que é bastante significativo e evidencia a importância que o tipo de maré pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário. Como analisado o valor de amplitude da maré influencia muito os valores da erosão e sedimentação dos sedimentos não coesivos, sendo exemplo dessa influência os gráficos apresentados na figura 64, que representam os valores da amplitude da maré viva e maré morta, em correspondência com os valores da erosão na embocadura do estuário (estação de observação 3 da figura 51), ao longo de um período de simulação com 2120 minutos. metros (maré) 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 metros (E/S) 0-0,01-0,02-0,03-0,04-0,05-0,06-0,07-0,08-0,09 minutos Maré Viva Erosão / Sedimentação metros (maré) 1 Figura 64 - Valor da amplitude de maré tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 26 (esquerda) e para o cenário 27 (direita) 0,75 0,5 0,25 0-0,25-0,5-0,75-1 metros (E/S) Maré Morta Erosão / Sedimentação minutos -0,001-0,002-0,003-0,004-0,005-0,006-0,007-0,008 Nos dois gráficos da figura 64, é visível que grande parte da erosão ocorre no período de transição de preia-mar para baixa-mar, ou seja no momento da vazante do estuário, pois é neste momento que a velocidade do escoamento é suficientemente elevada para mobilizar os sedimentos, como analisado anteriormente através da figura 53, e mantendo-se constante no momento da enchente do estuário no caso de maré morta enquanto para o gráfico da maré viva sofre uma ligeira erosão neste período, devido ao volume de água que transita para o interior do estuário ser maior do que no caso de maré morta, o que corresponde a velocidades mais elevadas. É visível a diferença de valores da erosão no caso da simulação com maré viva e no caso de maré morta, havendo uma erosão para cada ciclo de maré de aproximadamente 0,0297 m no caso de maré viva, enquanto a erosão em cada ciclo de maré é de 0,0025 m no 73

96 Capítulo - 4 caso de actuar a maré morta na embocadura do estuário (estação de observação 3), o que evidencia uma diferença 12 vezes superior na erosão na simulação de maré viva para a de maré morta, nessa zona. Os gráficos das figuras 65, 66 e 67 apresentam os valores da erosão e sedimentação para as 6 estações de observação indicadas na figura 51, em função das várias amplitudes de maré analisadas (maré viva, maré morta e valor intermédio de maré) ao longo de um período que engloba três ciclos de maré. metros 1,800E-02 1,600E-02 1,400E-02 1,200E-02 1,000E-02 8,000E-03 6,000E-03 4,000E-03 2,000E-03 0,000E min Valor médio Maré viva Maré morta metros 5,000E-02 4,000E-02 3,000E-02 2,000E-02 1,000E-02 0,000E min Valor médio Maré viva Maré morta Figura 65 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada tipo de maré metros min 0,000E+00-1,000E ,000E-02-3,000E-02-4,000E-02-5,000E-02-6,000E-02-7,000E-02-8,000E-02-9,000E-02 Valor médio Maré viva Maré morta metros 1,600E-02 1,400E-02 1,200E-02 1,000E-02 8,000E-03 6,000E-03 4,000E-03 2,000E-03 0,000E+00-2,000E Valor médio Maré viva Maré morta Figura 66 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada tipo de maré min 74

97 Análise e discussão dos resultados metros 8,000E-03 7,000E-03 6,000E-03 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E+00-1,000E min Valor médio Maré viva Maré morta metros 8,000E-03 7,000E-03 6,000E-03 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E min Valor médio Maré viva Maré morta Figura 67 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada tipo de maré Algo comum a todos os gráficos apresentados é a discrepância entre os valores das simulações com maré viva e com maré morta, sendo que nas simulações que utilizam a maré viva os valores são muito superiores em relação aos de maré morta tanto no caso de sedimentação como no de erosão. Segundo os resultados obtidos nas figuras anteriores é notório que os valores de erosão e de sedimentação são similares para o caso de maré morta e para o caso do valor intermédio da maré, podendo-se concluir que mesmo com maior velocidade na maré intermédia, essa não é suficiente para mobilizar os sedimentos. O ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um valor de 0,0814 m, 0,0074 m e 0,0095 m para os casos de maré viva, maré morta, e valor intermédio da maré, respectivamente, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 2 a jusante da entrada do estuário, com um valor de 0,0469 m, 0,0048 m e 0,0059 m para os casos de maré viva, maré morta, e valor intermédio da maré respectivamente, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante. Na figura 65 estação de observação 2, exemplo onde se obteve os valores de maior sedimentação, em cada ciclo de maré, há uma sedimentação de areia de 0,0469 m para o caso de maré viva, enquanto para o caso de maré morta há uma sedimentação de 0,0048 m, sendo 10 vezes superior ao exemplo anterior, e para o caso do valor intermédio da maré há uma sedimentação de 0,0059 m, 8 vezes superior ao primeiro caso. 75

98 Capítulo - 4 A figura 68 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos de areia em planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de concentração no estuário, em função dos tipos de maré analisados, valor intermédio da maré, maré viva e maré morta, correspondendo às simulações 25, 26 e 27, respectivamente. Estes valores máximos de concentração de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante do estuário, correspondendo ao instante que se regista o maior valor da velocidade do escoamento. Simulação 25 - valor intermédio da maré Perfil transversal Simulação 26 - maré viva Perfil transversal Simulação 27 - maré morta Perfil transversal Figura 68 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do tipo de maré 76

99 Análise e discussão dos resultados Deduz-se que, os maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos com amplitudes de maré maiores, ocorrendo a máxima concentração de sedimentos nas proximidades do quebra-mar, onde se localizam os valores de máxima velocidade de escoamento. Os valores máximos localizados na camada de fundo, obtidos para o caso de maré viva foram de 0,334 kg/m 3, para o caso de maré morta foram 0,0436 kg/m 3, e para o caso do valor intermédio da maré foram 0,0458 kg/m 3. Através da análise dos perfis transversais da figura 68, na superfície e no fundo o valor da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme, ou seja o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, possuindo nos casos de maré viva, maré morta e valor intermédio da maré um valor nulo na camada superficial. Esta distribuição de valores da concentração deve-se às características dos sedimentos, e das diferenças nas velocidades da corrente (sentido, direcção e valor), havendo uma maior variação dos valores da concentração com o tipo de maré que atua no estuário do que a ocorrida pela variação dos caudais fluviais, exceptuando o caso de cheia. As variações na concentração nas seções transversais, entre as margens e o meio do canal, são também devidas às variações de velocidade de escoamento. As tabelas 6 e 7 representam os valores máximos da concentração de sedimentos registados nas seis estações de observação identificadas na figura 51, para as camadas superiores, inferiores e intermédias (camada 6), bem como o respectivo instante de tempo em que os valores máximos ocorrem desde o início da simulação. Os valores correspondentes às primeiras 12 horas de simulação não foram considerados validos, devido à instabilidade dos resultados que ocorre no modelo no início da simulação (transição de situação estática para situação dinâmica). Analisando de uma forma geral as seis estações de observação, observa-se que os valores da camada inferior são sensivelmente 2,4 vezes superiores aos da camada intermédia e 12,4 vezes superiores aos da camada superior para o caso de maré viva, e os valores da camada inferior são sensivelmente 3,4 vezes superiores aos da camada intermédia e 10,1 vezes superiores aos da camada superior para o caso de maré morta. É também observado que o instante de tempo em que os valores máximos da concentração de sedimentos ocorrem, é sensivelmente próxima, o que indica a ocorrência de picos de valores, em um determinado momento específico do ciclo da maré (período de vazante ou de enchente do estuário). 77

