HELINE ALVES DE OLIVEIRA APLICAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO HIDRODINÂMICO DELFT3D NA BAÍA DE GUANABARA

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO MONTE SERRAT HELINE ALVES DE OLIVEIRA APLICAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO HIDRODINÂMICO DELFT3D NA BAÍA DE GUANABARA Santos 2009

2 HELINE ALVES DE OLIVEIRA APLICAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO HIDRODINÂMICO DELFT3D NA BAÍA DE GUANABARA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro Universitário Monte Serrat como exigência parcial para a obtenção do Título de Bacharel em Oceanografia. Orientador: Prof. MSc. Alessandro Augusto Rogick Athiê Co-orientador: Prof. Dr. Alessandro Luvizon Bérgamo Santos 2009

3 O48a Oliveira, Heline Alves, Aplicação do Modelo Numérico Hidrodinâmico Delft3D na Baía de Guanabara/ Heline Alves de Olivera f. : il. color. ; 30 cm. Orientador: Prof. MSc. Alessandro Augusto Rogick Athiê. Co-orientador: Prof. Dr. Alessandro Luvizon Bérgamo. Trabalho de conclusão de curso (graduação) - Centro Universitário Monte Serrat, Curso de Oceanografia, Modelagem Hidrodinâmica. 2. Baía de Guanabara. I. Oliveira, Heline Alves de. II. Aplicação do Modelo Numérico Hidrodinâmico Delft3D na Baía de Guanabara.

4 HELINE ALVES DE OLIVEIRA APLICAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO HIDRODINÂMICO DELFT3D NA BAÍA DE GUANABARA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro Universitário Monte Serrat como exigência parcial para a obtenção do Título de Bacharel em Oceanografia. Orientador: Prof. MSc. Alessandro Augusto Rogick Athiê Co-orientador: Prof. Dr. Alessandro Luvizon Bérgamo BANCA EXAMINADORA: Nome do examinador: Prof. Alessandro Augusto Rogick Athiê Titulação: Mestre Instituição: Centro Universitário Monte Serrat UNIMONTE Nome do examinador: Prof. Alessandro Luvizon Bérgamo Titulação: Doutor Instituição: Centro Universitário Monte Serrat UNIMONTE Local: Centro Universitário Monte Serrat UNIMONTE Data da aprovação: 17/06/2009

5 Aos meus amados Pais, Tunim e Bina, a quem devo tudo o que sou, tudo que tenho, e tudo que conquistei.

6 AGRADECIMENTOS Aos meus irmãos, Helen, Ique e Lucas e à minha Avó, Dona Ruth Miranda pelo apoio, pelo carinho e pela paciência, por estarem ao meu lado em qualquer momento, sob qualquer circunstância. Agradeço a Deus por vocês estarem no meu caminho. Aos amigos Michelle, Murilo, Gayson, Thiago, Bruno e César, amigos fiéis, companheiros de sempre. Obrigada por fazerem parte da minha vida. Ao Laboratório de Hidrodinâmica Costeira do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (LHiCo-IOUSP) pela autorização do uso da licença universitária (5E700060D540) do Modelo Numérico Hidrodinâmico Delft3D. Ao Prof. Miranda por disponibilizar o modelo, pela atenção e por sua disposição em auxiliar o trabalho. Ao Prof. Joseph Harari que me autorizou a cursar como ouvinte sua disciplina de Modelos Numéricos Aplicada a Processos Costeiros Estuarinos, facilitando assim a elaboração desse trabalho. As minhas Mães científicas, Gleyci Moser e Maria Fernanda Palanch por terem me apresentado à pesquisa cientifica e me orientado em outros trabalhos. Muito do que aprendi devo a vocês, obrigada. À Gleyci, por me hospedar no Rio, pela ajuda com o Abstrac e pela amizade. Ao Gianfranco, pelos conselhos e pelas risadas. À Tábata, Japa e Vanessa pela amizade. E, principalmente, ao meu orientador Prof. Dr. Alessandro Luvizon Bérgamo ( O Magnífico ), que não só aceitou me orientar como disponibilizou os dados amostrados durante a elaboração do seu doutorado para este trabalho. Obrigada pelo conhecimento transmitido, pela ajuda com o modelo e com o Matlab, pelas críticas, pela paciência. Obrigada acima de tudo, pela amizade. Valeu Zé!

7 As Aventuras de Calvin e Haroldo, por Bill Watterson. "Me transformei num tipo de máquina de observar fatos e formular conclusões." Charles Darwin

8 RESUMO Este trabalho tem por objetivo principal implementar o modelo numérico Delft3D para estudo das características hidrodinâmicas da Baía de Guanabara (RJ, Brasil). Para isso foram realizadas duas estações fixas, no inverno e verão austral (julho de e fevereiro de 2.001). Os dados amostrados foram utilizados para comparação com os dados simulados pelo modelo. A grade numérica foi produzida a partir da digitalização da carta náutica e inclusão da região costeira ao largo da Baía de Guanabara. As constantes harmônicas utilizadas como condição de contorno nas simulações foram obtidas com o programa PACMARE através da série de alturas horárias da maré, registrada na Ilha Fiscal. Para calibração do módulo barotrópico foram testados diferentes valores para o coeficiente de rugosidade de Manning (n). As simulações foram realizadas para o período de verão e inverno em diferentes cenários a fim de analisar as variações causadas pelo vento e pela descarga fluvial. Para comparação quantitativa entre os resultados simulados e amostrados, foi utilizado o índice Skill. As simulações realizadas para o período de inverno produziram os melhores resultados quando comparado aos dados amostrados. A adição de campo de vento constante não alterou significantemente os resultados obtidos apenas com a maré. A adição de descarga fluvial nas simulações produziu oscilações de maré e velocidades longitudinais mais próximas das amostradas. O modelo conseguiu reproduzir nas simulações o padrão de correntes observados experimentalmente na região e a oscilação prevista pelo programa PACMARE. As salinidades simuladas não apresentaram concordância com as amostradas. O índice Skill utilizado apresenta maior sensibilidade às diferenças de fase do que às de amplitude entre os dados simulados e amostrados. Entretanto, esse índice mostrou ser um bom parâmetro de comparação quantitativa. Palavras-chaves: Modelagem Hidrodinâmica. Baía de Guanabara.Delft3D.

9 ABSTRACT The goal of the present work is to implement a numerical model Delft3D for the study of Guanabara Bay (RJ, Brazil) hidrodynamic characteristics. Two anchored stations were performed during austral winter and summer (july/2000 and february/2001). In situ data were compared to the model simulate data. The numerical grid was produced from the digitalized nautical chart and inclusion of the coastal region off Guanabara Bay. Harmonic constants for boundaries were obtained using the program PACMARE through a series of hourly tide highs registered in Ilha Fiscal. For the barotropic model calibration different values for Manning s roughness coefficient (n) were tested. To analyze variations caused by winds and fluvial outflow, simulations were performed for summer and winter period in different scenarios. Skill index was applied to a quantitative comparison between simulated and in situ data. Best results were produced in the winter simulation. The constant wind field addition did not change considerably the results obtained when just tidal data were analyzed. The addition of fluvial outflow in the simulations produced tidal oscillations and longitudinal velocities similar to in situ data. Experimental current pattern and forecasted oscillation from PACMARE program were satisfactory simulated by the model. In the other hand, simulated salinity values differed from in situ data. The applied Skill index detected better fase differences than tidal amplitudes when comparing simulated and in situ data. However, this index can be used as a quantitative comparison parameter. Keywords: Hidrodynamic Modelling. Guanabara Bay. Delft3D.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Baía de Guanabara. Fonte: EMBRAPA - Monitoramento por Satélite, Modificada por BÉRGAMO, Figura 2- Bacia de Drenagem da Baía de Guanabara. Fonte: SEMA, Figura 3- Variação sazonal climatológica da descarga fluvial média mensal na Baía de Guanabara. Fonte: KJERFVE et al., Figura 4- Seções Hidrológicas da Baía de Guanabara (Modificado por MAYR et al., 1989). Fonte: PUC-Rio Figura 5- Distribuição das isobatimétricas (a) e relevo do fundo submarino (b) da Baía de Guanabara, obtidos através da digitalização da Carta DHN. Fonte: BÉRGAMO, Figura 6- Variação da Temperatura e da Salinidade média em 13 estações de monitoramento da FEEMA. Modificado por KJERFVE et al. (1997) Figura 7- Distribuição dos pontos de pressão e componentes da velocidade utilizadas no sistema de grade do modelo Delft3D. Fonte: RIBAS, Figura 8 - Mapa da área de estudo com a localização das estações fixas (F 1, e F 3 ). Fonte: BÉRGAMO, Figura 9- Diagrama de decomposição do vetor velocidade de corrente Figura 10 Grade computacional gerada pelo programa Delft-RGFGRID e utilizada nesse estudo. Eixos horizontal e vertical indicam distâncias em metros. Fonte: BÉRGAMO et al., Figura 11 - Detalhes da grade computacional da região da entrada da Baía de Guanabara. Fonte: BÉRGAMO et al., Figura 12 - Batimetria interpolada com a grade numérica gerada pelo módulo Delft-GFGRID.. 52 Figura 13 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal, com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ Figura 14 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal, com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ no período de transição de maré de quadratura-sizígia Figura 15 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F1 em condições de maré de quadratura Figura 16 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F1 em condições de maré de sizígia Figura 17- Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F3 em condições de maré de quadratura Figura 18 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F 3 em condições de maré de sizígia... 61

11 Figura 19 - Simulações de oscilação da maré e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ, na Ilha Fiscal, em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 20 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17 de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 21 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as componentes longitudinal (v t ) e transversal (v t ) simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho Figura 22 - Velocidades longitudinais amostradas e simuladas para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, em situações de (a) quadratura no dia 07 de julho e (b) e sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 23 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho Figura 24 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadratura no dia 09 de julho e (b) e sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 25 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F1 em situações de (a) quadratura no dia 07 de julho e (b) e sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 26 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em condições de (a) quadratura no dia 09 de julho e (b) e sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 27 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 28 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 29 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Figura 30 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 31 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Figura 32 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 33 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas

12 Figura 34 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 35 - Simulações de oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 36 - Simulações de oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17 de julho Tempo inicial igual a 8 horas Figura 37 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Figura 38 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 39 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Figura 40 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 41 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 42 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 43 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 07 de julho, e (b) 09 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 44 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 15 de julho e (b) 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 45 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Figura 46 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 47 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de

13 Figura 48 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 49 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Figura 50 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 51 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 52 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 53 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 54 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 55 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 56 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia. no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 57 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 58 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 59 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 60 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 61 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 62 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas... 94

14 Figura 63 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 64 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de(a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 65 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 66 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 67 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 68 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 69 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 70 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 71 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 72 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de(a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 73 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 74 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 76 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 77 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de

15 Figura 78 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 79 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Figura 80 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 81 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas Figura 82 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas

16 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Períodos de medições nas estações fixas (F 1 e F 3 ) nos experimentos de inverno (julho/2000) e verão (fevereiro/2001) Tabela 2 Valores dos Parâmetros utilizados como Condições Iniciais Tabela 3- Parâmetros Físicos e numéricos utilizados nas simulações Tabela 4 - Amplitude e fase das principais constantes harmônicas calculadas pelo programa PACMARE (Franco, 2000) com alturas horárias do período de janeiro de 1988 a fevereiro de 2004 na Ilha Fiscal Tabela 5- Intensidade e sentido das médias sazonais de vento (m s -1 ) Tabela 6 Médias de drenagem continental, estimadas por KJERFVE, et al.,

17 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AP Antes do Presente; BG Baía de Guanabara; DENEMET - Departamento Nacional de Meteorologia; Embrapa Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária; Eq. Equação; FEEMA Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente; Fig. Figura; Hrs horas; IOUSP Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo; LhiCo Laboratório de Hidrodinâmica Costeira; RJ Rio de Janeiro; SEMA Secretaria do Meio Ambiente; UERJ Universidade Estadual do Rio de Janeiro; UFF Universidade Federal Fluminense; UNIMONTE Centro Universitário Monte Serrat; Tab. Tabela.

