Lidiane dos Santos Lima

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1 ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA DUTOS AFOGADOS, RIO DE JANEIRO RJ Lidiane dos Santos Lima Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Oceânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Oceânica. Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman Rio de Janeiro Novembro de 2010

2 ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA DUTOS AFOGADOS, RIO DE JANEIRO RJ. Lidiane dos Santos Lima DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA. Examinada por: RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL NOVEMBRO DE 2010

3 Lima, Lidiane dos Santos Estudos de hidrodinâmica ambiental e mudanças na qualidade das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas após ligação com o mar via dutos afogados, Rio de Janeiro RJ / Lidiane dos Santos Lima. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, XVII, 116p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman Dissertação (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Oceânica, Referências Bibliográficas: p Modelagem computacional. 2. Lagoa Rodrigo de Freitas. 3. Qualidade das águas. I. Rosman, Paulo Cesar Colonna. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Título. iii

4 Ao meu avô Cândido Macedo dos Santos (in memoriam) iv

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por tudo que fez e faz por mim, por estar sempre ao meu lado, em todos os momentos da minha vida. À minha família, em especial ao meu marido, pelo amor, dedicação e paciência sempre. Ao professor Paulo Rosman por ter me orientado, dando sugestões e tirando dúvidas fundamentais na execução deste trabalho. Aos meus amigos de turma que sempre estiveram prontos para ajudar. À Marise pela constante atenção e carinho. E a todos que de forma direta ou indireta contribuíram para que esse trabalho pudesse ser concluído. v

6 Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA DUTOS AFOGADOS, RIO DE JANEIRO RJ Lidiane dos Santos Lima Novembro/2010 Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman Programa: Engenharia Oceânica A Lagoa Rodrigo de Freitas é uma lagoa costeira, essencialmente urbana, localizada na zona sul da cidade do Rio de Janeiro RJ. Esse importante ecossistema costeiro é ligado ao mar por um canal artificial, o Canal do Jardim de Alah, construído em Na orla costeira adjacente encontram-se praias de elevado potencial turístico: a praia do Leblon, a oeste, e as praias de Ipanema e Arpoador, a leste. O referido ecossistema apresenta alguns problemas crônicos como o alagamento de grandes extensões das suas margens em períodos de precipitação intensa e a deficiência da ligação da Lagoa com o mar pela freqüente obstrução do Canal do Jardim de Alah. Como conseqüência dessa deficiência, a troca de massas de água entre a Lagoa e o mar reduz a renovação das águas, o que ocasiona degradação da qualidade da água, que em alguns momentos, chega a ocasionar grandes mortandades de peixes. Com o objetivo de sanar os problemas citados, o presente trabalho apresenta estudos de hidrodinâmica ambiental assim como de qualidade de água para suporte e planejamento de ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas ao mar via dutos afogados. A metodologia utilizada consiste em análises embasadas em resultados de simulações com modelos computacionais aferidos, utilizando o programa SisBaHiA, de forma a representar o comportamento da Lagoa sob diversos cenários. vi

7 Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) STUDIES ON ENVIRONMENTAL HYDRODYNAMICS AND WATER QUALITY CHANGES IN THE RODRIGO DE FREITAS LAGOON AFTER CONNECTION TO THE SEA VIA DROWNED PIPES, RIO DE JANEIRO RJ. Lidiane dos Santos Lima November/2010 Advisor: Paulo Cesar Colonna Rosman Department: Ocean Engineering Rodrigo de Freitas Lagoon in coastal lagoon, essentially urban, located in the south zone of Rio de Janeiro RJ. This important coastal ecosystem is linked to the sea by an artificial channel, the Jardim de Alah channel, built in On the adjacent coastal area there are beaches of highly elevated touristic potential: Leblon beach, to the west, and Ipanema and Arpoador beach, to the east. This ecosystem has some chronic problems, such as the flood of large extensions of its margins and the deficient link of the lagoon to the sea, due to the frequent obstruction of the Jardim de Alah channel. As a consequence, the water mass exchanges between the Lagoon and the sea reduce water renewal, which affects the quality of the water degradation, fact which, occasionally, results in massive fish mortality. Aiming at reducing the problems pointed out, the present work presents studies on environmental hydrodynamics, as well as on quality of the water to the support and planning of the link of Rodrigo de Freitas Lagoon to the sea by means of drowned pipe. The methodology consists of analyses based in the results of simulations with measured computational models, using software SisBaHiA, so as to represent the behavior of the Lagoon under different settings. vii

8 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 1 2. REVISÃO DA LITERATURA LAGOAS COSTEIRAS HIDRODINÂMICA ESTRUTURA TERMOHALINA TEMPERATURA SALINIDADE COMPORTAMENTO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO) ÁREA DE ESTUDO CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA ATUAL PROBLEMAS AMBIENTAIS HISTÓRICOS ATUAIS MODELAGEM MODELO MATEMÁTICO GERAL NA ESCALA DAS PARTÍCULAS METODOLOGIA SOBRE CALIBRAÇÃO E VALIDADE DOS MODELOS MODELAGEM HIDRODINÂMICA AMBIENTAL IMPLANTAÇÃO DE BASES DE DADOS PARA MODELAGEM COLETA DE DADOS DISPONÍVEIS ATIVIDADES DE MODELAGEM DADOS CONSIDERADOS NAS SIMULAÇÕES BATIMETRIA DADOS DE MARÉ DADOS DE VENTO VAZA (LODO) VAZÃO DOS RIOS E SAÍDAS 37 viii

9 CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS AFOGADOS PROGNÓSTICO AMBIENTAL PROGNÓSTICO DA HIDRODINÂMICA AMBIENTAL DA LRF VARIAÇÃO DE NÍVEIS DE ÁGUA CIRCULAÇÃO HIDRODINÂMICA RENOVAÇÃO DAS ÁGUAS PROGNÓSTICO DA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LRF SALINIDADE TEMPERATURA OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO) CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 114 ix

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Representação esquemática de lagoas costeiras segundo KJERFVE (1986) Figura 2: Solubilidade do oxigênio em água doce e água do mar Figura 3: Comportamento do OD em lagoas (MACIEL, 2007) Figura 4: Vista aérea do canal do Jardim de Alah ligação entre a lagoa e o mar Figura 5: Draga retirando areia, rotina diária para desobstrução do canal Figura 6: Condições de escoamento predominantes nos canais da lagoa em função da operação das comportas (FEEMA, 2006) Figura 7: Abrangência da região de modelagem, as profundidades apresentadas são relativas ao nível médio do mar Figura 8: Curva de maré típica da região estudada, ao longo de 30 dias, considerando apenas as constantes harmônicas listadas na Tabela Figura 9: Registro de maré da região estudada, ao longo de 30 dias, ilustrando as condições usadas na modelagem da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões adjacentes Figura 10: Gráfico da série temporal de ventos usuais fornecida ao modelo como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais Figura 11: Gráfico da série temporal de ventos de frente fria fornecida ao modelo como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais Figura 12: Estimativa da espessura da vaza (lodo não consolidado) existente em 2000,resultando da diferença entre os ecos de baixa e alta freqüência (ROSMAN, 2009) Figura 13: Esquema da ligação da lagoa ao mar via dutos afogados (ROSMAN, 2009) Figura 14: Níveis de água medidos na Lagoa Rodrigo de Freitas e no mar entre setembro e novembro de 1999 (ROSMAN, 2009) x

11 Figura 15: Prognóstico de níveis de água na Lagoa Rodrigo de Freitas em função das variações do nível do mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 16: Domínio modelado da Lagoa Rodrigo de Freitas e zona costeira adjacente no cenário projetado com os dutos afogados, indicando a malha de discretização em elementos finitos e a batimetria atual referente ao nível médio do mar Figura 17: Vazões no Canal Jardim de Alah com ligação Lagoa-Mar via dutos afogados Figura 18: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 19: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 20: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 21: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 22: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos de frente fria, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 23: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos usuais, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 24: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos de frente fria, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura Figura 25: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos usuais, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura xi

12 Figura 26: Identificação e localização das estações, saídas e rios considerados na modelagem Figura 27: Tempos de renovação efetiva das águas em diferentes regiões da Lagoa Rodrigo de Freitas. Os cruzamentos de cada curva com as linhas indicadas, e representam os tempos transcorridos para renovação de 20%, 50% e 90% das águas na respectiva estação; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 28: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 1.0 hora após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 29: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 5 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 30: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 10 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 31: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 20 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 32: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 30 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 33: Distribuição temporal da salinidade nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) xii

13 cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 34: Distribuição temporal da temperatura nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 35: Distribuição temporal do OD nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 36: Distribuição temporal do DBO nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 37: Identificação e localização das estações de salinidade assim como os valores adotados nas saídas e rios considerados na modelagem Figura 38: Perfis de correntes e salinidades valores médios por ciclo de maré, em um plano vertical que vai do Canal do Jardim de Alah até as proximidades da Ilha do Piraquê. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de Alah, como projetado na COPPE em Figura adaptada de (MARTINS & ROSMAN, 1999) Figura 39: Padrões de salinidades médias por ciclo de maré, em seis planos horizontais: z = 0,1m; z = 0,5m; z = 1,0m; z = 2,0m; z = 3,0m e z = 3,5m. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de Alah, como projetado na COPPE em 1992, em simulação dinâmica puramente com marés astronômicas e vazão fluvial de 1,0 m³/s, não se considerou vento nem marés meteorológicas. (Em cinza aparecem as regiões mais rasas do que a cota do plano do corte). Figura adaptada de MARTINS & ROSMAN, Figura 40: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 41: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o xiii

14 mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 42: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 43: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 44: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 45: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 46: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 47: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 48: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 49: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 50: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual xiv

15 Figura 51: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 52: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 53: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual Figura 54: Identificação e localização das estações de OD e DBO assim como os valores adotados nas saídas e rios considerados na modelagem Figura 55: Distribuição espacial do OD em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 56: Distribuição espacial do OD em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 57: Distribuição espacial do OD em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 58: Distribuição espacial do OD em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 59: Distribuição espacial do OD em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 60: Distribuição espacial do OD em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário xv