100 Capítulo - 4 Tabela 6 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 1, 2 e 3 Local Superfície Intermédio Fundo Maré Valor (kg/m 3 ) Estação 1 Estação 2 Estação 3 Instante Valor Instante Valor Instante (h:m:s) (kg/m 3 ) (h:m:s) (kg/m 3 ) (h:m:s) Maré media 0, :00:00 0, :20:00 0, :40:00 Maré viva 0, :20:00 0, :00:00 0, :00:00 Maré morta 0, :40:00 0, :40:00 0, :20:00 Maré media 0, :40:00 0, :20:00 0, :40:00 Maré viva 0, :20:00 0, :00:00 0, :00:00 Maré morta 0, :20:00 0, :40:00 0, :20:00 Maré media 0, :40:00 0, :40:00 0, :40:00 Maré viva 0, :20:00 0, :00:00 0, :00:00 Maré morta 0, :20:00 0, :20:00 0, :20:00 Tabela 7 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 4, 5 e 6 Local Superfície Intermédio Fundo Maré Valor (kg/m 3 ) Estação 4 Estação 5 Estação 6 Instante Valor Instante Valor Instante (h:m:s) (kg/m 3 ) (h:m:s) (kg/m 3 ) (h:m:s) Maré media 0, :40:00 0, :20:00 0, :40:00 Maré viva 0, :00:00 0, :40:00 0, :20:00 Maré morta 0, :20:00 0, :00:00 0, :20:00 Maré media 0, :40:00 0, :20:00 0, :40:00 Maré viva 0, :00:00 0, :40:00 0, :20:00 Maré morta 0, :20:00 0, :00:00 0, :20:00 Maré media 0, :40:00 0, :20:00 0, :40:00 Maré viva 0, :00:00 0, :40:00 0, :20:00 Maré morta 0, :20:00 0, :00:00 0, :20: Influência da dimensão dos sedimentos De modo a avaliar o impacto que a dimensão dos sedimentos presentes no estuário do rio Douro têm nos valores da erosão e sedimentação, foram seleccionados três valores de diâmetro médio dos sedimentos (D50) não coesivos, pertencentes à subclasse das areias, uma areia grosseira (D50 igual a 750 µm), uma areia média (D50 igual a 375 µm), e uma areia fina (D50 igual a 200 µm), e feita a simulação num período de 36 horas com uma maré de valor intermédio e um caudal fluvial constante de 450 m 3 /s, estando os resultados da erosão e sedimentação apresentados na figura 69 sendo também apresentado o valor para uma simulação ao fim de um período de 10 anos com uma areia fina. 78

101 Análise e discussão dos resultados Simulação µm Simulação µm Simulação µm Simulação µm 10 anos Figura 69 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de D50 e valor ao fim de 10 anos Através da análise da figura 69 é visível que os valores da erosão e sedimentação estão directamente relacionados com a dimensão dos sedimentos de areia, variando consoante a dimensão dos mesmos, ou seja valores de D50 elevados originam valores de erosão e sedimentação baixos, enquanto valores de D50 baixos originam valores de erosão e sedimentação elevados, devendo-se ao facto de quanto menor for a dimensão das partículas mais facilmente são arrastadas para uma dada velocidade de escoamento. Nas simulações realizadas (cenários 28, 29 e 30), deduz-se que os valores máximos de erosão e de sedimentação ocorrem na proximidade do quebra-mar, local onde se obtêm os máximos valores de velocidade de escoamento, arrastando assim maior quantidade de sedimentos consoante a sua dimensão, registando-se um valor máximo de erosão de 0,0096 m para um D50 igual a 200 µm, 0,0086 m para um D50 igual a 375 µm, e 0,0067 m para um D50 igual a 750 µm, enquanto para a sedimentação máxima obteve-se também na zona junto ao quebra-mar, seguidamente à zona de máxima erosão, com um valor de 0,0060 m para um D50 igual a 200 µm, 0,0053 m para um D50 igual a 375 µm, e 0,0045 m para um D50 igual a 750 µm. Conclui-se assim que aumentando em 1,88 vezes o valor de D50 (200 µm para 375 µm), obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão aproximadamente 1,13 e 1,12 vezes superiores respectivamente, e que aumentando em 3,75 vezes o valor de D50 (200 µm para 750 µm), obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão 1,33 e 1,43 vezes superiores 79

102 Capítulo - 4 respectivamente, o que é bastante significativo e evidencia a importância que a dimensão dos sedimentos pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário. Os gráficos apresentados nas figuras 70, 71 e 72 exibem os valores da erosão e sedimentação que ocorreram no local das 6 estações de observação evidenciadas na figura 51, em função do diâmetro médio dos sedimentos (D50) seleccionados para uma areia grosseira, uma areia media e uma areia fina ao longo de um período de simulação com minutos, que engloba três ciclos de maré. metros 0,0014 0,0012 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0, D50 (μm) min metros 7,000E-03 6,000E-03 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E+00-1,000E D50 (μm) min Figura 70 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos metros min 0,000E ,000E ,000E-03-6,000E-03-8,000E-03-1,000E-02-1,200E-02 D50 (μm) metros 1,600E-03 1,400E-03 1,200E-03 1,000E-03 8,000E-04 6,000E-04 4,000E-04 2,000E-04 0,000E D50 (μm) min Figura 71 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos 80

103 Análise e discussão dos resultados metros 3,000E-04 2,000E-04 1,000E-04 0,000E ,000E ,000E-04-3,000E-04 D50 (μm) min metros 8,000E-04 7,000E-04 6,000E-04 5,000E-04 4,000E-04 3,000E-04 2,000E-04 1,000E-04 0,000E+00-1,000E-04 D50 (μm) min Figura 72 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos A principal conclusão a evidenciar é que os valores de erosão e sedimentação são maiores para dimensões de sedimentos menores, o que seria de esperar, como observado anteriormente. Apos a análise de todos os pontos de observação registou-se que o maior valor de erosão ao fim do período de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 2 a jusante da entrada do estuário, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante. Através da análise aos dados da figura 70, referente à estação de observação 2, exemplo onde se obteve os valores de maior sedimentação, depreende-se que em cada ciclo de maré há uma sedimentação de 0,00217 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para o caso de D50 igual a 375 µm há uma sedimentação de 0,00193 m, sendo 1,2 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de D50 igual a 750 µm há uma sedimentação de 0,00155 m, 1,4 vezes inferior ao primeiro caso. Relativamente há estação de observação 3 exemplo onde se obteve os valores de maior erosão, depreende-se que em cada ciclo de maré há uma erosão de 0,0095 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para o caso de D50 igual a 375 µm há uma erosão de 0,00860 m, sendo 1,1 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de D50 igual a 750 µm há uma erosão de 0,00670 m, 1,4 vezes inferior ao primeiro caso. É também visível na estação de observação numero 1 e na figura 69 que o valor de sedimentação para cada ciclo de maré apresenta uma grande discrepância de valores no caso de D50 igual a 200 µm em comparação com os outros dois diâmetros analisados, o que indica que a pluma de sedimentação formada à saída do estuário é sensivelmente maior para o caso 81