18 LISTA DE SÍMBOLOS 1D modelo unidimensional; 2DH modelo bidimensional na horizontal; 2DV modelo bidimensional na vertical; 3D modelo tridimensional; cm centímetros; d derivada; D ângulo entre o norte verdadeiro e o magnético (declinação magnética); Dd ângulo entre o norte magnético e o vetor velocidade de corrente; f parâmetro de Coriolis; F x tensão de cisalhamento de Reynolds na direção x; F y tensão de cisalhamento de Reynolds na direção y; g aceleração da gravidade; h a profundidade média da coluna de água; h(t) altura da coluna de água em função do tempo (profundidade local); K 2 declinação lunar solar; K 1 declinação lunar solar; K 2D difusão turbulenta horizontal; K 3D difusão turbulenta vertical; K mol viscosidade molecular; H max Altura máxima; Km Quilômetros; K H coeficiente longitudinal de difusão turbulenta; K v turbulência vertical; K max número máximo de camadas em profundidade; m metros; mm milímetros; M max número máximo de pontos de grade na direção x; M 2 Principal Lunar;

19 N 2 elíptica lunar; n coeficiente de Manning; N Norte, coordenada geográfica; N max numero máximo de pontos de grade na direção y; NE nordeste, coordenada geográfica; NW Noroeste, coordenada geográfica; O 1 principal lunar; O x,y,σ coordenadas cartesianas ortogonais; Ox,y,z coordenadas do plano cartesiano tri-dimensional; Ox eixo longitudinal (abscissa), orientado para norte; Oy eixo transversal (ordenada), orientado para leste; Oz eixo vertical, orientado em sentido contrário à g; Q 1 elíptica lunar; Q descarga fluvial; Q f aporte total de água doce no sistema estuarino; P 1 principal solar; p pressão; p a - pressão atmosférica; q in fluxo de massa para dentro do sistema; q out fluxo de massa para fora do sistema; Ri número de Richardson; S 2 principal solar; S (t) média espacial da salinidade; <S> média temporal da salinidade; < S (t) > - média espacial e temporal da salinidade; S s salinidade gerada por efeito baroclínico; S t salinidade gerada por efeito barotrópico; S sul, coordenada geográfica; SW sudoeste, coordenada geográfica; SSW sul-sudoeste, coordenada geográfica;

20 t instante de tempo; u componente do vetor velocidade de corrente orientada no sentido oeste-leste: valores positivos para leste; u a velocidade gerada por descarga fluvial; u t velocidade barotrópica; u s velocidade baroclínica; u velocidade residual; U componente longitudinal do vetor velocidade de corrente; u (t) velocidade média no espaço; <u> média da velocidade no tempo; < u (t) > média da velocidade no tempo e no espaço; v componente do vetor velocidade de corrente orientada no sentido sul-norte: valores positivos para norte; V vetor velocidade de corrente; X valores médios em profundidade; <X> média temporal da propriedade; Z profundidade adimensional ZC Zona costeira; ZM Zona de mistura; ZR Zona de maré do rio; W Oeste; w componente da velocidade na direção Oz; o C Graus Celsius; < menor; > maior; δs diferença entre a salinidade média no fundo e na superfície; ρ diferença entre densidade de fundo e superfície; η elevação da superfície livre; θ ângulo formado entre o vetor velocidade de corrente e o eixo das abscissas;

21 ρ densidade da água; σ profundidade adimensional; σ t anomalia da densidade à pressão atmosférica; Τ intervalo de tempo de um ou mais ciclos completos de maré; derivada parcial; Integral; τ tensão de cisalhamento; ς altura da superfície livre.

22 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ÁREA DE ESTUDO Evolução Geológica da Baía de Guanabara Bacia de drenagem da Baía de Guanabara Batimetria Aspectos Climatológicos Temperatura e Salinidade Ventos Marés Correntes Aspectos Estuarinos Ocupação e Degradação Ambiental JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos MATERIAIS E MÉTODOS Descrição dos Modelos de Circulação Hidrodinâmica Modelo Numérico Delft3D RGFGRID- Módulo para geração da grade numérica Programa de Pós - Processamento (GPP) Amostragem de Dados RESULTADOS Calibração do Módulo Barotrópico Simulações de Inverno Simulações de Verão DISCUSSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A Síntese dos Resultados Obtidos nas Simulações - Gráficos Comparativos entre os resultados simulados e os dados amostrados APÊNDICE B Síntese dos Resultados dos Índices Skill APÊNDICE C Campo de Velocidades Barotrópicas na Entrada da Baía de Guanabara

23 23 1. INTRODUÇÃO Os ambientes costeiros correspondem às áreas de transição entre os continentes e os oceanos, sofrendo influências tanto do ambiente marinho, como do continental (UERJ- PETROBRAS, 1991). As baías por sua vez, são trechos côncavos do litoral marinho ou lacustre (SUGUIO, 1992), com grandes superfícies livres e abrigadas da plataforma continental. São corpos de água muito grandes e complexos para serem classificados como estuários (PRITCHARD, 1952b), pois podem conter diversos estuários (SAMPAIO, 2003). Assim, esses ambientes podem ser classificados como zonas estuarinas (GEOPHYSICS STUDY COMMITTEE, 1977 apud. BÉRGAMO, 2006). Devido as suas potencialidades econômicas, as margens dos ambientes costeiros (estuários, baías, lagunas, etc.) são densamente povoadas e sofrem influência direta ou indireta de diversas atividades, como por exemplo, urbanas, recreativas, pesqueiras, portuárias, etc. Assim, as regiões estuarinas são muito exploradas, e vem sendo modificadas, direta ou indiretamente pela ação do homem (SCHMIDT, 2004). Um dos motivos para estudar os corpos de água costeiros, é entender como esse complexo sistema funciona (MIRANDA et al. 2002). Qualquer gerenciamento dos recursos hídricos de áreas estuarinas requer um adequado conhecimento dos padrões de correntes locais, através do estudo dos processos hidrodinâmicos e de transporte de substâncias que ocorrem nestas regiões (SCHMIDT, 2004). Os modelos numéricos hidrodinâmicos são cada vez mais usados para estudos, projetos e auxílio à gestão de recursos hídricos (ROSMAN, 1997). Alguns trabalhos utilizando modelagem numérica foram realizados na região da Baía de Guanabara (BG) dentre eles, VILELA (1992) estudou a circulação hidrodinâmica o efeito do vento na circulação da BG, XAVIER (1996) estudou o transporte de contaminantes no estuário do Rio Iguaçu Baía de Guanabara, MARTINS & ROSSMAM (1993) e OLIVEIRA (1998) modelaram a circulação gerada pelo efeito barotrópico da maré, ROSSO (1997) modelou o transporte de manchas de óleo em regiões e, SAMPAIO (2003) modelou a circulação forçada pelo vento e as trocas de massas de água da Baía de Guanabara.

24 ÁREA DE ESTUDO A Baía de Guanabara está localizada no litoral do Rio de Janeiro, entre a Restinga da Marambaia e o Cabo Frio (Fig. 1). Encontra-se entre as latitudes 22 o 41 e 22 o 58 S e longitudes 43 o 02 e 43 o 18 W. Sua área aproximada é de 380 Km 2 e seu volume médio de água é em torno de 1,87x10 9 m 3 (QUARESMA et al., 2000). A baía possui um perímetro de 131 km e espelho d água de 328 Km 2, sua entrada é de 1,6 Km, extensão máxima de 28 Km de leste a oeste e de 30 Km de norte a sul (KJERFVE et al., 1997). Figura 1- Baía de Guanabara. Fonte: EMBRAPA - Monitoramento por Satélite, Modificada por BÉRGAMO, 2006.

25 Evolução Geológica da Baía de Guanabara A Baía de Guanabara e seu sistema de bacias hidrográficas estão localizados em uma faixa de depressões terciárias, denominada Baixada Fluminense ou rift da Guanabara (RUELLAN, 1944; ALMEIDA, 1976; ASMUS & FERRARI, 1978; FERRARI, 1990; SILVA, 2003). Essa depressão ocorreu em sincronia com o soerguimento da Serra do Mar e ao Maciço Litorâneo. O rift da Guanabara orienta-se para NW (RUELLAN, 1944). A porção Norte do rift é formada pelas Serras das Araras e dos Órgãos e a porção Sul pelas Serras de Bangu, da Carioca e do Mato Grosso (FERRARI, 1990). Nos depósitos sedimentares da denominada Bacia da Baía de Guanabara, além das formações sedimentares recentes, pode-se distinguir três formações principais: Macacu, Caceribu e Magé (FERRARI, 2001). Segundo AMADOR (1980), a formação Macacu é constituída por camadas pouco espessas de sedimentos argilosos, areno-argilosos e argilo-arenosos. Esses depósitos estão associados a processos fluviais torrenciais em clima semi-arido durante o Pleistoceno Inferior a Médio. Esse autor afirma que a deposição da formação Macacu durou até o ultimo período glacial. Durante esse período, a drenagem da região era dirigida para a Baía de Sepetiba (MEIS & AMADOR, 1972 e 1977 apud. SILVA, 2003). A formação Caceribu (AMADOR, 1980 e 1992) tem provável origem Neopleistocênica e recobre os sedimentos da formação Macacu. A formação é composta por blocos de litologia variada e são encontrados tanto no continente como no assoalho da bacia, indicando uma posição do nível do mar mais baixo que o atual até cerca de 100 metros, clima seco, canais largos e rasos, linha de costa a quilômetros da atual constituindo parte da Plataforma Continental (AMADOR, 1978). Episódios transgressivos e regressivos do nível do mar na Baía de Guanabara formaram registros como restingas, terraços marinhos e sedimentos flúvio-marinhos denominados de Formação Magé (AMADOR & PONZI, 1974). Esses depósitos são constituídos de areias grossas a médias, passando a argila e silte e não ultrapassam 25 metros de espessura. O sistema de drenagem atual da Baía de Guanabara começou a se formar apenas no último período interglacial, com a captura por erosão de canais fluviais que a ela se dirigem, originando uma bacia fluvial Pleistocênica que sofreu afogamento por águas marinhas, denominando-se transgressão guanabariana (AMADOR, 1980).

26 26 A transgressão guanabariana teve início em torno de anos A.P. (antes do presente) e marca o limite entre o Pleistoceno e o Holoceno. O afogamento da plataforma continental e dos vales fluviais por água marinha está relacionado com o aquecimento global do clima da Terra (AMADOR, 1980). No máximo da transgressão ( ótimo climático ), entre e anos A. P., o nível do mar era entre 3 a 4 metros cima do atual e a Baía de Guanabara apresentava uma área de 700 Km 2 de extensão. Após essa transgressão, houve um período regressivo, seguido novamente por uma fase de transgressão entre a anos A. P. que elevou o nível do mar à 1,5 metros do atual (AMADOR, 1974). Há aproximadamente anos A.P. a linha de costa se assemelhava à atual (AMADOR, 1980) Bacia de drenagem da Baía de Guanabara A bacia de drenagem da baía de Guanabara é limitada ao norte pela Serra do Mar com elevações entre e metros, ao sul por elevações entre 500 e metros e a leste e oeste por colinas e planícies (JICA, 1994). É formada por 25 sub-bacias, que incluem cerca de 55 rios e canais que deságuam na Baía de Guanabara (AMADOR, 1955; KJERFVE, 1997; SAMPAIO, 2003; BÉRGAMO 2006). A bacia possui área aproximada de 4080 Km 2 (Fig. 2) e engloba os municípios de Duque de Caxias, Mesquita, São João de Meriti, Belford Roxo, Nilópolis, São Gonçalo, Magé, Guapimirim, Itaboraí, Tanguá e partes dos municípios do Rio de Janeiro; Niterói; Nova Iguaçu; Cachoeiras de Macacu; Rio Bonito e Petrópolis. Destes, apenas os municípios de Rio de Janeiro, Duque de Caxias, Magé, Guapimirim, Itaboraí, São Gonçalo e Niterói possuem limite nas margens da baía (Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável- SEMADS, 2001). Os principais cursos d água da bacia de drenagem são os rios: Iguaçu, Estrela, Santo Aleixo, Guapamirim, Macacu (com nascentes na vertente marítima das serras do Couto e dos Órgãos), e os rios Sarapuí, Guaxindiba e Caceribu (com nascentes nos maciços da Pedra Branca e na região dos lagos Tanguá e Bonito).

27 27 Figura 2- Bacia de Drenagem da Baía de Guanabara. Fonte: SEMA, Segundo AMADOR (1997), a descarga anual média é por volta de 356,3 m 3 /s, com mínimo de 166,8 m 3 /s no mês de agosto e máximo de 551,7 m 3 /s no mês de fevereiro. Por sua vez, KJERFVE et al. (1997), através de cálculos da evapo-transpiração potencial, estimaram valores médios de descargas fluviais em torno de: extremos de 33 m 3 s -1 e 186 m 3 s -1 em julho e dezembro (janeiro), respectivamente (Fig. 3), e média anual de 100 m 3 s -1. Figura 3- Variação sazonal climatológica da descarga fluvial média mensal na Baía de Guanabara. Fonte: KJERFVE et al., 1997.