16 de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 61: Distribuição espacial do OD em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 62: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 63: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 64: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 65: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 66: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 67: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil Figura 68: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar ; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil xvi

17 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Classificação baseada na zonificação da salinidade (VENICE SYSTEM, 1959) Tabela 2. Principais constantes harmônicas referentes à região estudada, listadas pela significância da amplitude Tabela 3: Vazões médias dos rios e saídas adotadas para a modelagem Tabela 4: Características adotadas para a modelagem com dutos afogados Tabela 5: Resumo de vazões médias e volumes de água diários que entrariam e sairiam da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados Tabela 6: Valores iniciais dos principais parâmetros na modelagem de OD e DBO foram adotados conforme EIA/RIMA, xvii

18 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS A Lagoa Rodrigo de Freitas é uma lagoa costeira, essencialmente urbana, com cerca de 2 Km 2 de espelho d água, profundidade média da ordem dos 3 m e está localizada na zona sul da cidade do Rio de Janeiro RJ. A sua bacia hidrográfica tem cerca de 23,5 Km 2, drena a face sul do Maciço da Tijuca, sendo formada, essencialmente, pelas bacias dos rios Cabeças, Macacos e Rainha. O corpo hídrico em questão é pólo de atração para atividades de lazer ao ar livre e sede prática de desportos aquáticos, em particular o remo. Situando-se nas suas margens as sedes dos principais clubes e nela existindo uma raia de remo de grande importância. Na lagoa também há prática da pesca comercial de grande importância econômica e social, havendo uma colônia de pescadores (AMBIENTAL, 1999). Este sistema lagunar é ligado ao mar por um canal artificial, o Canal do Jardim de Alah, construído em Na orla costeira adjacente temos praias de elevado potencial turístico: a praia do Leblon, a oeste, e as praias de Ipanema e Arpoador, a leste. Dados históricos mostram que o Canal, na sua situação natural, demonstra instabilidade, através da obstrução de sua embocadura pela acumulação de areia da praia (OLIVEIRA & FORTUNATO, 2000). A Lagoa Rodrigo de Freitas caracteriza-se por apresentar velocidades muito reduzidas em quase todo o seu domínio, exceto na área vizinha da sua ligação ao Canal Jardim de Alah. As áreas norte e leste apresentam-se isoladas do resto do corpo lagunar, não conseguindo o escoamento induzido pelos fluxos afluentes do Piraquê e pelas marés promovendo a mistura destas águas com o resto da lagoa. Este cenário justifica os tempos de residência muito elevados que como conseqüência tem a degradação da qualidade da água. Os níveis na Lagoa são, fundamentalmente, controlados pelas afluências fluviais, situando-se o seu nível médio a aproximadamente meio metro acima do nível médio do mar, condicionado, também, pelas deficientes condições de escoamento no Canal do Jardim de Alah. 1

19 A água da Lagoa apresenta um aspecto, pouco agradável, evidenciando elevadas concentrações de micro e macro algas, em particular em áreas próximas as margens. Tendo pouca profundidade e seu leito composto por sedimento com elevada porcentagem de matéria orgânica. A Lagoa apresenta com a ressuspensão dos sedimentos de fundo grande turbidez e carência de oxigênio, acompanhada de liberação de gás sulfídrico (LNEC, 2003). O rio Cabeças drena a área do Jardim Botânico e deságua no canal da Av. Lineu de Paula Machado que, por sua vez, desemboca no rio dos Macacos. O rio dos Macacos drena os bairros do Alto da Boa Vista, Horto e Jardim Botânico. Em função das condições hídricas locais, ele pode desaguar direto na Lagoa através de uma comporta existente na rua General Garzón ou ser desviado no seu trecho final para o canal do Jóquei Clube Brasileiro. Atualmente ocorre a primeira alternativa descrita. O rio Rainha drena o bairro da Gávea e desemboca no canal da Av. Visconde de Albuquerque. Desde o século passado o corpo hídrico em questão vem demonstrando colapsos no seu ecossistema, representado pelo crescimento exagerado de vegetação e mortandade de peixes. O emissário submarino de Ipanema, em carga desde 1974, recebe os efluentes sanitários das bacias de esgotamento da zona sul (Glória, Botafogo, Copacabana, Lagoa e São Conrado) e os lança no oceano, em frente à praia de Ipanema. Vários fatores interagem e desencadeiam mortandades de peixes na Lagoa Rodrigo de Freitas. A estratificação de suas águas, decorrente da insuficiente circulação e renovação, faz com que a água do mar (mais densa) entre em pequena quantidade e em baixa velocidade, migre para o fundo, ficando acima da camada de lama, rica em matéria orgânica, e embaixo de uma camada de água salobra (menos densa). Esta situação tende a permanecer, visto que a circulação provocada pelas marés é muito pequena. Assim sendo, esta condição só tende a se modificar caso ocorram ventos muito fortes. Estabelecida a estratificação, a camada mais salgada em pouco tempo torna-se anaeróbica e rica em gases com a oxidação da matéria orgânica existente no fundo da la- 2

20 goa. A mistura dessas camadas, devido a ventos fortes, causam um rápido déficit de oxigênio dissolvido em toda a massa d água, provocando asfixia nos peixes. Mesmo quando não existe a estratificação, a ocorrência de ventos fortes gera correntes e ondas capazes de revolver o fundo e de levar para a coluna d água uma quantidade significativa de nutrientes, causando um Bloom de algas. As algas durante o dia liberam na massa d água uma quantidade grande de oxigênio e à noite consomem o oxigênio dissolvido na água, provocando, também, condições anóxicas e conseqüentemente a asfixia nos peixes e no restante da biota. Outras causas podem ser apontadas quando ocorrem mortandades pontuais em regiões específicas da Lagoa. Podem ser citados os lançamentos acidentais de esgotos e o aporte de efluentes, através de ligações clandestinas, às galerias pluviais. Porém a causa preponderante é a baixa circulação e a deficiente troca de água do sistema. A Lagoa Rodrigo de Freitas é um corpo d água costeiro com histórico problema de qualidade de água. Os primeiros trabalhos sobre a estagnação de suas águas e mortandade de peixes foram relatados já em 1877 pelo Barão de Lavradio e em 1880 por Teffé. Vários estudos vêm sendo realizados na busca da contenção dos processos de degradação da lagoa porém sem muito sucesso. A intensa ocupação urbana de sua bacia hidrográfica associada a evolução das ações antrópicas com total inobservância de normas elementares de urbanismo, explica o quadro problemático da qualidade de suas águas. Apresentando contínuos problemas das mortandades de peixes e as freqüentes inundações na região. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver estudos de hidrodinâmica ambiental assim como de qualidade de água para suporte e planejamento de ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas ao mar via dutos afogados. Foram feitas análises embasadas em resultados de simulações com modelos computacionais aferidos, para suporte de prognósticos de situações projetadas. 3

21 2. REVISÃO DA LITERATURA LAGOAS COSTEIRAS A revisão da literatura resultou do processo de levantamento e análise do que foi publicado sobre hidrodinâmica, estrutura termohalina e comportamento do oxigênio dissolvido (OD) e demanda bioquímica de oxigênio (DBO) em lagoas costeiras. Permitindo um mapeamento dos conhecimentos existentes (estado da arte) e fornecendo uma fundamentação teórica sobre o assunto abordado HIDRODINÂMICA As lagoas costeiras são corpos d'água conectados parcialmente ou totalmente isoladas do oceano, formadas durante as oscilações do nível do mar em função das modificações climáticas mundiais nas épocas glaciais e inter-glaciais durante o Holoceno e da formação das restingas arenosas através dos processos marinhos. São efêmeras na escala de tempo geológico caracterizadas como áreas de rápida acumulação de sedimentos de granulometria fina, ricas em materiais orgânicos de origem autóctone (nativo) e alóctone (exótico), em razão da minimização de fontes de energia como marés, ondas e correntes que possuem pequena taxa de renovação de águas, com longo tempo de residência. Sua existência depende, principalmente, das flutuações do nível do mar e da interferência humana. A ligação com o mar é feita através de canais ou barras e a quantidade e tamanho são determinados pela quantidade de água que flui em determinado intervalo de tempo, onde o volume dessa água é controlado pela variação das marés e descarga de águas introduzida pelos rios tributários (KJERFVE & MAGILL, 1989). Essas lagoas se dividem em três tipos geomorfológicos: sufocada, restrita e vazada (Figura 1), em função da taxa e magnitude das trocas de água entre estas e o oceano, os quais refletem a força geradora dominante e a escala de tempo do ciclo hidrodinâmico (KJERFVE, 1986). 4

22 Figura 1: Representação esquemática de lagoas costeiras segundo KJERFVE (1986). As lagoas do litoral do Rio de Janeiro, em sua maioria, enquadram-se no tipo sufocada, a qual é caracterizada por regiões de costa com alta energia de onda, deriva litorânea significativa e marés com altura máxima inferior à 2 m. Possuem grande tempo de residência de água, canais de comunicação com o oceano estreitos e longos. Conseqüentemente os principais movimentos de água ocorrem na forma de correntes de maré ou ondas geradas por vento de circulação (BOGGS, 1995). A circulação em uma lagoa costeira está relacionada ao balanço entre perdas e ganhos de água pelo sistema e a mecanismos pelos quais a água é redistribuída dentro da lagoa. As forçantes externas relevantes numa lagoa costeira são o vento, que atua diretamente sobre a superfície ou gerando ondas de gravidade, os aportes de águas pluviais, fluviais e marinhas e, eventualmente, as oscilações de maré na embocadura (SMITH, 1994). Correntes de marés atuam de modo a manter uma lagoa aberta, enquanto que as ondas, associadas às correntes de deriva litorânea tendem a fechá-la. Dessa forma, as lagoas com características estuarinas possuem uma dinâmica de maré e descarga fluvial dominantes. Já as lagoas fechadas possuem dinâmicas onde as ondas e os ventos são pre- 5