104 Capítulo - 4 de D50 igual a 200 µm, ou seja quando menor for a dimensão dos sedimentos maior será o alcance da pluma de sedimentação formada á saída da embocadura do estuário. Na estação de observação numero 5 foram obtidos valores de sedimentação de 0,00024 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para os casos de D50 igual a 375 µm, e a 750 µm, ocorre erosão de 0,00015 m e 0,00025 m respectivamente, o que evidencia que a sedimentação se efectua mais a jusante para estes dois casos, e a montante dessa zona apenas ocorre erosão no fundo do rio. Na figura 73 é apresentada uma comparação em planta da embocadura do estuário do rio Douro entre a erosão/sedimentação e concentração de sedimentos do cenário 28. Na figura 74 são apresentados os valores da concentração de sedimentos sincronizado com a erosão/sedimentação à saída do estuário referente ao ponto de observação 3 da figura 51 para o cenário 28 e para o cenário de cheia 18 durante um período de simulação de 2080 minutos. Figura 73 - Comparação entre erosão/sedimentação (esquerda) e concentração de sedimentos (direita) kg/m³ 0,025 0,02 0,015 0,01 0, Concentração de sedimentos Erosão / Sedimentação metros 0,000E+00-2,000E-03-4,000E-03-6,000E-03-8,000E-03-1,000E-02-1,200E-02 min kg/m³ Concentração de sedimentos Erosão / Sedimentação metros min Figura 74 - Valor da concentração de sedimentos tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 28 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) 82

105 Análise e discussão dos resultados Os valores de erosão/sedimentação estão directamente associados aos da concentração de sedimentos, como se pode observar pelas figuras 73 e 74, que evidenciam que as localizações dos valores significativos de erosão/sedimentação ocorrem nos mesmos locais do estuário que ocorrem os valores significativos da concentração de sedimentos, e que estes também ocorrem nos mesmos intervalos de tempo durante a simulação. A figura 73 representada em planta corresponde ao instante de tempo da vazante do estuário, minuto1640, onde se obtém o máximo valor da concentração de sedimentos. É visível pela figura 74, no gráfico correspondente ao cenário 28, que em ambos os casos apenas há variação dos valores no momento da vazante do estuário período de transição de preia-mar para baixa-mar, o que se deve à elevada velocidade de escoamento que ocorre nesse período de tempo, como visto anteriormente, enquanto no caso de cheia há uma variação contínua dos valores para ambos os casos devido ao elevado volume de água fluvial que é descarregada para o oceano continuamente durante todo o período da simulação. A figura 75 apresenta os valores da concentração máxima de sedimentos de areia em planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de concentração no estuário, em função do diâmetro médio dos sedimentos (D50) analisados, 200 µm, 375 µm e 750 µm, correspondendo às simulações 28, 30 e 29, respectivamente. Estes valores máximos de concentrarão de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante do estuário, correspondendo ao minuto 1640, instante que se regista o maior valor da velocidade do escoamento. A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o fundo com a velocidade de descarga e o diâmetros médios dos sedimentos, podendo indicar que a carga suspensa é originária do arrastamento provocado pelo escoamento. Como seria de esperar maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos para diâmetros médios dos sedimentos (D50) menores, ocorrendo a máxima concentração no local onde se localizam os valores de máxima velocidade próximos do quebra-mar. Os valores máximos localizados na camada de fundo, obtidos para o caso de D50 igual a 200 µm foram de 0,047 kg/m 3, para o caso de D50 igual a 375 µm foram 0,025 kg/m 3, e para o caso de D50 igual a 750 µm foram 0,004 kg/m 3. 83

106 Capítulo - 4 Simulação µm Perfil transversal Simulação µm Perfil transversal Simulação µm Perfil transversal Figura 75 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da dimensão dos sedimentos Como se pode constatar nos perfis transversais da figura 75, na superfície e no fundo os valores da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme, aliás o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, tendo nos casos de D50 iguais a 200 µm, 375 µm e 750 µm um valor nulo na camada superficial, sendo este valor nulo atingido em camadas mais profundas á medida que o diâmetro médio dos sedimentos é maior, ou seja no caso de D50 igual a 200 µm, o valor nulo é atingido a aproximadamente 2,5 m da superfície, enquanto no caso de D50 igual a 375 µm, o valor nulo é atingido a aproximadamente 3,9 m da superfície, e no caso de D50 igual a 750 µm, o valor nulo é atingido a aproximadamente 4,8 m da superfície no local referente a embocadura do estuário (perfis transversais da figura 75). Esta distribuição de valores da concentração deve- 84

107 Análise e discussão dos resultados se essencialmente às características dos sedimentos de areia, como o diâmetro médio dos sedimentos, para além da diferença do vector da velocidade (sentido, direcção e valor). As variações na concentração nas seções transversais, entre as margens e o meio do canal, são também devidas à velocidade de escoamento ser maior. As figuras 77, 79 e 81, mostram os resultados obtidos para o transporte de sedimentos no fundo e em suspensão em função do diâmetro médio dos sedimentos 200 µm, 375 µm e 750 µm respectivamente, localizados à saída do estuário, no ponto de observação apresentado na figura 26, durante um período de simulação com 2160 minutos que engloba três ciclos de maré. As figuras 78, 80 e 82, mostram os mesmos dados em função do diâmetro médio dos sedimentos 200 µm, 375 µm e 750 µm, respectivamente, em planta na zona de embocadura do estuário, no instante de tempo em que se obtêm os valores máximos durante toda a simulação, e que corresponde à terceira vazante que ocorre no estuário durante a simulação. Simulação 28 - fundo Simulação 28 - suspensão Figura 76 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 28 cm3/s/m 15,00 12,00 9,00 6,00 3,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 77 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 28 85

108 Capítulo - 4 Simulação 29 - fundo Simulação 29 - suspensão Figura 78 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 29 cm3/s/m 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 79 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 29 Simulação 30 - fundo Simulação 30 - suspensão Figura 80 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 30 cm3/s/m 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 81 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 30 86