28 28 Estudos ambientais realizados na Baía de Guanabara propõem dividir o espelho d água em áreas de acordo com suas características físicas, químicas, e mais recentemente, as hidrobiológicas. MAYR et al. (1989) caracterizam a baía em 5 setores (Fig. 4), a saber: Setor 1: localiza-se no canal central, onde ocorre as melhores condições ambientais, pois ocorre uma troca mais efetiva com a água do mar; Setor 2: setor próximo a entrada da baía, porém sujeito à intensa poluição orgânica das cidades do Rio de Janeiro e Niterói; Setor 3: região com elevado grau de deterioração ambiental devido a influência de esgotos domésticos e industriais, poluição por óleo e presença do porto e estaleiros; Setor 4: área influenciada pela drenagem de rios menos deteriorados (Guapimirim e Cacerebu), devido a presença da Área de Preservação Ambiental de Guapimirim (APA); Setor 5: porção com mais avançado grau de deterioração ambiental, devido a diversas fontes de poluição e a circulação reduzida por aterros. Figura 4- Seções Hidrológicas da Baía de Guanabara (Modificado por MAYR et al., 1989). Fonte: PUC-Rio.

29 Batimetria A entrada da Baía de Guanabara possui aproximadamente 1,6 Km, entre as pontas de São João e Santa Cruz (QUARESMA, 1997). Aos 30 Km de extensão no sentido S-N até o fundo da baía, ocorre um alargamento na direção E-W, até o máximo de 28 Km (KJERFVE et al., 1997). Pode-se observar na Carta n o 1501 digitalizada (Fig. 5) que as áreas mais profundas (entre 40 e 50m de profundidade) representam aproximadamente 3% da baía e são encontradas ao longo do canal de navegação. Grande parte da baía, possuí profundidades menores que 5 m (SILVA, 2003) e profundidades inferiores à 3 m são encontradas na região norte, próximas ao fundo da baía (AMADOR, 1997). Estima-se que entre 70 e 80% da baía possui profundidades inferiores a 10m (SEMA, 1998). Segundo AMADOR (1997) a profundidade média da baía é de 7,6 m. Figura 5- Distribuição das isobatimétricas (a) e relevo do fundo submarino (b) da Baía de Guanabara, obtidos através da digitalização da Carta DHN. Fonte: BÉRGAMO, 2006.

30 30 Utilizando como referência a isóbata de 10 m, a Baía de Guanabara possuí larguras entre 1,6 e 2,0 Km de comprimento, entre a entrada da baía e a ponte Rio-Niterói. Entre a Ilha das Cobras e a Ilha das Enxadas existe um estreito canal de acesso ao porto do Rio de Janeiro que se estende, à W e depois a NW, até a ponta do Caju (KJERFVE et al.,1997; QUARESMA, 1997; SILVA, 2003; BÉRGAMO, 2006). A linearidade desse canal sugere, segundo KJERFVE et al. (1997) a ação de dragagem para manutenção do porto. No trecho entre a ponte Rio-Niterói e as Ilhas de Paquetá e do Governador, o canal tem profundidades inferiores a 20 m (QUARESMA, 1997). Um campo de dunas subaquáticas ( Sand Waves ) distribui-se entre as profundidades de 10 e 26 m, com altura entre 0,5 e 2,5m (DIAS & QUARESMA, 1996; KJERFVE et al.,1997; QUARESMA, 1997). CAMARGO et al. (1997) realizaram uma avaliação do potencial de mobilização sedimentar desse campo de dunas, o resultado obtido foi semelhante ao descrito por DIAS & QUARESMA (1996) e KJERFVE et al. (1997), indicando ser este um ambiente altamente dinâmico com transporte sedimentar resultante para o interior da baía. Além disso, as feições estão relacionadas com a entrada de ondas de SW, que estão ligadas a entrada de frentes frias e correntes de maré (sendo essas ultimas as forçantes de atuação mais freqüentes). A topografia de fundo da Baía de Guanabara sofre influência do embasamento, evidenciados pelo número de afloramentos e ilhas observados, pelas correntes de maré, pelo padrão de drenagem por canal central e pelo aporte sedimentar, responsável pela suavização da topografia e elevada taxa de assoreamento do fundo da baía (SEMA, 1998) Aspectos Climatológicos A bacia da Baía de Guanabara está situada em área de clima tropical úmido com variações locais devido às diferenças de altitude, vegetação e proximidade do oceano. A temperatura anual média é de 23,7 o C, as chuvas variam entre a mm ano -1 e a umidade relativa do ar é de 78%. Nos verões, quentes e úmidos, os valores de temperatura se elevam. Os invernos caracterizam-se por clima seco e frio, com forte influência marinha (Departamento Nacional de Meteorologia -DENEMET, 1992). A chegada de frentes frias, principalmente no inverno, pode levar a uma queda de temperatura entre 5º à 10º C, e ter ventos intensos oriundos dos quadrantes sul e sudoeste (QUARESMA, 1997).

31 31 A pluviosidade anual média, medida na estação meteorológica do Flamengo é de mm e a média anual de evaporação é de mm (QUARESMA, 1997). Nos quatro meses de alto verão (dezembro a março) os dias mais quentes são seguidos de chuvas fortes e rápidas (DNMET, 1992), podendo ultrapassar 10 mm em duas horas (QUARESMA, 1997) Temperatura e Salinidade Segundo QUARESMA (1997), a Baía de Guanabara tem como característica altas temperaturas e salinidades, sendo a média de salinidade de 29,5 e a de temperatura de 24,2 o C. Na entrada da baía são encontrados os menores valores de temperatura, devido à entrada de água mais fria de origem marinha. A salinidade diminuí em direção ao interior da baía, em resposta ao aporte fluvial dos rios ao seu entorno (AMADOR, 1997; KJERFVE et al., 1997; QUARESMA, 1997). É possível identificar padrões sazonais de salinidade na Baía de Guanabara no período de verão (quente e chuvoso) e inverno (seco) em virtude do aporte fluvial (PARANHOS et al., 1993; JICA, 1994). No período chuvoso o aumento do aporte fluvial causa uma maior diluição das águas marinhas, ocasionando um gradiente horizontal mais acentuado, com valores de salinidade em torno de 33 na entrada da baía, e de 13 na porção mais interna (JICA, 1994). Nesse período observa-se também uma estratificação da baía, com diferenças entre as salinidades de superfície e fundo de até 10 (MAYR et al., 1989). Durante o resto do ano a coluna de d água apresenta maior homogeneidade, as diferenças entre superfície e fundo não passam da faixa de 4. Além disso, no período seco observou-se um menor gradiente horizontal de salinidade, sendo 34 na região da entrada e 29 na região mais ao fundo da baía (JICA, 1994). A existência de manguezais nas margens estuarinas contribui para variação de temperatura, pois os sedimentos lamosos de coloração escura que ficam expostos aos raios solares na baixa-mar absorvem grande quantidade de calor, que é transmitido às águas durante a maré enchente (LIRA et al, 1978 apud. AMADOR, 1997). Além disso, a água pluvial introduzida ao sistema geralmente apresenta temperaturas mais altas. Medidas realizadas entre 1980 e 1992 pela Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente (FEEMA), em 13 estações de monitoramento da qualidade da água na BG confirmam esse comportamento (Fig. 6).

32 32 Figura 6- Variação da Temperatura e da Salinidade média em 13 estações de monitoramento da FEEMA. Modificado por KJERFVE et al. (1997). Variações diárias de temperatura e salinidade podem ser encontradas de acordo com a maré. Em situações de maré enchente, o aumento da penetração de água marinha causa aumento da salinidade no interior da baía. Já em situações de maré vazante a salinidade diminui, podendo atingir seus menores valores (JICA, op cit.). Segundo KJERFVE et al. (1997), a baía apresenta boa condição de mistura na área próxima a entrada, assumindo uma condição moderadamente estratificada próximo a ponte Rio-Niterói.

33 Ventos Os ventos mais comuns ma Baía de Guanabara são de NE (21%), S (17%) e N (14%), com intensidade maior que 1 m/s (24%), sendo sua média mensal de 3 m/s. Quando os ventos se associam às frentes frias, a velocidade pode chegar a 25 m/s na direção SSW. O vento SW é pouco freqüente, porém com forte intensidade quando associado com frentes frias (FILIPPO, 1997). STECH & LORENZZETTI (1992), verificaram que durante os meses de inverno (junho a agosto), uma média de 13 frentes frias de origem polar atingiram a costa do Rio de Janeiro, com uma média de 6 dias entre frentes consecutivas. Em 5 anos foi registrada no aterro do Flamengo uma média de 46 frentes frias/ano (FILIPPO, 1997). O tempo médio da passagem de frente fria é de 12 a 24 hrs (KJERFVE et., 1997) Marés As marés na Baía de Guanabara apresentam pequena amplitude, e são classificadas como semi-diurna com desigualdade diurna, o que corresponde a duas preamares e duas baixamares com diferentes alturas no período de um dia lunar (AMADOR, 1997; FILIPPO, 1997). Segundo KJERFVE et al. (1997), a variação média da maré é de aproximadamente 0,7 m para toda a baía, tendo uma variação de 1,1 m na sizígia e 0,3 m na quadratura. Esses autores afirmam ainda que os ventos (principalmente os de norte e sul) influenciam o comportamento do plano do espelho d água no interior da baía, porém interferem pouco no padrão de circulação de águas. KJERFVE et al., (1997) comparam as forças motrizes da maré com a resposta do nível d água e comprovando que algumas componentes harmônicas da maré são atenuadas, enquanto outras são amplificadas, indicando influência da forma e topografia de fundo da baía na maré. A maré na Baía de Guanabara apresenta uma componente meteorológica, gerada pelo empilhamento de água no interior da baía por ação dos ventos e tempestades. As frentes frias de quadrante sul chegam de forma frontal à entrada da baía, provocando o represamento da água. Com as frentes frias, o aumento na altura da maré varia de 15 a 35 cm na Ponta da Armação, mas podem chegar a 1,0 m em ocasiões de ressacas fortes associadas a frentes frias de maior intensidade (FILIPPO, 1997).

34 Correntes Os processos de circulação e mistura em ambientes estuarinos são gerados, principalmente, pelas forçantes: a) co-oscilação da maré [η = η (x, y, t) ]; b) descarga fluvial [Q f = Q f (t) ] e c) gradiente longitudinal de salinidade ( S/ x). Como a escala de tempo da resposta do corpo de água estuarino a essas forçantes é ampla, os movimentos foram separados em domínios de alta e baixa freqüência. A partir de um tratamento matemático da equação fundamental da hidrostática ( P/ z = -ρg) é possível separar os efeitos da co-oscilação da maré (alta freqüência), dos efeitos das forçantes com baixa freqüência. O efeito dinâmico gerado pela maré tem natureza barotrópica, pois independe da profundidade; sua intensidade é proporcional ao valor negativo da inclinação da superfície livre ( η/ x), assumindo seqüencialmente valores negativos na maré enchente e positivos na maré vazante, impulsionando correntes de maré estuário acima e abaixo. A circulação gravitacional é determinada pela interação entre o componente baroclínico do gradiente de pressão e o componente de descarga fluvial (Q f ). O componente baroclínico é obtido a partir de um tratamento matemático da equação fundamental da hidrostática ( P/ z = - ρg), e posteriormente eliminando-se o movimento de natureza barotrópico gerado pela maré. Sua contribuição depende somente do gradiente longitudinal de densidade e apresenta uma variação com a profundidade, atingindo os maiores valores junto ao fundo, permanecendo zero na superfície. O sentido do movimento é sempre da região de maior densidade para a de menor densidade, ou seja, o movimento relativo a este forçante é sempre direcionado para o interior do estuário. A componente de descarga fluvial é determinada pela vazão entre a descarga fluvial e a área média da seção transversal. O sentido deste forçante é sempre para fora do estuário. A circulação de água no interior da BG pode ser considerada como uma composição da circulação gravitacional e modificada pela ação do vento (KJERFVE et al., 1997). Devido aos grandes volumes de água transportados na barra da Baía de Guanabara através de seu canal principal, as correntes que ocorrem na região são regidas principalmente pela maré, sem que os ventos possam alterá-las significantemente quanto a direções e intensidades