23 dominantes, enfim processos diferentes que influenciam na morfologia e nas características dessa lagoa (ALMEIDA, 1997). A performance de sistemas lagunares é, em grande parte, dependente de processos hidrodinâmicos, os quais determinam condições ambientais que afetam a biogeoquímica e, de maneira fundamental, a quantidade de tempo que a água e seus constituintes permanecem no sistema. Ao tempo de residência hidráulico, atribui-se a explicação de uma gama de fenômenos relativos à qualidade da água, como a variabilidade dos processos de eutroficação, estratificação, composição isotópica, alcalinidade, concentrações de carbono orgânico dissolvido, taxas de mineralização de matéria orgânica, produção primária, dentre outros (MARQUES, 2009) ESTRUTURA TERMOHALINA Dentre os principais elementos estruturais de um ecossistema lagunar, podemos citar a estrutura imposta pela distribuição da densidade. A densidade pode ser definida como a relação entre a massa e o volume que ela ocupa. Os principais fatores que influenciam na densidade da água são a salinidade, temperatura e pressão. Quando camadas de água com diferentes densidades estão em contato, podem formar-se barreiras físicas. Quando essa condição se estabelece, pode-se dizer que a coluna d água está estratificada, ou estável, com a água menos densa posicionada acima da mais densa. A intensidade da estratificação condiciona a distribuição de elementos químicos dissolvidos, nutrientes, poluentes e gases, além de influenciar na circulação da água, podendo ser considerada, portanto, um elemento estrutural primário (GOLDMAN & HORNE, 1983). Em grande parte, a estratificação das lagoas é conseqüência do efeito da temperatura sobre a densidade da água, sendo comum associar-se a zonação vertical à temperatura. Mas é importante ressaltar que embora a temperatura seja tipicamente um bom indicador dessa zonação, em lagoas costeiras com conexão com o mar, a estratificação da coluna d água é principalmente decorrente da distribuição heterogênea da salinidade. Logo, o que 6

24 controla a estrutura é a densidade, e em lagoas costeiras torna-se necessário estudar a distribuição do calor e do sal e a combinação desses fatores em cada corpo d água de forma específica (ESTEVES, 1988) TEMPERATURA A temperatura influencia diretamente tanto a respiração dos organismos, como outros processos oxidativos, como a decomposição da matéria orgânica por microorganismos. Dessa forma, a elevada temperatura de lagoas tropicais proporciona condições favoráveis para que ocorram elevadas taxas de decomposição o que pode gerar déficits de oxigênio na coluna d água, especialmente na sua parte inferior. Por esta razão, a temperatura é um condicionante importante nas variações da concentração de oxigênio dissolvido (SMITH, 1994). Como principal resultado da radiação solar, o aquecimento reduz a densidade da água superficial, o que resulta em uma importante estrutura vertical, com a água superior mais quente e menos densa sobre a inferior mais fria e densa. A zona de transição entre essas duas massas d água distintas, com rápida mudança de temperatura em pequeno espaço físico é chamada de termoclina. E quando a salinidade é homogênea na coluna d água, corresponde à própria estrutura de densidade (GOLDMAN & HORNE, 1983). O ciclo de aquecimento e resfriamento de lagoas costeiras ocorre em três escalas temporais distintas: diurna, como resultado do aquecimento pelo sol e resfriamento noturno; sinótica, que dura em torno de uma a duas semanas, em função de eventos meteorológicos, como passagens de frentes frias e massas de ar seco, alterando a cobertura de nuvens, velocidade do vento e temperatura do ar e; sazonal, obedecendo a variações no ângulo zenital do sol, produzindo um ciclo anual de aquecimento e resfriamento que acompanha, a grosso modo, as estações do ano (SMITH, 1994) SALINIDADE A salinidade mede a quantidade de sais dissolvidos existentes num corpo de água (ESTEVES, 1988). As lagoas costeiras podem apresentar de água doce até hiperhalina, de- 7

25 pendendo do balanço hidrológico do ambiente. Essa variação dependerá principalmente da existência e da intensidade de troca com a água do mar, além do aporte fluvial, da relação entre precipitação e evaporação, da contribuição da bacia de drenagem e até mesmo das águas subterrâneas (KJERFVE & MAGILL, 1989). Uma classificação baseada na zonificação da salinidade, que considera diversos graus de mistura entre água doce e salgada é o Venice System (1959). Esta classificação permite a divisão do corpo hídrico em regiões conforme Tabela 1. Tabela 1: Classificação baseada na zonificação da salinidade (VENICE SYSTEM, 1959). CLASSIFICAÇÃO SALINIDADE Zona Limnética (Água Doce) < 0.5 Oligohalina 0.5 a 5.0 Mesohalina 5.0 a 18.0 Polihalina 18.0 a 30.0 Euhalina 30.0 a 40.0 Hiperhalina > 40.0 A distribuição da salinidade num sistema lagunar possui grande influência na biota, pois cada espécie tem seu nível máximo de tolerância à salinidade e sua faixa ótima. A salinidade afeta ainda a capacidade de dissolução do oxigênio na água, o ph e a composição iônica (SANTANGELO, 2005). O sal dissolvido na água reduz o espaço intermolecular disponível para o oxigênio; assim, quanto maior for a salinidade menor será a concentração de oxigênio dissolvido. A Figura 2 mostra a solubilidade do oxigênio na água doce e na água do mar para diferentes temperaturas; observa-se que, a 25 C a solubilidade do oxigênio em água doce é aproximadamente 20% maior que na água do mar (MACIEL, 2007). 8

26 Figura 2: Solubilidade do oxigênio em água doce e água do mar. Outro aspecto relevante da salinidade é sua contribuição para o aumento na densidade da água; quanto maior a salinidade, mais densa a água. GOLDMAN & HORNE (1983), ressaltam ainda que, para ambientes aquáticos com níveis consideráveis de sal, os efeitos da salinidade na densidade dominam sobre os da temperatura. Dessa forma, em lagoas costeiras que possuem contato com o mar, a estratificação salina é uma importante feição na estrutura do sistema. De um modo geral, a presença de sal em lagoas costeiras está ligada a uma fonte marinha. Como conseqüência, as maiores concentrações de sal em uma lagoa devem ser encontradas nas proximidades do(s) canal(is), e quanto à sua distribuição vertical, mais próximo ao fundo, em função da maior densidade. 9

27 2.3. COMPORTAMENTO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO) O oxigênio participa de várias reações químicas e biológicas, ele é um gás fundamental na respiração da biota conseqüentemente essencial à sobrevivência de muitas formas de vidas aquáticas (BECKER et al., 2009). Sua distribuição em águas naturais fornece uma medida conveniente da produção orgânica, formando a base de muitos métodos de medição de produção primária (ESTEVES, 1988). Em ambientes aquáticos a fonte de oxigênio mais importante procede do fitoplâncton, a partir da fotossíntese. A difusão do oxigênio atmosférico para dentro da água é considerada também como uma fonte, ainda que, na maioria das vezes, se trate de um processo lento, exceto em condições de turbulência. O oxigênio é consumido na coluna d água pela respiração dos organismos, pela decomposição da matéria orgânica (Demanda Bioquímica de Oxigênio DBO), e pela sua utilização na oxidação de compostos químicos (Demanda Química de Oxigênio DQO) (GOLDMAN & HORNE, 1983). Os fatores controladores não produzem ou consomem o oxigênio propriamente dito, mas limitam ou favorecem esses processos. Um fator controlador direto é a solubilidade do O 2 na água, que é função basicamente da temperatura e da salinidade. Quanto mais quente e mais salina a água, menor a solubilidade (capacidade de conter o gás) de oxigênio (ESTEVES, 1988). Fatores controladores indiretos podem assumir um papel primordial na dinâmica de oxigênio dissolvido, especialmente em ambientes característicos como lagoas costeiras. A interação entre a estratificação de densidade, a circulação e a disponibilidade de matéria orgânica pode causar depleção do oxigênio dissolvido (ESTEVES, 1988; SIMAS, 2007). Avalia-se na prática a poluição de um corpo d água pela quantidade de oxigênio que as bactérias necessitam para oxidar toda a matéria orgânica nele contida (DBO). Numa lagoa não poluída, a degradação da matéria orgânica pelas bactérias aeróbias é completa e há oxigênio em excesso para a vida aquática. Porém, quando a matéria orgânica numa la- 10

28 goa é encontrada em altas taxas, assim também será a demanda bioquímica de oxigênio que eliminará o oxigênio dissolvido em toda a lagoa (MACIEL, 2007). O estado trófico de um corpo d água pode ser medido pelas variações a curto e longo prazo da concentração de oxigênio dissolvido. A eutrofização resulta do enriquecimento nas águas de alguns nutrientes essenciais como nitrogênio, fósforo, carbono e outros. Este aumento conduz uma proliferação exagerada da flora aquática, ao ponto de prejudicar a fauna. Um corpo hídrico pode variar de oligotrófico (baixa produtividade primária) passando por mesotrófico (produtividade primária intermediária) e eutrófico (produtividade elevada, acima do estado natural) podendo chegar a hipertrófico (produtividade muito elevada e muito acima do estado natural) (THOMANN & MUELLER, 1987). Lagoas eutróficas possuem grandes suprimentos de todos nutrientes essenciais e grande variação na saturação de oxigênio, tendo uma grande depressão no hipolímnio camada inferior da coluna d água, mais fria, mais densa, com maior estagnação e supersaturação no epilímnio camada superior, mais quente, menos densa, com maior circulação e também possuem alta densidade de fitoplâncton e zooplâncton (VON SPERLING, 1996). Lagoas eutróficas estratificadas, seja por gradientes térmicos ou salinos, apresentam um padrão de concentração de oxigênio dissolvido como indicado na Figura 3. 11