109 Análise e discussão dos resultados Como seria de esperar o transporte mais significativo de sedimentos ocorreu na embocadura do estuário, próximo do quebra-mar onde se encontram os valores de velocidade de escoamento mais elevados. O segundo maior valor encontra-se junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, na zona mais profunda do estuário. Através da análise das figuras 76, 78 e 80, observa-se que à medida que o diâmetro médio dos sedimentos aumenta os valores de transporte dos sedimentos no fundo vai subindo, e em contrapartida os valores de transporte dos sedimentos em suspensão vai baixando, o que é compreensível pois como analisado anteriormente, a concentração de sedimentos nas camadas superiores é menor para valores de D50 maiores. Observa-se também pelas figuras 77, 79 e 81, que apenas nos períodos de maior velocidade de escoamento, devido ao fenómeno de vazante do estuário, os valores de transporte de sedimentos não são nulos Influência da massa volúmica dos sedimentos Com o intuito de avaliar o impacto que a massa volúmica que os sedimentos de areia presentes no estuário do rio Douro têm nos valores da erosão e sedimentação, foram seleccionados três valores distintos de massa volúmica verossímeis que os sedimentos não coesivos de areia podem apresentar, com 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3. Foi posteriormente realizada uma simulação num perdido de 36 horas com uma maré de valor intermédio, um caudal fluvial constante de 450 m 3 /s e um valor de diâmetro médio dos sedimentos (D50) igual a 200 µm, correspondendo a uma areia fina, estando os resultados da erosão e sedimentação apresentados na figura 82 sendo também apresentado o valor para uma simulação ao fim de um período de 10 anos com uma massa volúmica de 2650 kg/m 3. Através da análise da figura 82 é visível que os valores da erosão e sedimentação estão directamente relacionados com a massa volúmica dos sedimentos de areia, variando consoante a densidade dos mesmos, ou seja valores de massa volúmica elevados originam valores de erosão e sedimentação baixos, enquanto valores de massa volúmica baixos originam valores de erosão e sedimentação elevados, devendo-se ao facto de quanto menor for a peso das partículas mais facilmente são arrastadas para uma dada velocidade de escoamento originada pelo volume de água circundante, do que seria para partículas de maior dimensão, devido ao seu peso ser mais elevado. 87

110 Capítulo - 4 Simulação kg/m 3 Simulação kg/m 3 Simulação kg/m 3 Simulação kg/m 3 10 anos Figura 82 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para as várias massas volúmicas dos sedimentos e valor ao fim de 10 anos É descrito e analisado mais pormenorizadamente no capítulo A do anexo, os valores da erosão/sedimentação apresentados pela figura 82 e nas estações de observação, bem como a concentração de sedimentos nos cenários analisados neste capítulo (cenários 31, 32 e 33). As figuras 84, 86 e 88, mostram os dados obtidos sobre o transporte de sedimentos no fundo e em suspensão em função da massa volúmica dos sedimentos de areia com 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3 respectivamente, localizados à saída do estuário, no ponto de observação apresentado anteriormente na figura 26, durante um período de simulação com 2160 minutos que engloba três ciclos de maré. As figuras 83, 85 e 87, mostram os mesmos dados em função da massa volúmica dos sedimentos de areia com 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3 respectivamente, em planta da zona de embocadura do estuário do rio Douro, no instante de tempo que se obtêm os valores máximos durante toda a simulação, e que corresponde à terceira vazante que ocorre no estuário durante a simulação. Nestas simulações foi considerado um valor de D50 igual a 200 µm. 88

111 Análise e discussão dos resultados Simulação 31 - fundo Simulação 31 - suspensão Figura 83 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 31 cm3/s/m 15,00 12,00 9,00 6,00 3,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 84 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 31 Simulação 32 - fundo Simulação 32 - suspensão Figura 85 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 32 cm3/s/m 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 86 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 32 89

112 Capítulo - 4 Simulação 33 - fundo Simulação 33 - suspensão Figura 87 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 33 cm3/s/m 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, minutos Transporte de sedimentos no fundo Transporte de sedimentos em suspensão Figura 88 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 33 Como seria de esperar o maior transporte de sedimentos ocorreu na embocadura do estuário, próximo do quebra-mar onde se encontram os valores de velocidade de escoamento mais elevados. O segundo maior valor encontrasse junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, na zona mais profunda do estuário. Através da análise das figuras 83, 85 e 87, observa-se que à medida que o valor da massa volúmica dos sedimentos de areia aumenta os valores de transporte de sedimentos no fundo e em suspensa vão diminuindo de valor, o que é compreensível visto que com o aumento da massa volúmica as partículas de sedimentos exigem maior esforço para passaram de um estado estático para um estado dinâmico. Observa-se também pelas figuras 84, 86 e 88, que apenas nos períodos de maior velocidade de escoamento, devido ao fenómeno de vazante do estuário, os valores de transporte de sedimentos não são nulos. 90

113 Análise e discussão dos resultados 4.5 Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura De modo a analisar o comportamento do escoamento e da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro sem as estruturas de defesa na embocadura (quebra-mar e molho norte), para um caso hipotético de colapso das estruturas ou com o objetivo de efectuar uma análise ao historial destes comportamentos antes da construção recente do quebra-mar (2004 a 2008), foram retirados do modelo os molhes norte e sul da embocadura, e mantido todas as restantes características do modelo do estuário, descritas anteriormente no capitulo 3 referente à construção do modelo Análise Hidrodinâmica As figuras 89 (caudal fluvial de 450 m 3 /s) e 90 (caudal fluvial de m 3 /s) apresentam as elevação da superfície ao longo do tempo de simulação, em relação ao zero hidrográfico, na estação de observação localizada à saída do estuário (figura 26), para os casos de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa, atuado no estuário um valor intermédio de maré. metros 1 0,75 0,5 0,25 0-0,25-0,5-0, minutos Com quebra-mar Sem quebra-mar Figura 89 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 34 e 16 metros 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0-0, ,5-0,75-1 minutos Com quebra-mar Sem quebra-mar Figura 90 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 35 e 18 91

114 Capítulo - 4 O principal aspecto a reter na análise dos gráficos de elevação de superfície, é a diferença de amplitudes entre os dois tipos de cenários com estruturas e sem estruturas de defesa no local de observação, para o caso de caudal de cheia de m 3 /s, apresentando uma diminuição de aproximadamente 0,5 m nos instantes de preia-mar e baixa-mar no caso de ruptura em comparação ao caso da estrutura se manter intacta, pelo que indicia uma maior resistência ao escoamento neste ultimo caso, provocando um aumento do nível da água no interior do estuário. Para um caudal fluvial médio anual de 450 m 3 /s os valores da elevação da superfície mantêm-se análogos para os dois casos de estudo ao longo de todo o período de simulação. Na comparação entre os dois cenários analisados, com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa, para os restantes locais do estuário, no caso de um caudal fluvial médio anual de 450 m 3 /s, os valores do nível de água mantêm-se análogos no momento de baixamar, e sofrem uma ligeira diminuição no caso da ausência das estruturas a quando do momento de preia-mar, para montante da embocadura. No caso de cheia, para um caudal de m 3 /s, escoado pelo rio Douro, os valores de nível de água sofrem uma moderada diminuição no caso da ausência das estruturas de defesa para montante da embocadura, em todos os instantes da simulação (baixa-mar e preia mar). Estas características estão esplanadas na figura 91 que representa em planta a altura da superfície de água no estuário em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de caudal fluvial médio anual e caudal de cheia com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa em relação ao zero hidrográfico. 92