35 35 (CAMARGO, 2002). Entretanto, FILIPPO (1997) mostrou através de uma série anual de ventos que em condições atípicas (passagem de frente fria) 98% da variação da maré passa estar associada ao padrão de ventos, refletindo na direção das correntes. REBELLO et al. (1986) estimaram um volume de tocas de águas de aproximadamente 10 8 m 3 por ciclo de maré, ou seja, 10% do volume total da baía. O tempo de renovação de 50% do volume de água é de aproximadamente 11,4 dias (KJERFVE et., 1997). Situações extremas, como a passagem de frentes frias, produzem condições hidrodinâmicas mais energéticas, acelerando as correntes de maré enchente (CAMARGO 2002). Em geral, são encontradas maiores velocidades das correntes nos períodos de enchente do que nos períodos de vazante (KJERFVE et al. 1997). As correntes de maré apresentam as componentes do eixo y (N S) mais intensas que as do eixo x (L O). A configuração da costa na entrada da baía e a presença de um banco de areia são responsáveis pelo estrangulamento das correntes, que atingem velocidades capazes de gerar as dunas subaquáticas presentes na margem leste do canal central da baía (CAMARGO, 2002). Em levantamento realizado por JICA (1994) em diferentes pontos da baía encontrou maiores velocidades de correntes próximas à boca da Barra Aspectos Estuarinos A Baía de Guanabara pode, em determinadas épocas, exibir processos típicos e característicos de estuários de planícies costeiras, porém esse ambiente é muito complexo para ser classificado como estuário, pois abrange vários pequenos estuários e conjuntos desses estuários, incluindo a própria baía, sendo classificado então como sistema estuarino (KJERFVE et al. 1997). Os estuários podem ser classificados sob diversos aspectos e critérios para classificação foram desenvolvidos para comparar diferentes estuários, tornando possível a previsão das principais características de circulação e processos de mistura (MIRANDA et al., 2002). Porém sistemas estuarinos, como é o caso da Baía de Guanabara, apresentam limitações para essas classificações (SAMPAIO, 2003). PRITCHARD (1952) classifica esses ambientes costeiros como positivos ou negativos. Em estuários positivos a contribuição da descarga fluvial e da chuva são superiores à evaporação; já em estuários negativos ocorre o oposto. A BG é um estuário positivo, pois a quantidade de

36 36 água doce que entra no sistema é maior do que a taxa de evaporação, e como esperado, a salinidade média é inferior à da água do mar. DAVIES (1964) classifica os estuários de acordo com a altura máxima (H max ) da maré: Micromaré: H max < 2 m; Mesomaré: 2 < H max < 4 m; Macromaré: 4 < H max < 6 m; Hipermaré: H max > 6 m. O regime de micromaré ocorre no Brasil, da região sul ao sul da Baía; mesomaré, do sul da Baía até o Piauí; macromaré na região do Amazonas e hipermaré na Baía de São Marcos e, em trechos da costa do Amapá e Amazonas. Assim, o sistema estuarino da Baía de Guanabara se localiza na região de micromaré. Com a interação entre a propagação da onda de maré estuário acima e a morfologia do estuário, ocorre variações na intensidade de correntes e na altura da maré. Nesse caso, os estuários são classificados em (NICHOLS & BIGGS, 1985 apud. MIRANDA et al., 2002): Hipersíncrono: geralmente são estuários de forma afunilada e a convergência excede o atrito. Assim, a altura da maré e as correntes aumentam em direção à cabeceira. Na zona de maré do rio (ZR) a convergência diminui, o efeito do atrito torna-se maior e a altura da maré diminui; Síncrono: ocorre um equilíbrio entre os efeitos do atrito e da convergência, e a altura de maré permanece constante até a ZR; Hiposíncrono: são estuários que tendem a ter a boca mais estreita que seu interior. O efeito do atrito excede o da convergência e, em conseqüência, a altura da maré diminui ao longo do estuário. SAMPAIO (2003) classifica a BG como um sistema ligeiramente hipersíncrono, pois, embora a forma da baía não seja afunilada, a altura de maré no interior em seu interior é maior que a altura observada na boca. A classificação de estuários de acordo com a estratificação da salinidade permite estabelecer qualitativamente as principais características da circulação na zona de mistura (MIRANDA et al. 2002). Assim, segundo o critério de classificação apresentado por PRITCHARD (1955) e implementado por OFFICER (1977), os estuários podem ser classificados em:

37 37 Altamente estratificado: apresenta uma acentuada estratificação vertical da salinidade e haloclina bem pronunciada. A diferença entre as salinidades do fundo e da superfície é de várias unidades; Parcialmente Misturado: apresenta estratificação moderada de salinidade e a diferença entre a salinidade de fundo e da superfície é de poucas unidades; Bem Misturado: quando não praticamente não há diferença entre a salinidade de fundo e de superfície, caracterizando ausência da haloclina Ocupação e Degradação Ambiental A ocupação populacional ao redor da BG teve inicio em meados do século XVI (AMADOR, 1980). A área drenada pela baía apresenta a maior concentração populacional da área costeira brasileira, com aproximadamente 11 milhões de habitantes e abriga o segundo maior parque industrial brasileiro. A região apresenta 8 terminais de petróleo (1 de gás), 12 estaleiros, 2 refinarias de petróleo, 827 postos de serviço, cerca de indústrias e 2 portos comerciais (sendo o porto do Rio de Janeiro o terceiro maior do Brasil) (JICA, 1994). Os atuais níveis de poluição da Baía de Guanabara são decorrentes de um processo de degradação que se intensificou, principalmente, nas décadas de , com o elevado crescimento urbano verificado, especialmente, na Região Sudeste do Brasil (FEEMA, 2000). Aproximadamente 7,81 milhões de habitantes lançam esgotos domésticos diretamente na baía de Guanabara. O lançamento de matéria orgânica alcança 465 T d -1, sendo apenas 15% tratado adequadamente (GUIMARÃES, 2005). As indústrias localizadas ao redor da baía representam 74% do total do Estado do Rio de Janeiro. Os setores de processamento de alimentos (região leste da bacia), química (região nordeste da bacia) e metalurgia são as principais atividades econômicas (JICA, 1994). Cerca de 25% da poluição na BG provém de atividades industriais, a qual é responsável por quase 100% da poluição por metais pesados e substancias tóxicas (FEEMA, 2000).

38 38 2. JUSTIFICATIVA A Baía de Guanabara localiza-se em uma região costeira muito complexa, tanto pela sua importância cultural, política e econômica como pelos graves problemas que prejudicam o ambiente e a vida da população. Esses problemas decorrem principalmente da intensa e desordenada ocupação urbana e industrial das margens da baía. Apesar da Baía de Guanabara ser um dos sistemas costeiros para o qual existe o maior número de informações no Brasil (NIENCHESKI & BAUNGARTEN, 1999), existe uma carência de estudos sobre os processos hidrodinâmicos que ocorrem na baía. Entender as características hidrodinâmicas de um estuário (circulação, transporte e misturas nas águas costeiras e estuarinas) é de fundamental importância para a compreensão da distribuição e variabilidade da concentração de substâncias naturais (salinidade, nutrientes, clorofila, sedimentos em suspensão) e de poluentes, dos processos de erosão, deposição e transporte de sedimentos, a distribuição e variabilidade da fauna e flora local (MIRANDA et al., 2002). Os modelos hidrodinâmicos reproduzem a circulação das águas e a distribuição das propriedades de uma determinada área. Dessa forma, esses modelos são utilizados como base para modelos químicos, geológicos e biológicos (Transporte de sedimentos, morfologia, ecologia, qualidade da água, entre outros).

39 39 3. OBJETIVOS 3.1. Objetivo Geral O presente trabalho tem como principal objetivo a implementação do modelo numérico Delft3D para estudo das características hidrodinâmicas da Baía de Guanabara Objetivos Específicos Os objetivos específicos desse trabalho são: - Calibração e validação do modelo com dados experimentais de oscilação de superfície; - Estabelecer a melhor resposta do modelo em relação às forçantes locais, comparando com dados experimentais.

40 40 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Descrição dos Modelos de Circulação Hidrodinâmica A modelagem computacional permite a simulação de complexos fenômenos ou processos científicos, tecnológicos e industriais como, por exemplo, modelagem de reservatórios, ciências atmosféricas, dinâmicas de fluidos, estudos ambientais, entre outros (SCHMIDT, 2004). Em Oceanografia, a modelagem numérica utiliza medições e teorias sobre o comportamento do oceano, de modo a possibilitar simulações e previsões dos processos que nele ocorrem, como a circulação marítima, transporte de sedimentos, etc (HARARI, 2008). Diversos modelos podem ser aplicados em sistemas estuarinos, porém a escolha deve considerar os objetivos do trabalho e a classificação do estuário a ser estudado. O conhecimento da morfologia do estuário e de sua estrutura hidro-salina são de fundamental importância para a escolha do modelo empregado (SAMPAIO, 2003). Segundo ROSMAN (1997), os modelos hidrodinâmicos aplicáveis à sistemas estuarinos podem ser divididos em três tipo, de acordo com sua complexidade: Modelo unidimensional (1D): aplicável a estuários com seção transversal homogênea. Sendo o eixo x longitudinal, têm-se somente as dimensões (x,t). Este tipo de modelo pode ser aplicado em estuários de calha única ou com múltiplas calhas, formando uma rede de canais. Modelos bidimensionais: são subdivididos em 2 tipos, modelo bidimensional na horizontal (2DH) e modelo bidimensional na vertical (2DV). Os modelos 2DH são aplicáveis a estuários pouco estratificados, tendendo a verticalmente homogêneos, pois possuem somente as dimensões (x,y,t) uma vez que são utilizadas médias na direção vertical para as variáveis. Nos modelos 2DV as variáveis são médias horizontais, com dimensões (x,z,t); são aplicáveis a estuários com estratificação vertical de densidade, mas com pouca variação lateral. Modelos tridimensionais: podem ser simples (3D) ou gerais (3Dg). Os modelos 3Dg incluem todas as equações, todas as dimensões (x,y,z,t) e os gradientes de densidades, assim podem ser aplicados em qualquer caso. Já os modelos 3D são

41 41 mais simples, pois não incluem os gradientes de densidade. Em sistemas estuarinos, os modelos 3D são aplicáveis a estuários pouco estratificados, tendendo a verticalmente homogêneos Modelo Numérico Delft3D O modelo numérico utilizado nesse estudo é o Delft3D (licença exclusiva para uso acadêmico do Laboratório de Hidrodinâmica Costeira da Universidade de São Paulo - LHiCo- IOUSP n o 5E700060D540), desenvolvido por pesquisadores do W L Delft Hydralics (DELFT, HOLANDA). O sistema de modelagem do Delft3D é composto por diversos módulos com ferramentas de pré-processamento, processamento e pós-processamento, facilitando a implementação do modelo para uma região específica. O sistema compreende os seguintes módulos: 1) Hidrodinâmico (FLOW); 2) Ondas (WAVE); 3) Transporte de sedimentos (SED); 4) Morfologia (MOR); 5) Qualidade da água (WAQ); 6) Traçadores (PART); 7) Ecologia (ECO) e 8) Química (CHEM). O módulo hidrodinâmico do Delft3D é capaz de simular fluxos não estacionários em duas (2D) ou três dimensões (3DH), fenômenos de transporte resultantes da maré, descargas de água doce e efeitos meteorológicos, inclusive o efeito da diferença de densidade devido a gradientes horizontais dos campos de temperatura e salinidade. O módulo hidrodinâmico pode ser utilizado em simulações de fluxo em mares, regiões costeiras, estuários, reservatórios e rios. O modelo numérico utiliza como base o sistema de equações de águas rasas em duas e três dimensões. Esse sistema consiste na equação da quantidade de movimento na direção horizontal, na equação da continuidade e nas equações de transporte de propriedades conservativas em coordenadas curvilíneas ortogonais ou em coordenadas esféricas. O movimento é forçado pela ação da maré e descarga fluvial nas fronteiras abertas, pela tensão de cisalhamento do vento na superfície livre, gradientes de pressão devido à inclinação da superfície livre (campo barotrópico) e por gradientes de densidade (campo baroclínico). Termos de fonte e sumidouro são incluídos nas equações para modelar a entrada (aporte fluvial e precipitação) e saída (evaporação) de água doce no sistema. Assim, o modelo Delft 3D inclui na sua formulação numérica os seguintes fenômenos físicos:

42 42 Efeitos barotrópicos; Efeitos baroclínicos; Efeito da rotação da Terra (força de Coriolis); Fluxos turbulentos de massa e momento (modelos de fechamento turbulento); Transporte de propriedades conservativas (sal, calor, etc); Efeito da maré em fronteiras abertas; Tensão de cisalhamento do vento na superfície livre; Dissipação de energia devido ao atrito com o fundo; Tensão de cisalhamento nas bordas; Variação da pressão atmosférica na superfície livre; Fluxo de calor através da superfície livre; Vazão afluente e efluente (descarga fluvial, por exemplo); Regiões que ficam secas devido à ação da maré; Evaporação e precipitação; Difusão de momento na direção vertical devido a ondas internas; Forças geradas pela maré; e Fluxos através de estruturas hidráulicas. O módulo hidrodinâmico trabalha com as equações de Navier-Stokes para fluídos incompressíveis, com as seguintes aproximações: A aceleração vertical é considerada desprezível quando comparada à aceleração da gravidade, justificando-se pelo fato de razão aspecto (profundidade/escala horizontal) ser muito pequena (aproximações de águas rasas). Assim, a equação do momento é reduzida à equação do equilíbrio hidrostático; Somente a variação longitudinal da densidade é levada em conta no cálculo do componente baroclínico da força de gradiente de pressão (aproximação de Boussinesq); O atrito moderado é considerado como condição de contorno no fundo (condição de escorregamento); Modelo de turbulência anisotrópica (horizontal vertical).