29 Figura 3: Comportamento do OD em lagoas (MACIEL, 2007). No presente estudo, serão consideradas condições de estresse para a comunidade aquática concentrações de OD inferiores a 5 mg/l, valor encontrado na literatura (TALKE et al., 2009) e proposto como limite mínimo aceitável pela Resolução CONAMA 357/2005 para águas salobras de Classe 1, nas quais se enquadra a Lagoa Rodrigo de Freitas. Ainda segundo TALKE et al. (2009), o limite utilizado de hipoxia neste trabalho será de 2 mg/l. 12

30 3. ÁREA DE ESTUDO Situada na zona sul da cidade do Rio de Janeiro entre as longitudes 043 o e 043 o W e as latitudes 22 o e 22 o S, a Lagoa Rodrigo de Freitas possui 3 km de largura máxima, 7.5 km de perímetro, espelho d água com cerca de 2.5 milhões de m 2 e profundidade máxima de 10.1 m (ANDREATA et al., 1997). A lagoa é regulamentada como uma Área de Proteção Permanente pela Lei Orgânica do Município do Rio de Janeiro conforme artigo 463. A relevância de seu estudo consiste no fato dela ser um ponto turístico e de lazer de grande expressão na estrutura urbana da cidade do Rio de Janeiro, e que ao longo desta última década vem se caracterizando por um substancial aumento de problemas de natureza físico-ambiental. A Lagoa Rodrigo de Freitas originalmente era uma bacia aberta ao oceano que sofreu intempéries e a erosão das rochas da Serra do Corcovado que propiciaram a lenta formação de um cordão de areia que foi carreado pelo mar e levado pelas correntes originando uma restinga que se entendia da ponta do Arpoador ao Vidigal, compreendendo os bairros de Ipanema e Leblon. (RANGEL, 2002). O seu balanço hídrico com o ambiente marinho através do canal do Jardim de Alah (Figura 4), com 835 m de extensão e/ou através do canal de recirculação (canal do Jóquei) para o canal da rua Visconde de Albuquerque, canal do Leblon e em seguida para o mar (MACHADO et al., 1998). A foz do canal do Jardim de Alah é sistematicamente obstruída por areias transportadas pelas ações das vagas e correntes a elas associadas assim como pela ação dos ventos, razão pela qual necessita ser permanentemente dragada (Figura 5), servindo este processo para permitir a circulação de suas águas entre os ambientes lagunar e marinho (ALVES et al., 1998). A água do mar penetra na laguna no período da preamar das marés de sizígia, pelo Canal do Jardim de Alah. Tem o seu fluxo determinado em função da maré, com o controle da comporta (ponto 2 da Figura 6). A troca de massas de água entre a lagoa e o mar é restrita, assim como o escoamento de maré dentro da lagoa (MACIEL, 2007). Os rios que deságuam na Lagoa Rodrigo de Freitas são: o Rio dos Macacos, com área de drenagem de 13

31 7.2 km 2, o Rio Rainha, com 4.3 km 2 e o Rio Cabeças, que tem a menor área de drenagem, com 1.9 km 2 (FEEMA, 2002). Figura 4: Vista aérea do canal do Jardim de Alah ligação entre a lagoa e o mar. Figura 5: Draga retirando areia, rotina diária para desobstrução do canal. 14

32 Figura 6: Condições de escoamento predominantes nos canais da lagoa em função da operação das comportas (FEEMA, 2006). O aporte incessante de águas servidas e de matéria sólida que atingem a este corpo d água lagunar, vem prejudicando o comportamento hidráulico e a qualidade da água da lagoa, além do que, reduzindo a lâmina d água e promovendo a acumulação da camada de lodo. Este fato vem dificultando os mecanismos de circulação das águas, acelerando o processo de colmatação, e contribuindo para as freqüentes mortandades de peixes, caracterizando assim um estágio de constante degradação ambiental CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA ATUAL A hidrodinâmica da Lagoa Rodrigo de Freitas e do Canal do Jardim de Alah é forçada principalmente por: descargas fluviais, ação direta do vento e maré meteorológica. Atualmente, a maré astronômica tem sua influência restrita ao Canal do Jardim de Alah, não afetando o padrão de circulação no interior da Lagoa (AMBIENTAL, 2002). 15

33 As marés astronômicas na zona costeira são do tipo semi-diurnas com desigualdades diurnas. Tem uma propagação típica de onda de Kelvin no hemisfério Sul, de oeste para Leste. As amplitudes máximas de marés de sizígia são da ordem de 1.20 m e as mínimas de maré de quadratura de 0.40 m. Os níveis do mar são fortemente influenciados por fatores meteorológicos, com períodos característicos de 5 (cinco) a 7 (sete) dias. As amplitudes das marés meteorológicas são da mesma ordem de grandeza das marés astronômicas (ROSMAN et al., 1992). As velocidades residuais em frente às praias de Ipanema e Leblon são dirigidas para Leste. As águas provenientes da Lagoa tenderão a dirigir-se em direção à Baía de Guanabara, sendo assim não se espera que detritos derivados desta baía entre regularmente na Lagoa. A Lagoa Rodrigo de Freitas é atualmente um sistema de águas quase paradas, com velocidades da ordem de 0.01 m/s. Através da análise harmônica da série temporal de nível medida no centro da LRF identificou-se uma única componente de maré com amplitude inferior à precisão do equipamento utilizado nas medições de nível, tornando possível afirmar que não há influência de maré astronômica no interior da LRF e, portanto, as variações de nível associadas aos períodos semi-diurno e diurnos são desprezíveis. Os níveis na Lagoa são fundamentalmente controlados pelas afluências de descargas fluviais. O nível médio da Lagoa situa-se cerca de 0.5 m acima do nível médio do mar (AMBIENTAL, 2002). Em conseqüência das baixas velocidades, ocorrem duas zonas prioritárias de retenção no interior da lagoa, a Norte e a Leste. Quer as vazões provenientes dos rios Cabeças e Macacos, quer as mares astronômicas e meteorológicas, se apresentam incapazes de promover a mistura destas águas com o resto da Lagoa. Admiti-se que apenas os ventos e pequenas afluências marginais à Lagoa consigam misturar a água retida nas duas zonas de retenção. 16

34 3.2. PROBLEMAS AMBIENTAIS Os problemas ambientais que se apresentam nos grandes centros urbanos muitas vezes não surgem apenas em decorrência das altas densidades populacionais. A ocupação irregular com a construção de grandes prédios, como por exemplo ocorre ao longo do entorno da Lagoa Rodrigo de Freitas, certamente constitui uma forma não recomendável de ocupação. A população em seus movimentos migratórios, sempre procura convergir, ao longo do tempo, para locais que lhes oferecem melhores oportunidades e qualidade de vida (SILVA, 2010) HISTÓRICOS A Lagoa Rodrigo de Freitas tem apresentado, graves problemas ambientais relacionados à qualidade da água que criam impactos diversos sendo mais graves aqueles que envolvem a mortandade da fauna aquática (BRITO, 1971; ANDRADE, 1973; ROSMAN et al., 1992; LNEC, 2003). A Lagoa Rodrigo de Freitas era constituída por um espelho d água com área aproximadamente o dobro da atual, margens rasas e geometria variável, desembocando diretamente os rios Macacos e Cabeças. Nas áreas mais afastadas da orla provavelmente havia predominância de massas d água salobras, estagnadas, com elevadas concentrações de matéria orgânica em decomposição (TORRES, 1990). Desde a fundação da cidade do Rio de Janeiro (século XVI), a LRF apresentava problemas de insalubridade e freqüentes inundações em seu entorno, em 1919 várias autoridades verificaram que as águas da lagoa deveriam ser totalmente doces, sendo construída então uma ponte sobre a barra da LRF, transformada num vertedouro que permitia apenas a saída de água após grandes chuvas, a conseqüência dessa ação foi o alagamento das margens da LRF e grande crescimento de taboas (Typha domingensis), gerando proliferação de mosquitos da malária, por isso, o vertedouro precisou ser destruído (MACHADO, 2009). A partir de meados do Século XX iniciou-se o processo de urbanização, de forma desordenada e mal planejada, acompanhada de uma explosão demográfica não enquadrada em sis- 17

35 temas de drenagem de águas residuais e que conduziu a execução de áreas de aterros marginais que reduziram a área do espelho d água e restringiram as dimensões do Canal de ligação com o mar, alterando profundamente a natureza e características de funcionamento de todo o sistema (LNEC, 2000) ATUAIS O problema apontado como o mais relevante está associado às mortandades de peixes e outras faunas aquáticas da Lagoa Rodrigo de Freitas. A notícia de mortandade de peixe, como citado no tópico anterior, são antigas e tornaram-se mais freqüentes após 1930 (TORRES, 1990). Várias razões têm sido apontadas para explicar as mortandades. Em bibliografias pretéritas o fato apontado como causador destas súbitas mortandades de peixe é a destruição da estratificação da lagoa (ROSMAN et al., 1992). Esta estratificação seria resultante da insuficiente circulação e renovação da água. A água do mar (mais densa), que entra em pequena quantidade e em baixa velocidade na lagoa, fluiria lentamente para o fundo, posicionando-se acima de uma camada estagnada de lama negra fluida rica em matéria orgânica e por baixo de uma camada de água salobra (menos densa). Com essa estratificação, há redução da concentração de oxigênio dissolvido na camada inferior e a formação de ácido sulfídrico (H 2 S) pela decomposição anaeróbica da matéria orgânica do sedimento. Com a ocorrência de ventos fortes, a circulação da lagoa abala a estratificação, a mistura das duas camadas causaria o consumo do oxigênio dissolvido em toda a massa de água e a conseqüente morte dos peixes por anoxia (FEEMA, 1995). Outras explicações baseiam-se num desequilíbrio resultante da enorme quantidade de biomassa presente na lagoa, devido ao fato deste corpo hídrico ser hipertrófico e nele ocorrer intensa produção primária. A grande quantidade de fitoplâncton e de algas macrófitas, em quantidade superior à capacidade da lagoa suportar a respectiva respiração, pode causar a sua morte maciça o que gera ainda maiores carências de oxigênio. Este fe- 18