115 Análise e discussão dos resultados Simulação 34 baixa-mar m 3 /s Simulação 16 baixa-mar m 3 /s Simulação 34 preia-mar m 3 /s Simulação 16 preia-mar m 3 /s Simulação 35 baixa-mar m 3 /s Simulação 18 baixa-mar m 3 /s Simulação 35 preia-mar m 3 /s Simulação 18 preia-mar m 3 /s Figura 91 - Nível de água em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de ruptura (esquerda) e sem ruptura (direita) das estruturas de defesa Na figura 92 são apresentados os valores da velocidade superficial em planta no caso de ruptura das estruturas de defesa, e em perfil longitudinal para os dois casos de ruptura e sem ruptura, compreendidos entre o oceano e a Ponte do Freixo, para o momento de ocorrência da máxima velocidade correspondente à vazante do estuário após a preia-mar, considerando um caudal fluvial de 450 m 3 /s. 93

116 Capítulo - 4 SM PA PI PF Velocidade (m/s) 1 0,8 0,6 0,4 0, Com quebra-mar Sem quebra-mar Cordenada x(m) Figura 92 - Velocidade superficial em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para um caudal fluvial de 450 m³/s (cenário 34) Neste cenário a remoção das estruturas de defesa, provoca uma diminuição acentuada de velocidade localizada à entrada do estuário, com o valor máximo da velocidade de 0,93 m/s a diminuir para 0,59 m/s, ou seja 1,6 vezes inferior, devido ao alargamento da seção do rio. Deste modo a velocidade máxima localizada no estuário encontra-se entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo (na coordenada x ), com um valor de 0,78 m/s, e a velocidade máxima junto à embocadura encontra-se mais a montante que no cenário de não ruptura das estruturas, na zona mais profunda do estuário junto à ermida de São Miguel-o- Anjo (na coordenada x ), com um valor de 0,73 m/s. Para montante do quebra-mar ate à Ponte do Freixo os valores da velocidade superficial são análogos em ambas as situações de ruptura e de não ruptura das estruturas de defesa. Verifica-se também que a direcção do jacto e consequentemente a forma como este se dispersa no oceano, é fortemente influenciada pelas estruturas de defesa, sendo que no caso de ruptura o jacto é desviado para oeste em forma de pluma alongada. No capítulo B do anexo são apresentados pormenores relativos à análise hidrodinâmica da velocidade horizontal na embocadura e em profundidade em maior pormenor para o caso de ruptura das estruturas de defesa. 94

117 Análise e discussão dos resultados Análise à dinâmica sedimentar Para se quantificar os impactos que a ruptura das estruturas de defesa na embocadura provocam nos valores da erosão e sedimentação relativos ao estuário do rio Douro, são apresentados na figura 93 os referidos valores, para sedimentos não coesivos, ao fim de um período de simulação com 36 horas, para os casos de caudal médio anual de 450 m 3 /s e para o caudal de cheia de m 3 /s, comparando os cenários com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa. São também apresentados os valores finais da erosão e sedimentação ao fim de um período de simulação com 10 anos, com um caudal fluvial médio anual constante de 450 m 3 /s para os cenários com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa. Em todas as simulações em análise é aplicado o valor intermédio da maré. Simulação 34 sem estruturas (450 m 3 /s) Simulação 16 com estruturas (450 m 3 /s) Simulação 35 sem estruturas (10000 m 3 /s) Simulação 18 com estruturas (10000 m 3 /s) Simulação 36 sem estruturas (10 anos) Simulação 24 com estruturas (10 anos) Figura 93 - Valor da erosão e sedimentação no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa e ao fim de 10 anos 95

118 Capítulo - 4 Através da análise da figura 93 é visível que para os cenários de ruptura das estruturas de defesa, os valores da erosão e sedimentação são menores, o que seria de esperar uma vez que esta situação reduz a velocidade de escoamento na embocadura do estuário. Os valores máximos de erosão e sedimentação apos ruptura ocorrem mais a montante do quebra-mar, na zona mais profunda do estuário junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, enquanto para o caso de não ruptura os valores máximos ocorrem mais a jusante que a situação anterior, junto ao quebra-mar no local onde se obtêm os valores de máxima velocidade. Sendo um dos principais objectivos que levaram à construção do quebra-mar a redução dos valores da erosão e sedimentação no interior do estuário, de modo a reduzir a necessidade de futuras dragagens, é apurado pelos resultados obtidos que esta intenção é obtida com sucesso a longo prazo. A figura 94 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos de areia na camada de fundo, localizados na foz do estuário, para os casos de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa na embocadura, em função do caudal médio anual de 450 m 3 /s e do caudal de cheia de m 3 /s, considerando um valor intermédio da maré. Estes valores máximos de concentrarão de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante do estuário, correspondendo ao instante que se regista o maior valor da velocidade do escoamento. Simulação 34 sem estruturas (450 m 3 /s) Simulação 16 com estruturas (450 m 3 /s) Simulação 35 sem estruturas (10000 m 3 /s) Simulação 18 com estruturas (10000 m 3 /s) Figura 94 - Concentração máxima de sedimentos no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa 96

119 Análise e discussão dos resultados Através da análise da figura 94 é visível que o valor mais elevado da concentração de sedimentos para o caudal médio anual de 450 m 3 /s, é obtido na situação de não ruptura das estruturas de defesa, e contrariamente, no caso de caudal de cheia de m 3 /s, o valor mais elevado de concentração de sedimentos ocorre na situação de ruptura das estruturas de defesa localizando-se junto ao quebra-mar. Verifica-se também que a direcção do jacto de concentração de sedimentos e consequentemente a forma como este se dispersa no oceano, é fortemente influenciada pelas estruturas de defesa, sendo que no caso de ruptura o jacto é desviado para oeste em forma de pluma alongada, enquanto no caso de não ruptura este é desviado para sudoeste. No capítulo B do anexo é descrito mais pormenorizadamente os valores da erosão/sedimentação e concentração de sedimentos nos cenários de ruptura e não ruptura das estruturas de defesa analisados anteriormente. 97