43 43 As equações diferenciais parciais utilizadas pelo modelo, em combinação com as condições iniciais e de contorno apropriadas, são discretizadas utilizando o método de diferenças finitas. O modelo resolve problemas que exigem o uso de um sistema de coordenadas esféricas ou cartesianas ortogonais (O x,y,σ ). Utiliza grade numérica curvilínea, tendo a terceira dimensão z espacial em termos de coordenadas adimensional sigma ( σ = ), que transforma a coluna de H água da superfície (z= 0) até o fundo (z=h) em uma profundidade uniforme, variando de 0 a 1. Essa transformação é necessária, uma vez que a profundidade local sofre variações devido às oscilações da maré. As expressões analíticas das equações tridimensionais de conservação de quantidade de movimento (1, 2 e 3) e de massa (4), simplificadas para a condição de águas rasas, com profundidade H, resolvidas numericamente pelo modelo são as seguintes em coordenadas O x,y,σ : u u u + u + v + t x y w H u 1 fu = σ ρ0 p + Fx x H σ u K v + mx σ Equação 1 v v v + u + v + t x y w H v 1 p 1 fu = + Fy + σ ρ 2 0 y H σ v K v + m y σ Equação 2 0 p = pa + gh ρ(x, y, σ, t) dσ Equação 3 σ ς (Hu) (Hv) w t x y σ = q in q out Equação 4 Nas equações (1) e (2), u e v representam os componentes horizontais de velocidade em relação ao referencial de coordenadas cartesianas O x,y,σ e ρ 0 é a densidade de referência. As variáveis p, p a, ς, f e K v representam, respectivamente, a pressão, a pressão atmosférica, a elevação da superfície livre (em relação à condição de repouso), o parâmetro de Coriolis e o coeficiente cinemático vertical de viscosidade turbulento, com dimensão L 2 T -1. As parcelas

44 44 restantes dessas equações (F x e F y ) e (m x e m y ) indicam a força dissipativa de energia devido à viscosidade no plano horizontal e eventuais obstruções no movimento. A equação (3) indica que na direção O z o modelo assume condições de equilíbrio hidrostático. A partir dessa condição é possível obter os seguintes componentes barotrópico e baroclínico da força de gradiente de pressão em função dos gradientes horizontais da superfície ς ρ livre e da densidade : x, y x, y 1 ρ0 p x ς g = g + x ρ0 pa x H 0 ρ σ ρ + g σ + dσ ρ0 σ x x σ Equação 5 e 1 p ς g pa = g + ρ y y ρ y H + g ρ ρ [( ) y σ ρ + ] dσ y σ σ σ 0 Equação 6 As parcelas F x e F y, que representam as tensões de cisalhamento horizontais de Reynolds, são simuladas analiticamente por: Fx u u = K H ( + ) e ) 2 2 x y ( v v Fy = K H + Equação 7 (a) e (b) 2 x y 2 Onde K H representa o coeficiente cinemático horizontal de viscosidade turbulento, com dimensão L 2 T -1. Quando o modelo é utilizado no modo tridimensional o coeficiente de viscosidade horizontal é decomposto em três parcelas: a primeira devido às trocas turbulentas de quantidade de movimento no plano horizontal (K 2D ), a segunda devido às trocas de quantidade de movimento turbulento segundo a direção vertical (K 3D ) e mais uma parcela que leva em conta a viscosidade molecular (K mol ). Sendo assim: K K K + K H = 2 D + 3D mol Equação 8 A parte tri-dimensional K 3D é estimada segundo um modelo de fechamento turbulento.

45 45 Por sua vez, a turbulência vertical, parametrizada pelo coeficiente K V, gerada pelo vento e pelo atrito de fundo, mas atenuada por forças de empuxo pela estratificação vertical, tem esse coeficiente simulado por, K = K 3 + K Equação 9 V D mol A parte tri-dimensional K3D é estimada segundo um modelo de fechamento turbulento RGFGRID- Módulo para geração da grade numérica O modelo numérico Delft3D é baseado em diferenças finitas e adota o sistema de grade chamado staggered grid. As variáveis que descrevem nível, fluxo d água e as componentes de velocidade (u, v, w) são distribuídas em uma grade de Arakawa Tipo C. Assim, os pontos de elevação estão definidos no centro da célula e as componentes de velocidade são perpendiculares aos lados as grade (Fig. 7). A grade do tipo C facilita a representação dos termos de gradiente de elevação de superfície livre e divergente de velocidade. Figura 7- Distribuição dos pontos de pressão e componentes da velocidade utilizadas no sistema de grade do modelo Delft3D. Fonte: RIBAS, O sistema de grade staggered grid facilita a implementação das condições de contorno, previne excessivas oscilações espaciais de elevação e diminui a discretização das varáveis quando comparado ao sistema non-staggered grids (DELFT RGFGRID, 1999). O módulo RGFGRID é utilizado para a geração da grade numérica no modelo Delft3D. No plano horizontal, a grade pode ser ortogonal ou curvilínea. Grades curvilíneas proporcionam maior flexibilidade, possibilitando o aumento de resolução em áreas de grandes gradientes de velocidade e/ou batimetria complexa, melhorando a precisão e a eficiência computacional. A

46 46 grade utilizada no plano horizontal é a mesma para versões 2D e 3D; no plano horizontal o usuário define um número constante de pontos de grade Programa de Pós - Processamento (GPP) O programa de pós-processamento Delft-GPP (Graphical Post-Processor) oferece algumas opções gráficas de apresentação dos resultados das simulações, dentre elas: a) séries históricas das quantidades simuladas (nível da água, velocidades) em qualquer ponto do domínio; b) mapas (batimetria, vetores de velocidade, nível da água) para intervalos de tempo definidos; e c) deslocamento de partículas inertes durante a simulação. O programa oferece ainda uma ferramenta para geração de animações de séries históricas das quantidades simuladas (RIBAS, 2004). Apesar dessas opções, a interface gráfica do programa não é capaz de gerar figuras de melhor qualidade e apresenta falhas na geração de animações com mais de uma qualidade simulada. RIBAS (2004) sugere, nesses casos, que os resultados sejam exportados e utilizados em programas gráficos de melhor qualidade. Nesse trabalho os resultados foram processados utilizando o programa matemático MatLab (Licença adquirida pela UNIMONTE) Amostragem de Dados As características hidrográficas e correntométricas foram observadas em duas estações oceanográficas fixas, F 1 (22 o 56,7 S; 043 o 08,8 W) e F 3 (22 o 49,52 S; 043 o 08,37 W), localizadas no canal de navegação ao longo do eixo N-S da BG, como mostra a figura 8. As medidas foram realizadas em condições de maré de quadratura e sizígia, durante um ciclo semidiurno de maré, em julho de 2000 e fevereiro de 2001 (Tab. 1) (BÉRGAMO, 2006). As amostragens de dados tiveram início as 8 horas da manhã.

47 47 Figura 8 - Mapa da área de estudo com a localização das estações fixas (F 1, e F 3 ). Fonte: BÉRGAMO, Tabela 1 - Períodos de medições nas estações fixas (F 1 e F 3 ) nos experimentos de inverno (julho/2000) e verão (fevereiro/2001). Fase da maré F1 F3 Inverno 2000 Quadratura 07/07/ /07/2000 Sizígia 15/07/ /07/2000 Verão Quadratura 02/02/ /02/2001 Sizígia 10/02/ /02/2001 Para a área de estudo foi utilizado o referencial Oxyz, onde Oy é orientado para o norte, Ox para o leste e Oz em sentido oposto ao vetor aceleração da gravidade ( g r ). Os vetores de velocidade foram decompostos em componentes longitudinais, direção norte-sul (v), e transversais, direção leste-oeste (u). As velocidades longitudinais na maré enchente são indicadas por valores positivos (+v), enquanto os valores negativos (-v) estão associados à maré vazante.

48 48 Na decomposição do vetor velocidade de corrente em seus componentes longitudinal (eq. 10) e transversal (eq. 11), em relação ao referencial Oxy (Fig. 9), foram usadas as seguintes relações trigonométricas: v = V. senθ, Equação 10 u = V. cosθ, Equação 11 o ângulo θ é o ângulo formado entre o vetor velocidade V e o eixo das abscissas, 0x, medido no sentido anti-horário. In situ, a direção de V é medida através de um ângulo, de sentido horário, a partir do norte magnético. Então o ângulo θ foi corrigido por: θ = 90 o ( dd D ), Equação 12 onde: D: é a declinação magnética (ângulo entre o norte verdadeiro e o magnético), o sinal negativo indica declinação para oeste. dd: é o ângulo entre o eixo norte magnético e o vetor velocidade V, em sentido horário. E a subtração dos demais ângulos pelo ângulo de 90 o indica a mudança de referencial, do eixo das abscissas para o eixo das ordenadas. Detalhes sobre o procedimento para a correção e decomposição das velocidades de corrente foram descritos por BÉRGAMO (2000) e MIRANDA et al. (2002). Figura 9- Diagrama de decomposição do vetor velocidade de corrente.

49 49 Com o objetivo minimizar o efeito da variação da profundidade da coluna de água devido à oscilação da maré, a profundidade local foi reduzida à profundidade adimensional Z [Z=z/h(t)], com h(t) denotando a profundidade da coluna de água no instante t, de acordo com o procedimento de KJERFVE (1975). Antes de comparar os valores medidos e simulados de velocidade e salinidade, foi necessário extrair os componentes barotrópicos [u t = u(t) e S t = S(t)] dos componentes longitudinais das medidas experimentais nas estações F 1 e F 3. Para isso foram calculados, em cada um dos perfis horários de velocidade e salinidade, os valores médios na coluna de água, u (t) e S (t), dos quais foram subtraídos os correspondentes valores resultantes (componentes gerados pela descarga fluvial), u a =< u > e S a =< S > (Eq. 13 e 14). u(x,z,t) = u a (x) + u t (x,t) + u s (x,z) +u (x,z,t), Equação 13 S(x,z,t) = S a (x) + S t (x,t) + S s (x,z) + S (x,z,t), Equação 14 Onde : - Componentes gerados pela descarga fluvial : u a =< u(x) > e S a =< S(x) > - Componentes gerados pelo efeito barotrópico : u t (x, t) = u(x, t) u a e St (x, t) = S(x, t) Sa - Componentes gerados pelo efeito baroclínico : us (x, z) =< u(x, z) > u a e Ss (x, z) =< S(x, z) > Sa - Componentes residuais : u' = u(x, z, t) ua u t us e S' = S(x, z, t) Sa St Ss As médias no espaço (profundidade) e no tempo (período da maré) das propriedades escalares, denotadas genericamente por P=P(Z,t), foram obtidas por meio das seguintes equações: 1 P (t) = P(Z, t)dz, Equação 15 0

50 50 Τ 1 P (Z) = P(Z, t)dt, Equação 16 Τ Τ P = [ P(Z, t)dz]dt = Pdt, Equação 17 Τ Τ Τ 0 onde Z é a profundidade adimensional e Τ é um intervalo de tempo de um ou mais ciclos completos de maré. Como a expressão analítica de P=P(Z,t) não é conhecida, as integrações indicadas nas equações (15) a (17) devem ser feitas numericamente Cenários de Simulação Neste trabalho foram realizadas simulações barotrópicas correspondentes aos períodos de verão e inverno. O intervalo de tempo para as simulações foram escolhidos com base nos períodos de amostragem das estações fixas. As simulações de inverno compreenderam o período de tempo entre 02 de julho de 2000 a 17 de julho 2000 e as simulações de verão entre 25 de janeiro de 2001 e 13 de fevereiro de As simulações foram realizadas em diferentes cenários: Cenário I: padrões gerados pela forçante da maré; Cenário II: padrões gerados pela forçante da maré, com a influência de campo de vento constante e homogêneo; Cenário III: padrões gerados pela forçante da maré, com adição de descarga fluvial; e Cenário IV: padrões gerados pela forçante da maré, com a influência da descarga fluvial e do campo de vento constante e homogêneo Grade Numérica Utilizada A grade numérica foi produzida através da digitalização da carta náutica DHN-1501 com a inclusão da região costeira ao largo da BG. A grade foi orientada no referencial Oxyz, onde Oy é orientado para o norte e Ox para o leste (BÉRGAMO et al. 2008). A batimetria e o contorno de costa foram digitalizados com alto nível de detalhamento com e pontos para as isóbatas e o contorno da linha de costa, respectivamente.