36 nômeno é típico de sistemas eutrofizados ou hipertróficos. Ainda foram indicadas outras causas para a mortandade de peixe, as quais incluem a possibilidade de envenenamento direto: despejos industriais e comerciais tóxicos, ácido sulfídrico e/ou metano, marés vermelhas, dentre outros; fatores ambientais desfavoráveis como a temperatura elevada das á- guas e mudanças repentinas na salinidade (OLIVEIRA et al., 1957). A Lagoa Rodrigo de Freitas ainda sofre com outros problemas de qualidade ambiental relevantes. Este corpo hídrico tem por primeira função construir um ecossistema e- quilibrado e saudável, que proporcione o suporte de vida. Sem a presença de um ecossistema equilibrado não é possível garantir as características estéticas que são esperadas deste ambiente, nem a sua função de proporcionar à população que usufrui das margens e do próprio espelho d água, condições que garantam o respectivo uso sem risco à saúde pública. Os principais problemas atuais da Lagoa Rodrigo de Freitas são além da mortandade de fauna aquática, a afluência de fluxos de águas residuais e pluviais urbanas, em quantidade e qualidade não controladas e condições estéticas e organolépticas indesejáveis (FEEMA, 1995). A excessiva carga orgânica faz com que a Lagoa Rodrigo de Freitas esteja num estado de equilíbrio ecológico muito frágil. A adequação da qualidade da água ao uso balnear é ainda um problema na área costeira adjacente, Praias de Leblon e Ipanema. 19

37 4. MODELAGEM Modelagem é um processo de traduções em diferentes etapas, no qual o sucesso de uma etapa nunca supera o da etapa anterior. Em cada etapa, a realidade traduzida nunca é mais verdadeira que a realidade da etapa anterior. Considerando um fenômeno qualquer na natureza, a primeira e mais fundamental modelagem é a conceitual (PINTO, 2007). A necessidade da aplicação de modelos para estudos, projetos e auxílio à gestão de recursos hídricos é inquestionável, face à complexidade do ambiente em corpos de água naturais, especialmente em lagos, reservatórios, estuários e zona costeira adjacente das bacias hidrográficas. Modelos são ferramentas integradoras, sem as quais dificilmente se consegue uma visão dinâmica de processos nestes complexos sistemas ambientais (ROSMAN, 2010). Modelos validados, isto é, aferidos com dados de campo e analisados por especialistas são ferramentas indispensáveis aos estudos e projetos, à gestão e ao gerenciamento de corpos de água naturais. Pois permitem integrar informações espacialmente dispersas, interpolar informações para regiões nas quais não há medições, ajudar a interpretação de medições feitas em estações pontuais, propiciar entendimento da dinâmica de processos, prever situações simulando cenários futuros, etc. O uso de modelos como ferramentas de previsão inclusive pode ser feito praticamente em tempo real, para planejar operações de limpeza ambiental em decorrência de derrames acidentais de contaminantes tóxicos, como óleos e solventes (PINTO, 2007). O processo de modelagem pode ser sintetizado pelas seguintes etapas (ROSMAN, 2010). a) Modelagem conceitual: é formar na mente a concepção do fenômeno observado, conhecer suas causas e efeitos, compreender as interações dos agentes intervenientes na sua ocorrência. b) Modelagem matemática: são traduções do modelo conceitual do fenômeno escritas em linguagem matemática. Os diferentes modelos mate- 20

38 máticos são diferentes arranjos, incluindo um número maior ou menor de causas e efeitos, e de agentes intervenientes em diferentes formas. Para tanto há regras e princípios formais a serem seguidos. c) Modelagem numérica: são traduções dos modelos matemáticos adaptados para diferentes métodos de cálculo. d) Modelagem computacional: é a tradução de um modelo numérico para uma linguagem computacional que possa ser compilada e executada em um computador por um operador experiente MODELO MATEMÁTICO GERAL NA ESCALA DAS PARTÍCULAS Resume-se a seguir as equações governantes para modelagem da hidrodinâmica e do transporte de escalares em corpos d água, na escala instantânea e pontual de uma partícula (ROSMAN, 1997). Equação da continuidade ou condição de escoamento incompressível: Equação 1 Equação da quantidade de movimento: Equação 2 sendo: Equação de estado: Equação 3 21

39 Equação do transporte advectivo-difusivo de escalares: Equação 4 Se a massa específica ρ for constante, a modelagem da hidrodinâmica depende apenas das Equação 1 e Equação 2. Neste caso, uma vez conhecida a circulação hidrodinâmica, pode-se resolver a Equação 4 para o transporte de um escalar como problema à parte. Por outro lado, se ρ for definido pela equação de estado com, por exemplo, três constituintes, temperatura salinidade e concentração de sedimentos, a modelagem da hidrodinâmica obriga a inclusão de Equação 3 e de três equações de transporte como Equação 4, uma para cada escalar constituinte. A princípio, o conjunto destas equações, com condições de contorno consistentes e em coordenadas apropriadas, forma um modelo matemático de escoamento e transporte válido para qualquer corpo d água. Entretanto, há fortes restrições quanto às escalas de validade das equações (ROSMAN, 2010). 22

40 5. METODOLOGIA A Figura 7 indica a abrangência da região de modelagem a ser considerada. Os pontos de afluência de rios, canais de macro drenagem e manilhas foram considerados. Os modelos computacionais que foram utilizados fazem parte do Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental - SisBaHiA. Figura 7: Abrangência da região de modelagem, as profundidades apresentadas são relativas ao nível médio do mar. 23

41 5.1. SOBRE CALIBRAÇÃO E VALIDADE DOS MODELOS A metodologia de calibração e validação a ser seguida é a apresentada na publicação Um Sistema Computacional de Hidrodinâmica Ambiental Capítulo 1 (pp 1-161) do livro Métodos Numéricos em Recursos Hídricos 5. Tipicamente na utilização do SisBaHiA obtêm-se: Coerências entre valores medidos e valores computados de níveis de água são em geral melhores que 90%. Após calibração é usual que sejam superiores a 95%. Coerências entre valores medidos e valores computados de velocidade e direção de correntes são usualmente melhores que 70%. Após calibração é comum ter-se coerências superiores a 90%. Coerências entre valores medidos de concentração de contaminantes ou parâmetros de qualidade de água são semelhantes às verificadas para velocidade e direção de correntes. Como os modelos de transporte de contaminantes recebem como dados de entradas os resultados de níveis e correntes dos modelos hidrodinâmicos, a confiabilidade dos modelos de transporte é intrinsecamente função da qualidade dos resultados hidrodinâmicos. Para atingir tais coerências foi necessário atender às seguintes condições: Garantir que a geometria do corpo de água no sistema de modelos esteja correta e seja condizente com a existente na época de medição de níveis e correntes. Discrepâncias em dados de batimetria e contornos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados. Garantir que os forçantes dos escoamentos, ex. curvas de maré, ventos e vazões fluviais, estejam corretamente no sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de níveis e corren- 24

42 tes. Erros na especificação dos forçantes dos escoamentos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados. Garantir que as intensidades das fontes contaminantes e os parâmetros das reações cinéticas tenham sido corretamente fornecidos ao sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de concentrações. Erros na especificação de intensidades de fontes e parâmetros de reações cinéticas são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados. A calibração de modelos de hidrodinâmica ambiental é um processo que deve obedecer à seguinte ordem: Nível 1. Calibração geométrica: aferir se a modelagem digital do terreno do domínio de modelagem, feita através da malha de discretização, representa adequadamente os contornos e a batimetria da região de interesse. Para isso, deve haver dados batimétricos e levantamentos topo hidrográficos condizentes com as necessidades. Nível 2. Calibração hidrodinâmica: aferir se os modelos hidrodinâmicos representam adequadamente a variação de níveis de água e correntes na região de interesse, sob diferentes condições, ex., marés de sizígia e de quadratura, ventos e vazões. Para isso é necessário que, além da boa modelagem digital do terreno, haja informações corretas sobre os forçantes da circulação hidrodinâmica, tais como ventos, marés e vazões afluentes. Nível 3. Calibração de qualidade de água: aferir se os modelos de transporte de escalares, usando as correntes e níveis dos modelos hidrodinâmicos, são capazes de representar adequadamente as concentrações de parâmetros de qualidade de água ao longo do tempo. Para isso, é necessário que, além das correntes e níveis, haja informações corretas sobre fontes poluentes e sobre taxas de reação de parâmetros não conservativos, ex. OD, DBO e coliformes termotolerantes. 25

43 Não é razoável querer obter uma boa calibração Nível 3 sem previamente obter uma boa calibração Nível 2, que por sua vez depende da calibração Nível 1. Quanta à validade dos modelos, no caso de se ter que desenvolver modelos com carência de dados, deve ficar claro que modelagem é um processo evolutivo e que todos os modelos têm um viés qualitativo, apesar do forte viés quantitativo inerente a modelos matemáticos, numéricos e computacionais. Isto é, não é incomum se desenvolver modelos com dados parciais com viés qualitativo mais pronunciado. E, à medida que dados mais detalhados são obtidos, os modelos evoluem com calibrações mais refinadas, diminuindo o viés qualitativo e aumentando a confiabilidade quantitativa em diagnósticos e prognósticos MODELAGEM HIDRODINÂMICA AMBIENTAL Foi implementada uma base de dados no SisBaHiA, para realização de modelagens computacionais multidimensionais para estudos de circulação hidrodinâmica e transporte de escalares como salinidade (ROSMAN, 2010). A base de dados a ser desenvolvida possibilitou simulações computacionais que permitiram, por exemplo: Caracterizar a circulação hidrodinâmica na situação atual, possibilitando um melhor entendimento da dinâmica da Lagoa Rodrigo de Freitas, a influência das marés, dos rios e dos ventos. Igualmente para situações projetadas, fornecendo respostas para o projeto de melhorias através da ligação da Lagoa com o mar via dutos afogados quantificando seus resultados em termos de aumento de intensidade de correntes, padrões de salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio e taxa de renovação das águas IMPLANTAÇÃO DE BASES DE DADOS PARA MODELAGEM A estratégia geral do SisBaHiA é fundamentada em bases de dados, e objetiva dar confiabilidade e facilidade de manipulação de dados e resultados aos usuários (ROSMAN, 2010). O SisBaHiA adota um sistema hierárquico de base dados da seguinte forma: 26