120 Capítulo

121 5 5. Conclusões e sugestões para trabalhos futuros 5.1 Conclusões Este trabalho teve como objectivo principal a análise da hidrodinâmica, recorrendo a um modelo de circulação tridimensional em situações normais e excepcionais, e a caracterização da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro, suportadas por ferramentas de modelação matemática. Para cumprir estes objectivos houve a necessidade de aprendizagem e de desenvolver uma caracterização pormenorizada das ferramentas de modelação hidrodinâmicas e de dinâmica sedimentar. Foram concebidos uma série de cenários, possíveis de ocorrerem com interesse para uma análise e investigação das características hidrodinâmicas e de sedimentação erosão no estuário do rio Douro. Perante os resultados obtidos e analisados, este estudo possibilitou retirar as seguintes conclusões: Retiram-se as seguintes conclusões gerais do trabalho desenvolvido: A aplicação de modelos matemáticos ao estudo da hidrodinâmica e da dinâmica sedimentar em zonas estuarinas, demonstrou que esta ferramenta de modelação matemática (Delft3D) é particularmente útil para a análise destes sistemas aquáticos. A calibração e validação destes modelos através de dados obtidos por medições, e de características e comportamentos das massas de água intrínsecas ao estuário, permite construir poderosos meios informáticos de grande utilidade na análise e investigação relativamente às áreas da hidrodinâmica e da dinâmica sedimentar nos sistemas estuarinos. Através da análise hidrodinâmica pode-se deduzir que a velocidade do escoamento no estuário do rio Douro depende com maior importância e 99

122 Capítulo - 5 relevância de dois factores que são o caudal descarregado pela barragem de Crestuma, e o tipo de maré que actua no estuário. O caudal porque quanto maior o volume de água descarregado pela barragem de Crestuma num dado intervalo de tempo, maior será a velocidade de escoamento numa dada secção do canal do rio Douro. A maré porque quanto maior for a amplitude de maré maior será o volume de água oceânica que é deslocada durante o período de enchente e de vazante do estuário, gerando velocidades de escoamento mais elevadas. Os valores máximos da velocidade de escoamento localizam-se na zona junto ao quebra-mar, devido à redução da secção transversal. Os valores associados à dinâmica sedimentar estão inteiramente dependentes das condicionantes hidrodinâmicas anteriormente referidas como o caudal fluvial e a amplitude da maré, registando-se durante o período da vazante uma maior concentração de sedimentos relativamente à enchente, o que sugere que nem toda a quantidade de sedimentos volta com a enchente da maré, uma grande parte parece capaz de avançar em direcção à embocadura. A descarga fluvial apresenta-se como factor chave para os sedimentos saírem do estuário para o oceano, sendo que nos cenários de cheia a morfologia de fundo do rio é completamente alterada, devido à descarga de grandes quantidades de água em tempo reduzido. Os resultados da erosão, sedimentação e concentração de sedimentos são também amplamente condicionados pelas características dos sedimentos não coesivos, como o diâmetro médio dos sedimentos e a sua massa volúmica. Os valores mais elevados de erosão e sedimentação ocorrem na mesma zona que os valores mais elevados da concentração de sedimentos, junto ao quebra-mar, onde se registam os valores máximos da velocidade de escoamento, estando directamente relacionados. Da análise de ruptura das estruturas de defesa, podemos afirmar que o seu colapso origina velocidades de escoamento, erosões/sedimentações e consequentemente valores da concentração de sedimentos menores no estuário do rio Douro, alterando a localização onde estes valores máximos ocorrem para a zona mais profunda do estuário junto à ermida de São Miguel-o-Anjo ao invés de ocorrerem mais a jusante na zona junto ao quebra-mar. Para situações de cheia, observa-se uma diminuição 100

123 Conclusões considerável dos valores de nível da água junto à embocadura do estuário em relação ao cenário de não ruptura. Salientam-se as seguintes conclusões específicas relativamente à análise hidrodinâmica: À saída do estuário do rio Douro, registou-se uma diferença de amplitude da maré de aproximadamente um metro em relação à maré morta e maré viva. Relativamente à altura da água, é exposta uma grande área da restinga no momento de baixa-mar, sendo esta maior ou menor conforme seja maré viva ou maré morta criando assim um grande banco de areia na parte sul do estuário, sendo posteriormente coberta parcialmente na transição para preia-mar, mas não totalmente coberta criando assim uma barreira ao escoamento da água do rio Douro para o oceano, que se processa sempre na parte norte do estuário para as situações de caudal médio anual, em anos húmidos e em anos secos, que são descarregados pela barragem de Crestuma. No caso de caudal de cheia, de m 3 /s, escoado pelo rio Douro, a restinga é submersa quase na sua totalidade. Os valores mais elevados da velocidade ocorrem na parte superior da embocadura do estuário devido ao estreitamento da seção transversal gerado pela presença do quebra-mar, enquanto na parte inferior da embocadura no interior do estuário a velocidade é muito próxima do valor nulo. São visíveis dois vórtices posteriores à embocadura do estuário, um na direcção anti-horária e outro na direcção horaria a sul e a norte do jacto de água, respectivamente. Em todo o desenvolvimento do estuário do rio Douro, desde o oceano até à barragem de Crestuma, são evidenciadas quatro zonas onde a velocidade atinge picos. A principal zona onde este fenómeno acontece é na entrada do estuário devido ao estreitamento da seção gerada pela presença do quebra-mar, e onde ocorrem os valores mais elevados da velocidade de escoamento, o segundo pico de velocidade ocorre na zona mais profunda do estuário que se situa perto da ermida de São Miguel-o- Anjo, o terceiro pico ocorre junto à Ponte da Arrábida e o quarto pico ocorre entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo. 101

124 Capítulo - 5 Constatou-se que não ocorre a inversão do sentido de escoamento na situação de maré viva, para caudais fluviais superiores a 1200 m 3 /s, e em mare morta para caudais fluviais igual ou superiores a 700 m 3 /s. Os valores superiores da velocidade ocorrem à superfície, e vão diminuindo com a profundidade, de uma forma menos acentuada até aproximadamente metade da altura da coluna de água, acentuando-se cada vez mais à medida que a profundidade aumenta Salientam-se as seguintes conclusões específicas relativamente à análise da dinâmica sedimentar: As zonas que apresentam maiores valores de erosão e sedimentação estão localizadas junto à embocadura (sendo esta a que apresenta valores mais elevados), a jusante da Ponte da Arrábida e ente a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo. O transporte de sedimentos é feito predominantemente em direcção ao mar para todos os cenários considerados, e é visível a existência de erosão localizada no início do quebra-mar, seguido de uma deposição de sedimentos formando um banco de areia a jusante deste, que vai reduzindo de valor à medida que se desloca para o oceano devido as correntes tenderem a ser de menor intensidade. No cenário de cheia com caudal de m 3 /s existe uma grande alteração da configuração de fundo do estuário, apresentando grandes valores de erosão e de sedimentação principalmente na zona da embocadura e junto a Ponte da Arrábida. Os valores mais elevados de erosão estão predominantemente situados no meio do canal onde se desloca a maior parte do volume de água e a maiores velocidades, arrastando consigo os sedimentos do leito, enquanto os valores mais elevados de sedimentação encontra-se localizado nas margens. Relativamente à profundidade em relação ao zero hidrográfico do leito do rio referente à zona central do leito para o cenário de cheia constata-se a criação de duas zonas profundas que chegam aos 20 m e 18 m de profundidade localizadas na embocadura e junto à Ponte da Arrábida, oriundas da grande erosão que ocorreu nessas zonas durante a simulação, enquanto nas margens do leito o fundo eleva-se em 4 m relativamente à 102