51 51 Os arquivos de dados iniciais da geometria da BG foram utilizados no programa Delft- RGFGRID, acoplando o contorno da região a ser modelada com os dados da batimetria (Figura 10), e transformando suas coordenadas geométricas em coordenadas computacionais. A grade computacional gerada (Figuras 10 e 11) possui alta resolução, com Mmax=177, Nmax=145 e Kmax =1. Detalhes da batimetria interpolada na grade numérica gerada melo módulo Delft- RGFGRID podem ser observados na figura 12. Figura 10 Grade computacional gerada pelo programa Delft-RGFGRID e utilizada nesse estudo. Eixos horizontal e vertical indicam distâncias em metros. Fonte: BÉRGAMO et al., 2008.

52 52 Figura 11 - Detalhes da grade computacional da região da entrada da Baía de Guanabara. Fonte: BÉRGAMO et al., Figura 12 - Batimetria interpolada com a grade numérica gerada pelo módulo Delft-GFGRID.

53 Condições Iniciais Como condições iniciais, a altura média do nível do mar e o campo de velocidade foram considerados nulos em todas as simulações, uma vez que o modelo necessita de um tempo de estabilização relativamente curto. A temperatura inicial utilizada igual a 22 o C, e a salinidade igual a 30. Os dados utilizados como condições iniciais estão sumarizados na Tabela 2. Tabela 2 Valores dos Parâmetros utilizados como Condições Iniciais Parâmetros Valor Nível da Água 0 m Velocidade 0 m s -1 Temperatura 22 o C Salinidade Constantes O modelo utiliza como parâmetros físicos as constantes: - Aceleração da Gravidade [m 2 s -1 ]; - Densidade da água [Kg m -3 ]; - Densidade do ar [Kg m -3 ]. Os valores constantes utilizados nas simulações estão descritos na tabela 3. Tabela 3- Parâmetros Físicos e numéricos utilizados nas simulações. Parâmetro Valor Aceleração da gravidade 9,8 m 2 s -1 Densidade da água 1023 Kg m -3 Densidade do Ar 1 Kg m -3

54 Condições de Contorno A BG faz parte de um sistema estuarino dominado por maré (SAMPAIO, 2003), tendo a oscilação da superfície livre como principal forçante. As constantes harmônicas dos principais constituintes da maré astronômica, apresentadas na tabela 4, foram obtidas com o programa PACMARE (FRANCO, 2000), através da análise da série de alturas horárias da maré, registrada na Ilha Fiscal (22 o 53,8 S; 043 o 10,0 W), durante o período de 16 anos, de janeiro de 1988 à fevereiro de Tabela 4 - Amplitude e fase das principais constantes harmônicas calculadas pelo programa PACMARE (Franco, 2000) com alturas horárias do período de janeiro de 1988 a fevereiro de 2004 na Ilha Fiscal. Constantes Harmônicas Amplitude (m) PACMARE Fase (rad) PACMARE M S O K K M MS Q N P MN L2 0,0191 1,8064 µ2 0,0173 1,1559 2N2 0,0135 2,4476 As constantes harmônicas (amplitude e fase) obtidas dessa análise (Tab. 4.) foram aplicadas como condições de contorno na fronteira aberta do domínio. Os valores horários obtidos da previsão da maré (FRANCO, 2000) foram utilizados para validação do modo barotrópico do modelo Delft-3D.

55 55 Os valores de temperatura e salinidade utilizados no contorno aberto correspondem a aproximações dos valores descritos por CASTRO & MIRANDA (1998) e por CASTRO et al. (2006) para a região da plataforma continental Ventos Para as simulações com adição do campo de vento, foram utilizados valores constantes ao longo da grade numérica. Esses valores, apresentados na tabela 5, foram calculados através de médias sazonais do registro (amostrados em intervalos horários) de janeiro de 2000 a março de 2004 da Estação Meteorológica do Gragoatá, cedidos pela Universidade Federal Fluminense (UFF). Tabela 5- Intensidade e sentido das médias sazonais de vento (m s -1 ). Período Intensidade Sentido Inverno ,8 m s -1 Sul Verão ,2 m s -1 Sul Descarga de Rios A drenagem continental utilizada foi estimada por KJERFVE et al. (1997), em médias mensais (m 3 s -1 ), através da evapotranspiração potencial. Os valores totais das médias mensais, apresentados na tabela 6, foram distribuídos igualmente em 12 pontos de drenagem ao longo da baía, correspondente às desembocaduras dos seguintes rios: - Rio Imbuaçú - Rio Guaxindiba - Rio Macacu - Rio Guarú - Rio Guapi - Rio Iriri - Rio Suruí - Rio Estrela - Vala Boca Larga - Rio Iguaçu - Rio São João do Meriti - Rio Magé

56 56 Tabela 6 Médias de drenagem continental, estimadas por KJERFVE, et al., Período Volume Inverno m 3 s -1 Verão m 3 s Calibração do Módulo Barotrópico O modelo Delft-3D permite o uso dos seguintes coeficientes de dissipação de energia (modelo de fechamento turbulento): v - Chezy - C2 D = Equação 18 R hj 6 H - Manning - C2 D = Equação 19 n - White-Colebrook H C 2D = 18 log( ) Equação 20 ks Após a realização de diversos testes preliminares, optou-se utilizar o coeficiente de rugosidade de Manning (Eq. 19), por este apresentar resultados de simulação mais próximos com os valores previstos para a oscilação de maré. Para a calibração e a escolha do melhor coeficiente, os resultados teóricos do modelo foram comparados com a variação horária da altura da maré prevista na Ilha Fiscal e também com medidas de corrente realizadas em estações fixas durante ciclos de maré. Para a maioria das simulações, foi utilizado passo de tempo 5 minutos. Porém as simulações com drenagem continental esse passo de tempo não foi suficiente, sendo necessário diminuí-lo para 0,5 minutos Comparação dos resultados in situ e modelado A qualidade dos resultados teóricos depende dos dados disponíveis para calibração e validação do modelo. Para a comparação dos resultados modelados com os dados amostrados, foi utilizado o método proposto por WILLMOTT (1981) se baseia no cálculo da quantidade adimensional ou índice, originalmente denominado Skill (Eq. 21):

57 57 2 Xmod Xobs SKILL = 1 Equação 21 2 ( Xmod < Xobs > + Xobs < Xobs > ) Onde X mod representa os valores dos resultados simulados, X obs representa os valores médios em profundidade das propriedades amostradas e, <X mod > e <X obs > representas as médias temporais das propriedades simuladas e amostradas, respectivamente. O índice skill varia entre 0 e 1, quando o modelo representa bem os resultados observacionais, o índice tende à 1. Entretanto, se existir discordância entre os valores amostrados e os simulados, o índice tenderá à 0 (WARNER et al., 2005).

58 58 5. RESULTADOS 5.1. Calibração do Módulo Barotrópico Para a calibração do módulo barotrópico do modelo, foram realizadas simulações com número de Manning (n) iguais a 0,1 m 1/6, 0,06 m 1/6 e 0,04 m 1/6. Os resultados obtidos foram analisados através da comparação entre as oscilações previstas e simuladas no ponto de grade próximo a posição geográfica da Ilha Fiscal (22 o 53,8 S; 043 o 10,0 W) e pela comparação com as medidas experimentais de velocidade os valores simulados extraídos dos pontos de grade próximos à posição geográfica das estações fixas F 1 (22 o 56,7 S; 043 o 08,8 W) e F 3 (22 o 49,52 S; 043 o 08,37 W). Os resultados de oscilações de maré simulados pelo modelo para diferentes números de Manning são apresentados comparativamente aos resultados da maré prevista nas figuras 13. e 14. Figura 13 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal, com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ.

59 59 Figura 14 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal, com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ no período de transição de maré de quadratura-sizígia. As figuras indicam que os melhores resultados entre as alturas simuladas e previstas foram obtidas com o número de Manning igual a 0,04 m 1/6, principalmente nas condições de sizígia. Embora a defasagem entre o medido e simulado aumente na maré de quadratura (Fig.14), quando as alturas da maré são menores, esse coeficiente se mostrou adequado para as simulações. Os resultados das simulações de velocidade barotrópica longitudinal na estação F 1, para os diferentes valores do número de Manning (n=0,1 m 1/6, n=0,06 m 1/6 e n=0,04 m 1/6 ) são apresentados nas Figuras 15 e 16. Figura 15 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F1 em condições de maré de quadratura.

60 60 Figura 16 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F1 em condições de maré de sizígia. Nas figuras 6.3 e 6.4, verifica-se que os melhores resultados simulados foram obtidos para n=0,04 m 1/6 e n=0,06 m 1/6, nas condições de marés de quadratura e sizígia, respectivamente. Os valores de corrente simulados na estação fixa F 3, em condições de marés de quadratura e sizígia são apresentados nas figuras 17 e 18. Figura 17- Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F3 em condições de maré de quadratura.

61 61 Figura 18 - Simulação numérica da intensidade da corrente com diferentes valores do número de Manning e os correspondentes valores do componente barotrópico de velocidade, calculado com dados experimentais medidos na estação fixa F 3 em condições de maré de sizígia. Diferente da estação fixa F 1, os melhores resultados de simulação da corrente barotrópica simulados foram observados para n=0,04 m 1/6 e n=0,06 m 1/6, nas condições de marés de sizígia e quadratura, respectivamente. Tanto para a oscilação da maré como para as velocidades longitudinais, os melhores resultados foram obtidos utilizando número de manning igual a 0,04 m 1/6, exceto para as simulações de velocidade de sizígia em F 1 e quadratura em F 3. Nesses casos, embora o n=0,06 m 1/6 tenha produzido resultados melhores, as intensidades simuladas para n=0,04 m 1/6 também são satisfatórias. Com relação às simulações de oscilação da maré, é possível notar uma discrepância entre as fases dos níveis de água previstos e os simulados. Porém, essa diferença foi atenuada para n=0,04 m 1/ Simulações de Inverno As simulações correspondentes à etapa de inverno foram realizadas para o período de 02 a 17 de julho de Cenário I Nesse cenário as simulações foram realizadas somente com a maré como forçante.

62 62 As oscilações de maré simulada e prevista para a Ilha Fiscal, durante o período quadratura, nos dias 07 e 09 de julho de 2000, são apresentadas nas figuras 19 (a) e (b), respectivamente. Figura 19 - Simulações de oscilação da maré e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ, na Ilha Fiscal, em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas. As amplitudes previstas para o dia 07 de julho correspondem a 0,32 m na enchente e -0,30 m na vazante e as amplitudes simuladas oscilaram entre 0,31 m na enchente e -0,30 m na vazante (Fig. 19 (a)). No dia 09 de julho, a oscilação de maré prevista variou entre 0, 22 m e -0,23 m e os valores simulados entre 0,27 m e -0,08 m, na enchente e na vazante, respectivamente (Fig. 19 (b)). Na figura 19 (a) observa-se que a oscilação de maré modelada para o dia 07 de julho apresenta boa concordância com a oscilação prevista, com uma diferença de fase de 1 hora durante a vazante; dessa forma, o índice Skill foi calculado em 0,97. Para o dia 09 de julho (Fig. 19 (b)), embora a oscilação prevista tenha apresentado maiores valores que os simulados, os resultados modelados também foram satisfatórios com índice Skill igual a 0,86. As oscilações de maré simulada e prevista para a Ilha Fiscal, durante o período sizígia, nos dias 15 e 17 de julho de 2000, são apresentados nas figuras 20 (a) e (b), respectivamente.

63 63 Figura 20 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17 de julho Tempo inicial igual a 8 horas. Os máximos previstos correspondem a 0,49 m na enchente e -0,56 m na vazante para o dia 15 de julho. No dia 17, esses máximos foram iguais a 0,53 m na enchente e -0,58 na vazante. As amplitudes simuladas oscilaram entre 0,49 m e -0,56 m no dia 15 de julho e, no dia 17 entre 0,53 m e -0,58 m (Fig. 20 (a,b)). Na maré de sizígia os níveis simulados apresentam uma diferença de fase de aproximadamente 1 hora quando comparados com os previstos (Figura 20 (a e b)). Essa diferença de fase faz com que o índice Skill calculado para o período de sizígia diminua quando comparados com os valores de quadratura, sendo 0,69 e 0,89 para os dias 15 e 17 de julho, respectivamente. A figura 21 representa a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré, através do hodógrafo de velocidade u t x v t e das correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1.