44 1. Base de Dados Selecionada: seleciona-se a Base de Dados pertinente ao caso de interesse através da interface do SisBaHiA dentre as muitas que podem ter sido criadas. Novas bases podem ser facilmente criadas quando necessário pela interface do SisBaHiA. 2. Projeto de Modelagem Selecionado: seleciona-se através da interface do SisBaHiA o Projeto de Modelagem desejado dentre os muitos que podem ter sido criados na Base de Dados Selecionada. Novos Projetos de Modelagem podem ser facilmente criados e inseridos na Base de Dados Selecionada, através da interface do SisBaHiA. 3. Domínio e Malha Selecionado: seleciona-se diretamente na interface do SisBaHiA o domínio e respectiva malha de discretização desejados dentre os muitos que podem ter sido criados dentro do Projeto de Modelagem Selecionado. Novos Domínios & Malhas podem ser implementados quando necessário através da interface do SisBaHiA, e ferramentas de discretização associadas. 4. Modelos Hidrodinâmico e Modelo de Geração de Ondas Selecionado: seleciona-se diretamente através da interface do SisBaHiA o Modelo Hidrodinâmico ou o Modelo de Geração de Ondas representativo do cenário de interesse, dentre os muitos que podem ter sido montados e associados com o Domínio e Malha de interesse. Cada cenário de interesse com suas condições de contorno e forçantes próprios terá seu respectivo modelo hidrodinâmico e modelo de geração de ondas. A mesma malha de um domínio pode ser usada para tantos modelos hidrodinâmicos 2DH ou 3D, ou modelos de geração de ondas que se queira montar. Novos modelos hidrodinâmicos ou de geração de ondas associados a qualquer Domínio & Malha existentes podem ser facilmente criados e montados quando necessário através da interface do SisBaHiA. 27

45 5. Modelos de Transporte de Escalares: selecionados dentre os muitos que podem ter sido montados e associados com um Modelo Hidrodinâmico Selecionado. Novos modelos de transporte podem ser facilmente criados e montados quando necessário, via interface do SisBaHiA. O SisBaHiA oferece os seguintes tipos de modelos de transporte: a) Modelos de Transporte Euleriano para escalar genérico. b) Modelos de Qualidade de Água e Eutrofização são modelos de transporte Euleriano interligados para 11 escalares representando de parâmetros de qualidade de água com reações cinéticas acopladas. c) Modelos de Transporte Lagrangeano determinísticos e probabilísticos. 6. Modelo de Propagação de Ondas: seleciona-se diretamente na interface do SisBaHiA o modelo de propagação de ondas desejado. Por usar discretização automática via grade de diferenças finitas, a partir do nível 2, tal modelo segue outra linha de hierarquia. Novos Modelos de Propagação de Ondas podem ser implementados quando necessário através da interface do SisBaHiA, e ferramentas de discretização associadas. A estrutura hierárquica de banco de dados do SisBaHiA, entre outras vantagens, induz o usuário a seguir uma metodologia consistente de modelagem, impede a dissociação entre dados de entrada e resultados obtidos, impede a dissociação entre malhas e modelos, impede a dissociação entre modelos hidrodinâmicos e modelos de transporte, facilita o desenvolvimento de modelos derivados, etc. Os modelos hidrodinâmico, de transporte euleriano e de qualidade de água foram os utilizados no desenvolvimento do estudo proposto. 28

46 COLETA DE DADOS DISPONÍVEIS Dados secundários disponíveis por ocasião dos estudos da Lagoa Rodrigo de Freitas por ROSMAN em 2009 e pelo LNEC entre 1999 e Além dos dados disponíveis no EIA- RIMA de 2002 que foram coletados. Entre os dados, destacam-se: Dados de batimetria e linha de orla da situação atual e da situação projetada com a implantação das obras de melhoria. Dados de vazões fluviais médias que foram consideradas ATIVIDADES DE MODELAGEM As atividades de modelagem envolvem: Implementação de base de dados para modelagem da bacia da Lagoa Rodrigo de Freitas através do SisBaHiA dedicada ao estudo. Simulações de cenários descritos. Quanto aos cenários de modelagem, devem ser consideradas duas etapas: 1. Etapa de modelagem hidrodinâmica ambiental objetivando definição do tipo e dimensionamento da ligação lagoa-mar. Tal etapa é o foco dos cenários de modelagem propostos, no que concerne à ligação lagoa-mar via dutos afogados. 2. Etapa de modelagem de aspectos ambientais mais abrangentes, focando em Modelagem Hidrodinâmica, Transporte Euleriano e Qualidade de Á- gua. 29

47 5.3. DADOS CONSIDERADOS NAS SIMULAÇÕES Apresenta-se a seguir os dados considerados nas modelagens realizadas BATIMETRIA As informações relativas à batimetria, incluindo os contornos de margens, utilizadas neste estudo foram obtidas através de dados secundários disponíveis por ocasião dos estudos da Lagoa Rodrigo de Freitas pelo LNEC entre 1999 e 2001, além dos dados disponíveis no EIA-RIMA de A batimetria atual, como vista pelo modelo, está apresentada na Figura DADOS DE MARÉ As curvas de maré geradas a partir de constantes harmônicas da maré sintética da região estudada estão apresentadas na Tabela 2 e ilustradas na Figura 8, conforme informações da Diretoria de Hidrografia e Navegação da Marinha do Brasil. As principais constituintes astronômicas são a M2, S2, O1 e K1, tendo todas elas amplitudes superiores a 5 cm. O quociente entre as amplitudes das principais constituintes diurnas e semi-diurnas é de 0.36, o que indica uma maré semi-diurna com desigualdades diurnas. Para as simulações do modelo da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões adjacentes é considerado o registro de maré da Figura 9. 30

48 Tabela 2. Principais constantes harmônicas referentes à região estudada, listadas pela significância da amplitude. CONSTANTE AMPLITUDE (M) FASE (GRAU) M S O K K M N Q P MS MN mu N M nu T MNS L SN M MO OO MK

49 Figura 8: Curva de maré típica da região estudada, ao longo de 30 dias, considerando apenas as constantes harmônicas listadas na Tabela 2. Figura 9: Registro de maré da região estudada, ao longo de 30 dias, ilustrando as condições usadas na modelagem da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões adjacentes. 32

50 DADOS DE VENTO Os dados de vento para modelagem da circulação hidrodinâmica podem ser fornecidos de diversas formas ao modelo. Os dados podem ser desde constantes no tempo e uniformes no espaço, até totalmente variáveis no tempo e variados no espaço. O fornecimento de dados de vento variados no espaço depende da disponibilidade de medições, que em geral só são efetuadas em pontos esparsos. Assim, é mais comum alimentar o modelo com dados de vento variáveis no tempo mas uniformes no espaço. Considerou-se campos de ventos uniformes no espaço, e com intensidade variável de 30 em 30 minutos seguindo os padrões usuais, conforme se apresenta na Figura 10. Os padrões de frente fria com intensidades variáveis de 60 em 60 minutos estão apresentados na Figura

51 Figura 10: Gráfico da série temporal de ventos usuais fornecida ao modelo como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais. 34

52 Figura 11: Gráfico da série temporal de ventos de frente fria fornecida ao modelo como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais VAZA (LODO) O fundo da LRF é recoberto por uma camada espessa e irregular de sedimento, principalmente, de granulometria de areia média, de 30% a 80% e areia fina com 7% a 30% (BRITO & LEMOS, 1982). Como as águas do fundo da LRF são total ou parcialmente estagnadas, o 35

53 sedimento é composto por uma vaza muito fina onde são retidos metais pesados e gases tóxicos. A vasa (lodo) de coloração cinza escura é formada por material vegetal que prolifera na LRF, e material orgânico em decomposição procedente de esgotos, esse material se a- cumula no fundo devido ao efeito da floculação e da gravidade em momentos de marés cheias. O gás sulfídrico (H 2 S) proveniente do lodo, quando na superfície da LRF, gera o o- dor fétido, sulfuroso e falta de oxigenação das águas superficiais, fato que dificulta a respiração dos peixes e tem potencial de provocar mortandades. A formação de vasa negra no substrato é um fenômeno natural, pois suas águas são relativamente plácidas e recebem há muito tempo o afluxo de detritos inorgânicos, proveniente dos ecossistemas aquáticos e terrestres. A decomposição da matéria orgânica presente nos sedimentos pode representar uma parte significativa do consumo de oxigênio no corpo de água (MACHADO, 2009). A demanda biológica de oxigênio (DBO) pode ser dividida em duas partes (ROSMAN, 2010): 1. DBO carbonácea: demanda de oxigênio dissolvido para decompor a matéria orgânica; 2. DBO nitrogenada: demanda de oxigênio dissolvido devido à nitrificação. Neste modelo, a DBO é representada apenas pela parte carbonácea. Na Figura 12 ilustrada a estimativa da espessura do lodo não consolidado que foi considerado nas simulações de DBO como fonte sem vazão líquida. Naquela ocasião, no ano de 2000, o volume total calculado de lodo não consolidado era de ~ m³. 36