125 Conclusões posição inicial, o que poderá ser desfavorável para as condições de navegabilidade. É conclusivo que os valores da erosão, sedimentação e concentração de sedimentos apenas se alteram a quando da vazante do estuário, e mantêm-se constantes no momento da enchente proporcionado pelo ciclo das marés, devendo-se ao facto de as velocidades de escoamento serem superiores no período da vazante. Os valores de velocidade são demasiado baixos no momento da enchente do estuário, para arrastarem as partículas de areia na zona do quebra-mar, provocando assim um período de tempo onde o fundo se mantém constante. É perceptível que o valor da velocidade necessária para arrastar as partículas de areia com as características descritas para o cenário 17, localizadas à saída do estuário junto ao quebra-mar (estação de observação 3), é aproximadamente 0,3 m/s. Relativamente ao caudal de cheia, de m 3 /s são obtidos grandes valores de velocidade devido ao grande volume de água descarregado pelo estuário para o oceano, o que provoca constantemente grandes erosões na embocadura do estuário. A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o fundo e a velocidade de descarga. O valor da concentração de sedimentos divergem da superfície para o fundo do canal do rio, e a sua distribuição não é uniforme, aliás o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, tendo nos casos de caudal médio anual, em anos húmidos e em anos secos um valor próximo de nulo na camada superficial, enquanto para o caudal de cheia de m 3 /s a camada superficial apresenta um valor de aproximadamente 0,8 kg/m 3. Esta distribuição de valores da concentração deve-se essencialmente às características dos sedimentos, para além das diferenças nas correntes (sentido, direcção e valor das velocidades). Algo comum aos cenários da maré analisados é a discrepância entre os valores das simulações com maré viva e com maré morta, sendo que nas simulações que utilizam a maré viva os valores são muito superiores em 103

126 Capítulo - 5 relação aos de maré morta tanto no caso de sedimentação como no de erosão. Registou-se que à medida que o diâmetro médio dos sedimentos aumenta os valores de transporte de sedimentos no fundo vão subindo de valor, e em contrapartida os valores de transporte de sedimentos em suspensão vão baixando de valor, enquanto no caso da alteração da massa volúmica os valores de transporte de sedimentos no fundo e em suspensão vão diminuindo de valor à medida que o valor da massa volúmica dos sedimentos aumenta. Apenas nos períodos de maior velocidade de escoamento, devido ao fenómeno da vazante do estuário, os valores de transporte de sedimentos não são nulos. 5.2 Sugestões para trabalhos futuros Como sugestões para trabalhos futuros, salienta-se a realização de análises às condições hidrodinâmicas e de dinâmica sedimentar para um período de tempo maior. Seria interessante fazer a conceção de um modelo local do estuário, sendo o seu domínio meramente a região da restinga, com objetivo de construir uma grelha onde se obtivesse um grande refinamento desse local, permitindo deste modo uma análise mais pormenorizada à dinâmica sedimentar do banco de areia do cabedelo. Uma outra sugestão passa por fazer o mesmo estudo implementando no modelo, a acção de correntes termohalinas e de estratificação térmica, a acção das ondas, e do vento, que provocam movimentos das massas de água importantes para o estudo da hidrodinâmica e da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro. Relativamente ao tipo de sedimentos analisados, era importante ser feito um estudo mais abrangente, contemplando sedimentos coesivos, possibilitando o estudo da floculação, para a determinação de tamanho e densidade dos flocos, em condições hidrodinâmicas diversas, o estudo de deposição de sedimentos coesivos no estuário, e a determinação das propriedades de erosão de sedimentos coesivos quando submetidos a diversos tipos de escoamentos. 104 Sugere-se também que se faça uma previsão do aumento que o nível médio da água do mar poderá alcançar no futuro, devido às alterações climáticas, e aplicar os

127 Conclusões resultados dessa previsão no modelo, tendo como objetivo saber quais as zonas inundadas do estuário, o desempenho que o quebra-mar apresentará, e o comportamento que o banco de areia do cabedelo irá ter em diferentes condições hidrodinâmicas. Por fim, teria interesse ainda a criação de uma plataforma de modelação operacional em ambiente Web suportada no modelo implementado que permita a visualização dos resultados de simulações em ambiente Web e a interação com o modelo instalado num servidor remoto, definindo-se e accionando-se a execução remota de novas simulações o que permitiria a partilha e divulgação dos resultados obtidos. 105

128 Bibliografia Abreu, A. d. (2010). Avaliação do Potencial Energético das Marés do Estuário do Rio Douro. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Andutta, F. P. (2011). O Sistema Estuarino dos rios Caravelas e Peruípe (Bahia):Observações simulações, tempo de residência e processos difusivos e advectivo. Tese de doutoramento. São Paulo: Tese de doutoramento, Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo. Baptistelli, S. C. (2008). Análise Crítica da Utilização de Modelagem Matemática na Avaliação da Dispersão de Efluentes Leves no Litoral da Baixada Santista (Estado de São Paulo). São Paulo: Tese de Douturamento, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Bastos, L., Bio, A., Pinho, J., Granja, H., & Silva, A. J. (2012). Dynamics of the Douro estuary sand spit before and after breakwater construction. Estuarine, Coastal and Shelf Science. Danish Hydraulic Institute. (2001). MIKE 3 Estuarine and Coastal Hydraulics and Oceanography Short Description. Hørsholm Denmark: Danish Hydraulic Institute. Danish Hydraulic Institute. (2007). MIKE 21 & MIKE 3 FLOW MODEL FM Mud Transport Module. Hørsholm Denmark. Danish Hydraulic Institute. (2007). MIKE 21 & MIKE 3 FLOW MODEL FM Sand Transport Module. Hørsholm Denmark. Delft3D-FLOW. (2011). User Manual - Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments. Rotterdamseweg 185: Deltares. Donnell, B. P. (2006). Users Guide To SED2D WES Version 4.5. US Army, Engineer Research And Development Center. Donnell, B. P. (2011). Users Guide To RMA2 WES Version