64 64 Figura 21 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as componentes longitudinal (v t ) e transversal (v t ) simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho As intensidades da velocidade longitudinal simulada para a estação F 1 variam entre os máximos 1,0 m s -1 e -0,7 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,15 m s -1 na enchente e -0,13 m s -1 na vazante. Assim, a componente longitudinal da velocidade é uma ordem de grandeza mais intensa que a componente transversal (Fig. 21). A comparação entre as velocidades longitudinais amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 1 está representada na figura 22, sendo (a) o período de quadratura e (b) o período de sizígia. Na quadratura, as intensidades amostradas variam entre -0,72 m s -1 na vazante e 0,73 m s -1 na enchente (Fig. 22 (a)). Na maré de sizígia os dados variaram entre -0,57 e 0,83 m s -1 ((Fig. 22 (b)).

65 65 Figura 22 - Velocidades longitudinais amostradas e simuladas para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, em situações de (a) quadratura no dia 07 de julho e (b) e sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Com relação às velocidades simuladas, na quadratura as intensidades apresentam fase semelhante às amostradas, embora os valores tenham sido menos intensos que os amostrados, variando entre -0,66 e 0,56 m s -1 (Fig. 22 (a)). No período de sizígia as intensidades simuladas se aproximam das amostradas, porém com diferença de fase. Os máximos simulados correspondem a -0,64 m s -1 e 0,95 m s -1 (Fig 22 (b)). Segundo o índice Skill, os resultados simulados no período de quadratura (Figura 22 (a)) são os que mais se aproximam com os valores amostrados, com índice igual a 0,9. Na sizígia (Figura 22 (b)) a diferença de fase de até duas horas entre os dados, faz com que o Skill calculado seja igual a 0,80. O hodógrafo de velocidade u t x v t e os correspondentes componentes longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simulados para o ponto de grade correspondente à estação F 3 podem ser observados na Figura 23. As intensidades da velocidade longitudinal simulada para a estação F 3 são menores as simuladas para a estação F 1, variando entre os máximos 0,38 m s -1 e -0,3 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,12 m s -1 na enchente e -0,12 m s -1 na vazante (Fig. 23).

66 66 Figura 23 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho A figura 24 representa as velocidades longitudinais amostradas e as simuladas para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, durante o período de (a) quadratura e (b) sizígia. Figura 24 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadratura no dia 09 de julho e (b) e sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. As velocidades longitudinais amostradas na condição de quadratura oscilam entre -0,16 e 0,2 m s -1. As velocidades simuladas diferem tanto em fase como em intensidade das amostradas,

67 67 apresentando módulo máximo igual a 0,16 m s -1 (Figura 24 (a)). Na sizígia as intensidades simuladas (entre -0,3 m s -1 e 0,36 m s -1 ) se assemelham as amostradas (-0,29 e 0,35 m s -1 ), porém existe diferença de fase de até duas horas entre os dados (Figura 24 (b)). Essa discordância entre as velocidades amostradas e simuladas são confirmadas no índice Skill calculados em 0,74 e para a sizígia e em 0,70 para sizígia. Contudo esses índices também mostram que os resultados simulados são satisfatórios. A figura 25 ilustra as salinidades amostradas e as simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, no período de (a) quadratura e (b) sizígia. Figura 25 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F1 em situações de (a) quadratura no dia 07 de julho e (b) e sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Os valores simulados na quadratura oscilaram entre 30,39 e 30,07, enquanto os amostrados oscilaram entre 35,03 e 35,75 (Fig. 25 (a)). No período se sizígia, os valores amostrados variaram entre 34,98 e 35,52 e os simulados oscilaram entre 31,20 e 32,68 (Fig. 25 (b)). As salinidades simuladas não apresentaram concordância com as salinidades amostradas. Matematicamente, as salinidades simuladas também não apresentaram concordância, com índice Skill calculado em 0,057 na quadratura e 0,07 na sizígia. As figuras 26 (a) e (b) ilustram as oscilações de salinidade amostradas e medidas na estação F 3 para a maré de quadratura (a) e sizígia (b).

68 68 Figura 26 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em condições de (a) quadratura no dia 09 de julho e (b) e sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. A salinidade amostrada na quadratura oscila entre 30,62 e 31,12, enquanto a simulada permanece constante, igual a 29,99 (Fig. 26 (a)). Durante a sizígia a salinidade amostrada varia de 33,80 à e a simulada varia entre 32,68 e 31,2 (Fig. 26 (b)). Assim, não existe concordância entre os valores de salinidade simulados e amostrados. O índice Skill calculado para quadratura (0,16) e para sizígia (0,05) confirmam que os valores simulados não são válidos. Cenário II Neste cenário as simulações foram realizadas com a forçante da maré e a adição de campo de vento homogêneo e constante em toda a grade. A oscilação da maré simulada no ponto de grade correspondente à Ilha Fiscal e a oscilação prevista pelo programa PACMARE durante o período quadratura, nos dias 07 e 09 de julho de 2000, podem ser observadas figura 27 (a) e (b), respectivamente. Os resultados simulados para oscilação da superfície livre no dia 07 de julho (Fig. 27 (a)) são mais próximos dos valores previstos pelo programa PACMARE, uma vez que os valores simulados para o dia 09 de julho (Fig. 27 (b)) não apresentam a oscilação típica de quadratura observada na oscilação prevista. Numericamente os resultados obtidos são válidos, com índice Skill igual a 0,97 no dia 07 de julho, e 0,86 no dia 09 de julho 2000.

69 69 Figura 27 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas. A figura 28 ilustra as oscilações previstas pelo programa PACMARE e as oscilações simuladas para os dias (a) 15 de julho de 2000 e (b) 17 de julho de Figura 28 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17de julho Tempo inicial igual a 8 horas. Os resultados obtidos no dia 15 de julho apresentaram diferença de fase de até duas horas em relação aos valores previstos pelo programa PACMARE (Fig. 28 (a)), entretanto as amplitudes são bem próximas das previstas; assim o índice Skilll calculado é igual a 0,76. A diferença entre amplitudes e fase simuladas e previstas é menor no dia 17 de julho (Fig. 28 (b)), e o índice Skill é igual á 0,93.

70 70 A corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré está representada na figura 29, através do hodógrafo de velocidade u t x v t e das velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1. Figura 29 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de Os máximos de intensidades das velocidades longitudinal e da transversal simuladas para a estação F 1 ocorram durante a maré de sizígia. A velocidade longitudinal oscilou entre os máximos 1,01 m s -1 e -0,96 m s -1 enquanto para a velocidade transversal os máximos foram de 0,11 m s -1 na enchente e -0,15 m s -1 na vazante (Fig. 29). A figura 30 (a) e (b) ilustra as velocidades longitudinais amostradas e as simuladas para o ponto de grade correspondente à estação F 1 nos períodos de quadratura e sizígia, respectivamente.

71 71 Figura 30 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Na maré de quadratura, o módulo de intensidade das correntes não ultrapassou o valor 0,75 m s -1. As intensidades simuladas não oscilaram da mesma forma que as medidas (Figura 30 (a)), porém como estão em fase, o índice matemático foi calculado em 0,91. As intensidades simuladas para a sizígia variam entre -0,8 m s -1 na vazante e 0,95 m s -1 na enchente e aproximam-se das amostradas (Figura 30 (b)), contudo a maior diferença de fase (2 horas) entre os dados faz com que o índice Skill seja menor que pra quadratura (Skill = 0,85). A figura 31 ilustra a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré, através do hodógrafo de velocidade u t x v t e das velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3. A velocidade longitudinal atingiu os máximos de 0,39 m s -1 na enchente e -0,38 m s -1 na vazante, enquanto os máximos da velocidade transversal foram iguais a de 0,11 m s -1 na enchente e -0,12 m s -1 na vazante

72 72 Figura 31 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de A figura 31 (a) mostra que as intensidades simuladas na quadratura variaram entre -0,19 m s -1 e 0,11 m s -1. Os valores modelados na sizígia (Figura 31 (b)) oscilaram entre -0,33 m s -1 e 0,37 m s -1. Figura 32 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas.

73 73 Os valores simulados no período de sizígia (Fig. 32 (a)) apresentaram maior concordância com os valores amostrados (Skill igual a 0,81), embora exista uma diferença de fase de aproximadamente uma hora entre os dados, as intensidades simuladas se assemelham as amostradas. Na quadratura (Fig. 32 (b)) as intensidades simuladas diferem das amostradas e a diferença de fase entre os valores simulados e amostrados, fez com que o índice calculado caísse para 0,74 nessa estação. Os valores de salinidade amostrados e simulados no ponto de grade correspondente à estação F 1 no período de quadratura e sizígia estão ilustrados na figura 33 (a) e (b), respectivamente. Figura 33 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. A salinidade simulada para a quadratura é praticamente constante (Fig. 33 (a)). Durante a sizígia é possível observar a uma variação da salinidade simulada entre 31,09 e 32,55 (Fig. 33 (b)). Os índices Skill calculados em 0,05 para a quadratura e 0,06 para a sizígia, confirmam que os valores simulados não são concordantes com os valores amostrados na estação F 1. A figura 34 (a) e (b) apresenta as salinidades simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 e as salinidades amostradas na estação.

74 74 Figura 34 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Os valores simulados na quadratura permanecem constantes ao longo do tempo (Fig. 34 (a)). A salinidade simulada na sizígia também quase não oscilou (Fig. 34 (b)). O índice matemático foi igual a 0,16 na quadratura e 0,05 na sizígia. Cenário III As simulações realizadas nesse cenário tiveram a maré como forçante com a influência da drenagem continental média para o período. A figura 35 ilustra as oscilações previstas e as simuladas no ponto de grade correspondente a Ilha Fiscal nos dias 07 e 09 de julho. Figura 35 - Simulações de oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de quadratura nos dias (a) 07 de julho de 2000, e (b) 09 de julho Tempo inicial igual a 8 horas.

75 75 As oscilações simuladas na quadratura variaram entre -0,26 m e 0,26 m no dia 07 de julho (Figura 35 (a)) e entre e 0,28 no dia 09 de julho de 2000 (Figura 35 (b)). As amplitudes simuladas para o dia 07 de julho assemelham-se às previstas pelo PACMARE e o índice Skill foi calculado em 0,97. A simulação para o dia 09 de julho apresentou amplitudes diferentes da prevista, o que é confirmando pelo índice Skill igual a 0,88. As oscilações previstas e as simuladas no ponto de grade correspondente a Ilha Fiscal para o dia 15 de julho e para o dia 17 de julho de 2000 estão representadas na figura 36 (a) e (b), respectivamente. Figura 36 - Simulações de oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARÉ em condições de sizígia nos dias (a) 15 de julho de 2000, e (b) 17 de julho Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação modelada para o dia 15 de julho apresentou diferença de fase em relação à oscilação prevista, com máximos de 0,53 m na enchente e -0,55 m na vazante (Figura 36 (a)). No dia 17 os níveis simulados se aproximaram dos amostrados, variando entre -0,58 m e 0,55 m (Figura 36 (b)). Para a sizígia os níveis simulados apresentaram boa concordância com os previstos, com índice Skill igual a 0,78 para o dia 15, e igual a 0,94 para o dia 17 de julho. A corrente barotrópica simulada durante o período de 02 a 17 de julho de 2000 no ponto de grade correspondente à estação F 1 pode ser observada na figura 37.

76 76 Figura 37 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de A componente longitudinal da velocidade simulada apresentou intensidades muito maiores que as da componente longitudinal, com máximos entre 0,79 m s -1 e -0,80 m s -1 para a componente longitudinal e entre - 0,07 m s -1 e 0,04 m s -1 para a componente transversal (Fig. 37). A figura 38 (a) e (b) ilustra as velocidades longitudinais simuladas e as amostradas durante a estação fixa F 1 nas condições de quadratura e sizígia, respectivamente. Figura 38 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas.