54 Figura 12: Estimativa da espessura da vaza (lodo não consolidado) existente em 2000,resultando da diferença entre os ecos de baixa e alta freqüência (ROSMAN, 2009) VAZÃO DOS RIOS E SAÍDAS Os dados referentes às vazões dos rios considerados na modelagem, foram dados secundários disponíveis nos estudos de hidrodinâmica ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas realizado por ROSMAN em Foram considerados dois rios na região modelada além de quatro saídas. As vazões médias adotadas estão apresentadas na Tabela 3: 37

55 Tabela 3: Vazões médias dos rios e saídas adotadas para a modelagem. RIOS E SAÍDAS Q M (L/S) Rios Macacos e Cabeças Saída Vasco 1.0 Saída Hípica 1.0 Saída Rebouças 20.0 Saída Leblon CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS AFOGADOS Em linhas gerais indo da Lagoa para o mar, o Canal do Jardim de Alah seguiria no alinhamento atual aproximadamente até onde se encontra a atual comporta. Daquele ponto em diante, ao invés de seguir via canal dividindo as praias de Ipanema e Leblon, o fluxo seria captado por dutos afogados. Tais dutos seriam enterrados sob a areia e aflorariam em desemboque submerso para além da linha batimétrica de 10 m. A praia de Ipanema-Leblon deixaria ser dividida e passaria a ser uma faixa contínua de areia. A Figura 13 mostra a concepção proposta. As características dos referidos dutos estão expostas na Tabela 4: Figura 13: Esquema da ligação da lagoa ao mar via dutos afogados (ROSMAN, 2009). 38

56 Tabela 4: Características adotadas para a modelagem com dutos afogados. NOME DUTOS AFOGADOS LRF-MAR Comprimento (m) Área Hidráulica (m²) 4 dutos Raio Hidráulico (m) 0.65 Ampl. Rug. Equiv. (m) 0.01 Perda Carga A 0.10 Perda Carga B 0.80 Outras Perdas 1.04 Comporta Basculante Ausente 39

57 6. PROGNÓSTICO AMBIENTAL O prognóstico ambiental foi realizado objetivando antecipar situações ambientais projetadas após implantação dos dutos afogados PROGNÓSTICO DA HIDRODINÂMICA AMBIENTAL DA LRF O prognóstico da hidrodinâmica ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas tratou especificamente das situações projetadas referente à variação de níveis de água, circulação hidrodinâmica e renovação das águas VARIAÇÃO DE NÍVEIS DE ÁGUA Os níveis de água da Lagoa Rodrigo de Freitas têm sido mantidos em cotas que, em média, ficam cerca de 50 cm acima do nível médio do mar (NMM) na praia de Ipanema-Leblon. A persistência de níveis tão altos é devida aos bloqueios da embocadura do canal por areia e às operações da comporta. Ambos os motivos mantém a lagoa estagnada (ROSMAN, 2009). A Figura 14 mostra os níveis de água, apresenta valores de salinidade medidos na boca do Canal do Jardim de Alah junto ao Clube Caiçaras, e valores de precipitação de chuva na bacia da Lagoa Rodrigo de Freitas entre setembro e novembro de

58 Figura 14: Níveis de água medidos na Lagoa Rodrigo de Freitas e no mar entre setembro e novembro de 1999 (ROSMAN, 2009). Podemos observar que ao longo dos mais de dois meses de medição, apenas durante cerca de 10 horas, ou menos que 0.7% do tempo total, a salinidade na seção de medição apresentou valores equivalentes à da água do mar, com valores superiores a 30. Isso implica em que, durante mais de dois meses o canal do Jardim de Alah praticamente funcionou apenas como canal de extravasamento, evidenciando que não ocorreu qualquer entrada significativa de água do mar na lagoa. Dessa forma durante esse período a renovação das águas da lagoa com água do mar foi praticamente zero; as entradas de peixes e larvas do mar para a lagoa foram igualmente desprezíveis. Outra questão a ser observada é que não há correlação entre os níveis da lagoa e o nível médio do mar. Isso ocorre, pois estando o nível de água (NA) da lagoa quase sempre acima do NA do mar, não haveria como entrar água do mar para a lagoa. Observa-se que as modificações de NA da Lagoa decorrem basicamente de eventos de chuva na bacia e de operações de comporta no canal. Tais operações permitem o extravasamento das á- guas da Lagoa para o mar, após dragagem do bloqueio de areia na embocadura. 41

59 Analisando os prognósticos na Figura 15, foi observado que o cenário de frente fria e vento usual apresentaram características muito próximas. O nível médio da Lagoa Rodrigo de Freitas ficaria sempre correlacionado ao nível médio do mar. As oscilações de nível da lagoa ocorreriam seguindo as marés, contudo com amplitudes atenuadas na ordem de 70%, em ambos os cenários. Quanto aos níveis médios diários, verifica-se uma atenuação da ordem de 8% (Frente Fria) e 10% (Vento Usual) e uma defasagem da ordem de 12 horas entre os NM diários na LRF e no mar. Comparando os níveis históricos na Lagoa Rodrigo de Freitas, mostrados na Figura 14, com níveis projetados mostrados na Figura 15, conclui-se que haveria um rebaixamento do nível médio diário da ordem de 10 cm. 42

60 Figura 15: Prognóstico de níveis de água na Lagoa Rodrigo de Freitas em função das variações do nível do mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 43

61 CIRCULAÇÃO HIDRODINÂMICA A Lagoa Rodrigo de Freitas não tem apresentado nos últimos anos estratificação vertical de densidade (MARQUES, 2009). Utilizou-se por isso um modelo bidimensional, integrado na vertical, para analisar a hidrodinâmica. A Figura 16 apresenta um mapa com a malha de discretização e a batimetria do domínio de interesse no cenário projetado da LRF e zona costeira adjacente utilizando os dutos afogados descrito anteriormente. Figura 16: Domínio modelado da Lagoa Rodrigo de Freitas e zona costeira adjacente no cenário projetado com os dutos afogados, indicando a malha de discretização em elementos finitos e a batimetria atual referente ao nível médio do mar. 44

62 Assim como ocorrido com a variação dos níveis de água da LRF, a circulação hidrodinâmica para os cenários de frente fria e vento usual apresentaram características similares. A circulação resultante da entrada da água do mar via dutos afogados e o vento seria ainda fraca, como pode ser observado da Figura 18 a Figura 25, onde estão representados, os padrões típicos da enchente e da vazante nas marés de quadratura e sizígia na Lagoa. Verifica-se nas figuras que, exceto em região próxima ao Canal do Jardim de Alah, as velocidades são pequenas. Dessa forma, a prática de remo na Lagoa não sofreria qualquer prejuízo. No entanto, no Canal Jardim de Alah as velocidades seriam mais elevadas. Além disso, a maré é muito pequena em relação à onda de maré, o nível d água na Lagoa oscila praticamente como uma superfície horizontal, o que implica em gradientes de pressão muito pequenos e, conseqüentemente, correntes fracas. Observa-se ainda que as velocidades de corrente durante a enchente são maiores do que na vazante, principalmente pelo fato da perda de energia que ocorre no fluxo de entrada no duto (vazante) ser maior do que a perda de energia que ocorre no fluxo de saída do duto (enchente). Quanto aos ventos, as condições de brisa consideradas nas simulações também não são capazes de gerar correntes fortes, mas devemos destacar que elas podem contribuir para evitar a estratificação da coluna d água e melhorar a homogeneização horizontal das massas d água. Quanto à influência dos rios, verifica-se uma pequena diferença para as situações de enchente e vazante. Na vazante, quando o fluxo do rio fica a favor da maré, as correntes são um pouco maiores do que na enchente, contudo ainda assim, muito pequenas. Os volumes que entrariam e sairiam da Lagoa Rodrigo de Freitas a cada dia não devem ser entendidos como trocas de massas d água, pois parte do volume que sai é o mesmo que entra. No item Renovação das Águas será abordado a renovação das águas na LRF em função das trocas efetivas de massas de água entre a Lagoa e o mar. As vazões médias calculadas seriam da ordem de 10 m³/s em marés de sizígia e em marés de quadratura na ordem de 8 m³/s. Os volumes por dia que entrariam e sairiam da LRF seriam da ordem 755 m³/d nas marés de sizígia e 569 m³/d nas de quadratura. Na Tabela 5 é apresenta- 45

63 do um resumo das vazões médias e volumes de água diários da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados. Tabela 5: Resumo de vazões médias e volumes de água diários que entrariam e sairiam da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados. MARÉS DE SIZÍGIA MARÉS DE QUADRATURA Vazão média Volume/dia Vazão média Volume/dia 10 m³/s 755m³/d 8 m³/s 569m³/d Figura 17: Vazões no Canal Jardim de Alah com ligação Lagoa-Mar via dutos afogados. 46

64 Figura 18: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

65 Figura 19: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

66 Figura 20: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

67 Figura 21: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

68 Figura 22: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos de frente fria, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

69 Figura 23: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos usuais, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

70 Figura 24: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos de frente fria, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

71 Figura 25: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos usuais, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura

72 RENOVAÇÃO DAS ÁGUAS Em geral o termo tempo de residência no ambiente estuarino é usado para designar o tempo médio em que o material dissolvido e particulado fica retido no estuário antes de serem transportados para o oceano adjacente (GÓMEZ-GESTEIRA et al., 2003). O tempo de residência é um parâmetro conveniente que representa na escala de tempo os processos de transporte físicos que ocorrem nestes ambientes, e muitas vezes são usados como parâmetros de comparação na escala de tempo de processos biogeoquímicos (CUCCO & UMGIESSER, 2006). Na situação atual a deficiente ligação da Lagoa com o mar através do Canal do Jardim de Alah é resultante da obstrução freqüente da respectiva embocadura, motivada pela deposição de areias movimentadas pela agitação marítima. Embora haja um grande esforço de limpeza desta zona do Canal, por dragagem mecânica localizada e (quase) permanente, ele não tem sido suficiente para controlar o assoreamento do Canal ao longo da sua extensão até à Lagoa Rodrigo de Freitas. Como conseqüência, a troca de massas d água entre a Lagoa e o mar é deficiente, reduzindo a renovação das águas, o que repercute na degradação da qualidade da água (AMBIENTAL, 2002). Verificou-se pelos resultados do modelo de circulação hidrodinâmica, que as correntes na LRF continuariam com pequenas magnitudes. Sendo assim, torna-se necessário, além de mais realístico, considerar a atuação de ventos locais, os de frente fria e os ventos usuais, além da variação da maré. Os resultados apresentados mostram que em ambos os casos a taxa de renovação são muito próximas, dessa forma será considerado o mesmo tempo de residências para os dois cenários. Aplicando um modelo de bidimensional de transporte euleriano ao resultado hidrodinâmico, obteve-se o mapeamento do tempo de residência previsto após a implantação dos dutos afogados. Os modelos foram rodados até não haver mais locais com concentração superior a 10% da inicial. A Figura 26 apresenta a identificação e localização das estações que são mencionadas no presente capítulo. 55

73 Figura 26: Identificação e localização das estações, saídas e rios considerados na modelagem. Os gráficos da Figura 27 apresenta as taxas de renovação das águas na LRF em diferentes estações. Os cruzamentos de cada curva com as linhas indicadas, e representam os tempos transcorridos para renovação de 20%, 50% e 90% das águas nas respectivas estações. Como se pode observar, exceto para as regiões mais próximas do Canal do Jardim de Alah, como na estação Lagoa-SW, as taxas de renovação de água 56

74 pelo escoamento médio na coluna de água são bastante similares. O tempo para renovação de 50% das águas da LRF nas diferentes estações varia de 3 a 12 dias, sendo mais rápido na região próxima do Canal do Jardim de Alah e mais lento na extremidade NE da LRF. Mostra também que após cerca de 30 dias quase 90% das águas da LRF foram renovadas, em todos os pontos. Analisando os mapas (Figura 28 a Figura 32) juntamente com o gráfico da Figura 27 obtêm-se uma boa idéia da efetividade da renovação das águas da LRF propiciada pela ligação lagoa-mar. Destes mapas observamos que o tempo de residência é variável na área da Lagoa, pela composição das áreas de diferentes colorações no decorrer dos dias de simulação, estima-se um tempo de residência de cerca de 20 a 30 dias para a Lagoa como um todo. Levando em conta efeitos tridimensionais, e o fato da água do mar ser mais fria e salgada que as águas da Lagoa, a renovação real seria mais rápida. Isso ocorreria, porque águas mais frias e salgadas nas marés enchentes iriam para o fundo, e nas vazantes as á- guas que sairiam seriam águas misturadas, menos salgadas e mais quentes da Lagoa. Portanto haveria trocas mais efetivas devido à circulação residual por diferença de densidade que, pelo fundo ocorreria no sentido do interior da Lagoa e pelas camadas mais superficiais no sentido do Canal do Jardim de Alah. Desta forma, os dutos afogados tornariam a qualidade da água da Lagoa melhor, reduzindo o tempo de residência, tendo em vista que atualmente, a LRF tem sua comunicação com o mar bloqueada pelo assoreamento, sendo rompida esporadicamente ou necessitando de permanentes dragagens. 57

75 Figura 27: Tempos de renovação efetiva das águas em diferentes regiões da Lagoa Rodrigo de Freitas. Os cruzamentos de cada curva com as linhas indicadas, e representam os tempos transcorridos para renovação de 20%, 50% e 90% das águas na respectiva estação; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 58

76 Figura 28: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 1.0 hora após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 59

77 Figura 29: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 5 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 60

78 Figura 30: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 10 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 61

79 Figura 31: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 20 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 62

80 Figura 32: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 30 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 63

81 6.2. PROGNÓSTICO DA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LRF O prognóstico da qualidade das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas tratou das situações projetadas referente aos parâmetros físico-químicos de salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido (OD) e demanda bioquímica de oxigênio (DBO). A distribuição temporal dos parâmetros contemplados no presente capítulo está da Figura 33 a Figura 36. No decorrer dos 60 dias modelados após abertura dos dutos, podemos observar que em aproximadamente 10 dias os parâmetros analisados encontram-se estabilizados. Também foi observado que não houve alterações significativa entre os cenários de frente fria (inverno) e vento usual (verão), exceto para temperatura que apresentou maiores valores pra o cenário de vento usual (verão). Os parâmetros apresentaram valores dentro do esperado. A salinidade no decorrer dos dias apresentou maiores valores nas estações próximas ao canal Jardim de Alah, o que era previsto, já que o canal é a ligação da lagoa com o mar. Os menores valores foram registrados próximo ao deságüe dos rios e saídas. Dessa forma pode-se observar um gradiente de salinidade na área da Lagoa Rodrigo de Freitas. Para a temperatura foi observado além da diferença entre os valores nos cenários (verão e inverno), gradiente de temperatura onde menores valores foram observados próximo ao cana Jardim de Alah, devido a influência das águas do mar que entram na LRF. Maiores valores foram registrados nas estações a norte, que apresentam menores profundidades. O OD e a DBO apresentaram em média valores em discordância com o permitido pelo CONAMA 357 (OD> 5mg/L e DBO< 5mg/L) nas regiões mais ao norte da LRF. Vale apena ressaltar que os valores iniciais que geraram tais resultados foram baseados nos estudos do EIA/RIMA de

82 Figura 33: Distribuição temporal da salinidade nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 65

83 Figura 34: Distribuição temporal da temperatura nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. 66

84 Figura 35: Distribuição temporal do OD nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 67

85 Figura 36: Distribuição temporal do DBO nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. 68

86 SALINIDADE Dentre os parâmetros base para a compreensão dos processos que controlam a qualidade de água de um sistema costeiro, a salinidade é fundamental por ser um fator de controle da força iônica da água, que é determinante para as velocidades reacionais. A salinidade é ainda um parâmetro de referência fundamental pelo fato de condicionar o tipo de espécies biológicas que podem ou não utilizar o meio em questão como seu habitat permanente ou em algumas das fases do seu ciclo de vida. Dados de salinidades na LRF medidos nas décadas de 60, 70 e 80 mostram um padrão freqüentemente de estratificação salina bem definida, com salinidades variando entre 15 e 23 numa camada superficial de ~ 1.5 m, e valores entre 19 e 31 na camada abaixo até o fundo (LNEC, 2000). Segundo (ROSMAN, 2009), em fevereiro de 1996 houve uma súbita mudança no padrão de salinidades da LRF que persistiu pelo menos até 2000, pelas seguintes razões: No final de 95 e início de 96 foi feito um engordamento de ³m³ na praia do Leblon. Tal engordamento foi executado de modo inadequado, resultando em uma praia relativamente baixa e excessivamente larga. Por conta disto, a embocadura do Canal do Jardim de Alah passou a ser fortemente assoreada, e desenvolveu-se uma verdadeira soleira de areia em sua frente. Desde então o canal passou a funcionar como canal extravasor, permitindo a água do mar entrar muito raramente; Medições feitas em Set-Nov/99 comprovam que o canal do Jardim de A- lah passou a se comportando como um canal extravasor. Ao longo de mais de dois meses de medições, ou aproximadamente 1500 horas, só durante cerca de 10 horas entrou água do mar na Lagoa. Em termos percentuais, em 99,3% do tempo ou o canal funcionou como extravasor, ou 69

87 estava obstruído, já que em apenas 0,7% do tempo entrou água salgada na Lagoa. Atualmente a Lagoa é um sistema bem misturado, tanto vertical quanto horizontalmente. A salinidade média é da ordem de 12 a 14, ou seja, bem mais baixa do que a salinidade na zona costeira. O canal Jardim de Alah apresenta grandes variações de salinidade ao longo de sua extensão, em particular quando permite a admissão de maré oceânica, com valores próximos da salinidade do mar na extremidade marítima (MARQUES, 2009). A Figura 37 apresenta a identificação e localização das estações que são mencionadas no capítulo

88 Figura 37: Identificação e localização das estações de salinidade assim como os valores a- dotados nas saídas e rios considerados na modelagem. Como condição inicial, foi considerada uma salinidade da Lagoa de 14 e a do mar de 34. Com o passar dos dias, em marés enchentes e vazantes (Figura 40 a Figura 46), a gradação da salinidade mostrou-se crescente em direção ao Canal Jardim de Alah e decrescente em direção à afluência dos rios Macacos e Cabeças junto da Ilha Piraquê e saída Rebouças. Pôde-se constatar que depois desse período a LRF sofreria uma grande modifi- 71

89 cação em relação a esse parâmetro. A gradação da salinidade apresentada é tipicamente de sistemas estuarinos, o qual favorece a diversidade biológica. Vale a pena ressaltar que os resultados modelados são valores de salinidade médios na coluna de água. Contudo, efeitos tridimensionais causados por diferenças de densidade mostram na realidade uma situação de estratificação salina dinâmica da coluna d água, com salinidades menores nas camadas superficiais e maiores no fundo, como ilustrado na Figura 38 e na Figura 39. Figura 38: Perfis de correntes e salinidades valores médios por ciclo de maré, em um plano vertical que vai do Canal do Jardim de Alah até as proximidades da Ilha do Piraquê. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de Alah, como projetado na COPPE em Figura adaptada de (MARTINS & ROSMAN, 1999). 72

90 Figura 39: Padrões de salinidades médias por ciclo de maré, em seis planos horizontais: z = 0,1m; z = 0,5m; z = 1,0m; z = 2,0m; z = 3,0m e z = 3,5m. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de Alah, como projetado na COPPE em 1992, em simulação dinâmica puramente com marés astronômicas e vazão fluvial de 1,0 m³/s, não se considerou vento nem marés meteorológicas. (Em cinza aparecem as regiões mais rasas do que a cota do plano do corte). Figura adaptada de MARTINS & ROSMAN,