129 Bibliografia Duarte, A. A., & Vieira, J. M. (1997). Caracterização dos Ambientes Estuarinos. Mistura em Estuários. Braga: Universidade do Minho. Gomes, R. C. (2004). Sistemas de Informação para a Modelção Matematica de derrames de Hidrocarbonetos em Ambiente Marinho. Guimarães: Universidade do Minho. Hervouet, J.-M. (2000). The TELEMAC modelling system: an overview. Hydrological Processes. Hickin, E. J. (1995). River geomorphology. Universidade da Califórnia: Wiley. Mensencal, Y. (2010). Use of TELEMAC software system as a technical modelling tool for coastal zone development studies. Echirolles, France. Peixoto, J. F. (2012). Modelação hidrodinâmica tridimensional do estuário do rio Douro. Pereira, L. P. (2011). Contributo para o Estudo da Hidrodinâmica e Qualidade da Água no Estuário do Rio Lima. Escola de Engenharia Universidade do Minho. Pinho, J. L. (2000). Aplicação de modelação matemática ao estudo da hidrodinâmica e da qualidade da água em zonas costeiras. Guimarães: Dissertação de Doutoramento, Universidade do Minho. Pinho, J. L. (2005). Modelação da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar no estuário do rio Cávado. Guimarães: Universidade do Minho, Departamento de Engenharia Civil. Rijn, L. C. (2003). Modelling of Sand Transport in DELFT 3D. Swales, A., Oldman, J., Radford, J., & MacDonald, I. (2003). What happens in estuaries during floods? Water & Atmosphere 11. Tomlinson, R. (2006). Investigation of Ebb Tidal Deltas using a Numerical Model at the Moveable Bed Physical Model Scale. Griffith University. 107

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132 Bibliografia 110

133 Anexo Anexo Anexo A. Influência da massa volúmica dos sedimentos na análise da dinâmica sedimentar Nas simulações realizadas (cenários 31, 32 e 33), apresentados anteriormente na figura 82, observa-se que os valores máximos de erosão e de sedimentação ocorrem junto ao quebra-mar, local onde se obtêm os valores máximos da velocidade de escoamento, arrastando assim maior quantidade de sedimentos de areia consoante a sua massa volúmica, registando-se um valor máximo de erosão de 0,0290 m para uma massa volúmica igual a 1900 kg/m 3, 0,0095 m para uma massa volúmica igual a 2650 kg/m 3, e 0,0082 m para uma massa volúmica igual a 2800 kg/m 3, enquanto para a sedimentação obteve-se também na zona do junto ao quebra-mar a jusante dos valores máximos de erosão, com um valor máximo de 0,016 m para uma massa volúmica igual a 1900 kg/m 3, 0,006 m para uma massa volúmica igual a 2650 kg/m 3, e 0,005 m para uma massa volúmica igual a 2800 kg/m 3. Concluísse assim que aumentando em 1,4 vezes o valor da massa volúmica (1900 kg/m 3 para 2650 kg/m 3 ), obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão são 2,7 e 3,1 vezes superiores respectivamente, e que aumentando em 1,5 vezes o valor da massa volúmica (1900 kg/m 3 para 2800 kg/m 3 ), obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão 3,2 e 3,5 vezes superiores respectivamente, o que é bastante significativo e evidencia a importância que a massa volúmica dos sedimentos pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário. Os gráficos apresentados nas figuras 95, 96 e 97 exibem os valores da erosão e sedimentação que ocorreram no local das 6 estacoes de observação evidenciadas na figura 51, em função da massa volúmica dos sedimentos de areia seleccionadas (1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3 ) ao longo de um período de simulação com 2000 minutos, que engloba três ciclos de maré. 111

134 Anexo metros 6,000E-03 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E d2650 d1900 d2800 min metros 1,800E-02 1,600E-02 1,400E-02 1,200E-02 1,000E-02 8,000E-03 6,000E-03 4,000E-03 2,000E-03 0,000E d2650 d1900 d2800 min Figura 95 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos metros min 0,000E+00-5,000E ,000E-02-1,500E-02-2,000E-02-2,500E-02-3,000E-02-3,500E-02 d2650 d1900 d2800 metros 5,000E-03 4,000E-03 3,000E-03 2,000E-03 1,000E-03 0,000E d2650 d1900 d2800 min Figura 96 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos metros 5,000E-04 4,000E-04 3,000E-04 2,000E-04 1,000E-04 0,000E+00-1,000E ,000E-04 d2650 d1900 d2800 min metros 3,500E-03 3,000E-03 2,500E-03 2,000E-03 1,500E-03 1,000E-03 5,000E-04 0,000E d2650 d1900 d2800 min Figura 97 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos 112

135 Anexo Algo comum a todos os gráficos apresentados são os valores de erosão e sedimentação serem maiores para massas volúmicas de sedimentos de areia menores, o que seria de esperar, como observado anteriormente. O ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um valor de 0,02898 m, 0,00954 m e 0,00818 m para os casos de massa volúmica igual a 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3, e 2800 kg/m 3 respectivamente, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 2 a jusante da entrada do estuário, com um valor de 0,01598 m, 0,00592 m e 0,00507 m para os casos de massa volúmica dos sedimentos igual a 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3, e 2800 kg/m 3 respectivamente, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante. Na figura 95 estação de observação 2, exemplo onde se obteve os valores de maior sedimentação, em cada ciclo de maré, há uma sedimentação de areia de 0,00593 m para o caso de massa volúmica igual a 1900 kg/m 3, enquanto para o caso de massa volúmica igual a 2650 kg/m 3 há uma sedimentação de 0,00217 m, sendo 2,7 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de massa volúmica igual a 2800 kg/m 3 há uma sedimentação de 0,00187 m, 3,2 vezes inferior ao primeiro caso. Relativamente há estação de observação 3 exemplo onde se obteve os valores de maior erosão, em cada ciclo de maré, há uma erosão de 0,01063 m para o caso de massa volúmica igual a 1900 kg/m 3, enquanto para o caso de massa volúmica igual a 2650 kg/m 3 há uma erosão de 0,00348 m, sendo 3,1 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de massa volúmica igual a 2800 kg/m 3 há uma erosão de 0,00299 m, 3,6 vezes inferior ao primeiro caso. Na estação de observação número 5 ocorre uma erosão seguida de sedimentação em cada ciclo de maré, obtendo-se valores de erosão de aproximadamente 0, m, 0, m e 0, m, e valores de sedimentação de aproximadamente 0, m, 0, m e 0, m para as massas volúmicas dos sedimentos de valor igual a 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3 respectivamente, durante cada ciclo de maré. A figura 98 apresenta os valores da concentração máxima de sedimentos de areia em planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de concentração no estuário do rio Douro, em função da massa volúmica dos sedimentos de areia analisados, 1900 kg/m 3, 2650 kg/m 3 e 2800 kg/m 3, correspondendo às simulações 113

136 Anexo 32, 31 e 33 respectivamente. Estes valores máximos de concentrarão de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante do estuário, instante que se regista o maior valor da velocidade do escoamento. Simulação kg/m 3 Perfil transversal Simulação kg/m 3 Perfil transversal Simulação kg/m 3 Perfil transversal Figura 98 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da massa volúmica dos sedimentos Verificou-se que a concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o fundo com a velocidade de descarga e a massa volúmica dos sedimentos, podendo indicar que a carga suspensa é originária do arrastamento provocado pelo escoamento. 114