77 77 Na maré de quadratura (Fig. 38 (a)) as velocidades simuladas foram menos intensas que as amostradas, mas com fase semelhante, variando entre -0,79 a 0,47 m s -1. Na sizígia (Fig. 38 (b)) as intensidades modeladas estão bem próximas das amostradas, variando entre -0,73 m s -1 na vazante e 0,79 m s -1 na enchente. Entretanto esses valores apresentam uma diferença de fase de até 2 horas ao longo do período de simulação. A comparação entre os valores de velocidade longitudinal amostrados e simulados na estação F 1 através do método Skill, mostra que os melhores resultados são obtidos na quadratura (Skill igual a 0,91), embora o índice calculado para a sizígia também tenha se mostrado satisfatório (igual a 0,82). O hodógrafo da velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré são apresentados na figura 39. Figura 39 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de

78 78 A componente longitudinal da velocidade apresentou intensidades máximas de 0,4 m s -1 na enchente e -0,3 m s -1 na vazante. As intensidades da componente transversal oscilaram entre - 0,08 m s -1 e 0,07 m s -1 (Fig.39). A figura 40 apresenta os valores de intensidade da velocidade longitudinal amostrados e os simulados para o ponto correspondente à estação F 3. Figura 40 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Os resultados simulados na maré quadratura (Fig. 40 (a)) oscilaram entre -0,3 m s -1 e 0,36 m s -1. Na maré de sizígia (Fig. 40 (b)) variaram entre 0,18 m s -1 e 0,11 m s -1. Embora as intensidades simuladas na sizígia sejam mais próximas das amostradas (Fig. 40 (b)), é possível notar diferença de faze entre esses valores (aproximadamente 1 hora). Já na quadratura (Fig. 40 (a)), os valores de intensidades simuladas diferem dos amostrados, mas conseguem apresentar a oscilação típica desse período de maré. Assim, segundo o índice Skill, a velocidade longitudinal modelada na quadratura (0,85) se mostrou melhor que a simulada na sizígia (0,82). Os valores de salinidade simulados e amostrados na estação fixa F 1, nos períodos de quadratura e sizígia, podem ser observados na figura 41 (a) e (b). Os valores simulados na quadratura apresentam pequena variação, enquanto os valores na sizígia variam entre 32,5 e 31,17. Os valores simulados não apresentaram concordância com os valores amostrados durante a estação.

79 79 Figura 41 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Mais uma vez, o índice matemático Skill (igual a 0,05 na quadratura e 0,07 na sizígia) confirma que os valores de salinidade simulados são discrepantes dos valores amostrados. As salinidades simuladas e amostradas na fixa estação F 3 no período de sizígia e de quadratura estão ilustradas na Figura 42 (a) e (b), respectivamente. Figura 42 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. As salinidades simuladas não apresentam concordância com as amostradas. Para a quadratura, as salinidades simuladas praticamente não variam com o tempo (Fig. 42 (a)) e o

80 80 índice calculado foi igual a 0,16. Na sizígia os valores oscilaram entre 29,88 e 30, 22 (Fig. 42 (b)) e o índice Skill foi calculado em 0,05. Cenário IV Neste cenário as simulações foram forçadas pela maré com adição da drenagem continental e de campo de vento constante e homogêneo. Como citado anteriormente, tanto os volumes de descarga como as intensidades do vento utilizadas nesse cenário representam valores médios no período de inverno. A figura 43 ilustra a oscilação prevista e a simulada durante o período de amostragens na quadratura. Figura 43 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 07 de julho, e (b) 09 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. No dia 07 de julho (Fig. 43 (a)) a oscilação da maré simulada variou entre -0,26 m e 0,26 m. No dia 09 de julho (Fig. 43 (b)) a amplitude máxima de enchente simulada corresponde a 0,28 m e a máxima de vazante igual a -0,07m. Os valores simulados no dia 07 de julho apresentam boa concordância em relação às amplitudes e fase previstas pelo programa PACMARE (Fig. 43 (a)), com índice Skill igual a 0,97. Os resultados obtidos no dia 09 apresentaram índice menor (Skill igual a 0,88), devido à diferença entre as amplitudes simuladas e previstas (Fig. 43 (b)).

81 81 As oscilações previstas e simuladas na Ilha Fiscal nos dias 15 e 17 de julho de 2000 podem ser observadas na figura 44 (a) e (b), respectivamente. Figura 44 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 15 de julho e (b) 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. As amplitudes simuladas para o dia 15 apresentaram máximo de enchente em 0,53 m e a máxima de vazante em -0,55 m (Fig. 44 (a)). Já no dia 17 de julho esses máximos correspondem a 0,55 m na enchente e -0,58 m na vazante (Fig. 44 (b)). Os resultados simulados apresentam boa concordância em relação aos previstos pelo PACMARE, principalmente no dia 17 de julho (Skill igual a 0,94), pois as amplitudes simuladas estão em fase com as previstas (Fig. 44 (b)). Embora os níveis simulados no dia 15 apresentem amplitudes semelhantes aos níveis previstos (Fig. 44 (a)), o índice Skill calculado foi menor (0,78) devido à diferença de fase entre as oscilações. A corrente barotrópica modelada para o ponto de grade correspondente à estação F 1 durante o período de 02 a 17 de julho 2000, representada no hodógrafo da velocidade u t x v t, pode ser observada na figura 45. A velocidade longitudinal apresentou máximos na maré de sizígia, oscilando entre 0,81 m s -1 na enchente e -0,97 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal os máximos de enchente ocorreram na maré de quadratura, sendo a intensidade máxima simulada igual a 0,4 m s -1, já o máximo de vazante ocorreu na sizígia ( -0,065 m s -1 ).

82 82 Figura 45 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de A figura 46 ilustra as velocidades longitudinais amostradas e modeladas para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 1. Figura 46 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas.

83 83 No período de quadratura (Fig. 46 (a)) as intensidades simuladas são menores que as amostradas e oscilam entre -0,79 e 0,47 m s -1. Durante a sizígia (Fig. 45 (b)) os valores simulados variam entre -0,73 m s -1 e 0,79 m s -1. As intensidades simuladas na sizígia são semelhantes às amostradas, entretanto o indicie Skill calculado (0,82) é menor do que o calculado na quadratura (Skill = 0,91). O hodógrafo da velocidade u t x v t representando a corrente barotrópica modelada para o ponto de grade correspondente à estação F 3, durante o período de 02 a 17 de julho 2000, pode ser observado na figura 47. Figura 47 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ), simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 02 à 17 de julho de A velocidade longitudinal simulada apresentou máximos de 0,38 m s -1 na enchente e -0,35 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal simulada o máximo de enchente foi igual 0,06 m s -1 e o máximo de vazante igual a -0,07 m s -1 (Fig. 47). A figura 48 representa as velocidades amostradas e simuladas para o ponto de grade correspondente à estação F 3.

84 84 Figura 48 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. Na quadratura as intensidades simuladas variam entre -0,18 m s -1 na vazante e 0,11 m s -1 na enchente (Fig. 48 (a)). Os extremos de intensidade simulados para a maré de sizígia correspondem a 0,34 m s -1 na enchente e -0,29 m s -1 na vazante (Fig. 48 (b)). Os valores simulados na quadratura apresentam diferença de fase até a 11 a hora de estação, entretanto é possível observar a oscilação típica desse período de maré (Fig. 48 (a)), dessa forma o índice Skill calculado foi igual a 0,85. Os resultados de sizígia também apresentam boa concordância com os amostrados, porém com diferença de fase (Fig. 48 (b)), fazendo com que índice calculado fosse igual a 0,82. Os valores de salinidade amostrados e simulados para a estação F 1 no período de quadratura e de sizígia estão representados na figura 49 (a) e (b), respectivamente. Figura 49 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura no dia 07 de julho e (b) sizígia no dia 15 de julho de 2000.

85 85 Os resultados obtidos para a quadratura apresentaram pouca variação, entre 30,11 e 30,44 (Fig. 49 (a)). Na sizígia os valores variam entre 31,18 e 32,52 (Fig. 49 (b)). Os valores simulados para a salinidade não são concordantes com os amostrados durante as estações F 1, apresentando índice Skill igual a 0,05 na quadratura e 0,07 na sizígia. A figura 50 (a) e (b) ilustra as salinidades modeladas e amostradas durante as estações fixas F 3 no período de quadratura e sizígia, respectivamente. Figura 50 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação F 3 em situações de (a) quadradura no dia 09 de julho e (b) sizígia no dia 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas. No período de amostragem de dados de quadratura, não houve variação dos valores de salinidade simulada para a estação F 3 (Fig. 50 (a)), e o índice calculado foi igual a 0,16. No período de sizígia (Fig. 50 (b)) esse índice também não foi satisfatório (Skill = 0,05) e variação da salinidade foi muito pequena (entre 29,87 e 30,22) Simulações de Verão As simulações correspondentes à etapa de verão foram realizadas para o período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro de Como a estação fixa F 1 realizada no dia 10 de fevereiro durou apenas 9 horas, os gráficos comparativos referentes a essa estação são feitos com tempo igual a 9 horas.

86 86 Cenário I Neste cenário as simulações foram realizadas utilizando a maré como forçante. As oscilações previstas pelo PACMARE e as simuladas no período de quadratura, para os dias 02 e 04 de fevereiro de 2001 estão ilustradas na figura 51 (a) e (b), respectivamente. Figura 51 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação prevista para o dia 02 de fevereiro (Fig. 51 (a)) variou entre -0,21 m e 0,15 m, enquanto os valores modelados variaram entre -0,21 m e 0,15 m. As amplitudes simuladas apresentaram uma pequena concordância com as previstas, mesmo assim o índice Skill calculado mostrou que os resultados foram satisfatórios (Skill = 0,64). No dia 04 de fevereiro (Fig. 51 (b)) o nível de água previsto oscilou em torno de -0,27 m e 0,28 m, e o simulado entre -0,37 m e 0,28 m. A oscilação simulada apresentou maior coerência com a prevista, porém com diferença de fase. O índice Skill calculado foi igual a 0,80. A figura 52 (a) e (b) representa as oscilações de maré previstas e simuladas para o ponto de grade correspondente à Ilha Fiscal nos dias 10 e 12 de fevereiro, respectivamente.

87 87 Figura 52 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação prevista para o dia 10 de fevereiro variou entre -0,45 m e 0,49 m, enquanto a simulada oscilou entre -0,56 m e 0,54 m (Fig. 52 (a)). Em 12 de fevereiro os valores previstos oscilaram em torno de -0,2 m e 0,43 m, enquanto os modelados oscilaram entre -0,42 m e 0,4 m (Fig. 52 (b)). Os melhores resultados foram obtidos no dia 10 de fevereiro (Skill = 0,94), pois estão em fase com a oscilação prevista para o período. No dia 12 os níveis simulados apresentaram amplitudes semelhantes aos previstos, porém com diferença de fase. Assim, o índice Skill foi calculado em 0,88. A corrente barotrópica no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, no período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro de 2001, está representada na figura 53. É possível perceber que velocidade longitudinal (v t ) é muito mais intensa que a velocidade transversal (u t ). As intensidades da velocidade longitudinal simulada para a estação F 1 variam entre os máximos 1,23 m s -1 e -0,83 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,21 m s -1 na enchente e -0,17 m s -1 na vazante. Assim, a componente longitudinal da velocidade é uma ordem de grandeza mais intensa que a componente transversal (Fig. 54).

88 88 Figura 53 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de A figura 55 (a) e (b) ilustra as velocidades longitudinais simuladas e as amostradas durante a estação F 1 durante o período de quadratura e de sizígia, respectivamente. Figura 54 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

89 89 Na maré de quadratura a intensidade máxima amostrada na vazante foi igual a -0,33 m s -1 e na enchente o máximo foi igual a 0,28 m s - 1. As intensidades simuladas não se assemelharam as amostradas, variado entre -0,23 e 0,26, enquanto (Fig. 54 (a)). Na sizígia os dados amostrados variaram entre -0,38 e 0,86 m s -1, enquanto as intensidades modeladas variam entre -0,65 e 1,06 m s -1 (Fig. 54 (b)). As velocidades simuladas para a quadratura não apresentaram concordância com as amostradas (Skill = 0,42). Contudo, a velocidade simulada para sizígia apresentou intensidades semelhantes e em fase com as simuladas, assim o índice Skill igual a 0,94. O hodógrafo da velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 estão representados na figura 55. Nessa estação há intensificação da velocidade transversal, porém a velocidade longitudinal ainda é mais intensa. Figura 55 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de Na estação F 3 as intensidades da velocidade longitudinal simulada variam entre os máximos 0,43 m s -1 e -0,39 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,15 m s -1 na enchente e -0,15 m s -1 na vazante (Fig. 55).

90 90 As velocidades amostradas durante a estação fixa F 3 no período de sizígia e quadratura e os correspondentes valores modelados estão representados na figura 56 (a) e (b) respectivamente. Figura 56 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia. no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. As velocidades amostradas durante a quadratura variam entre -0,24 m s -1 e 0,11 m s -1 e as simuladas variaram entre -0,17 m s -1 e 0,26 m s -1 (Fig. 56 (a)). As intensidades simuladas não apresentaram muita concordância com as amostradas, entretanto o matematicamente de mostraram satisfatórias (Skill= 0,77). Durante a sizígia a intensidade máxima de enchente amostrada corresponde a 0,3 m s -1 e a de vazante igual a -0,37 m s -1, enquanto as simuladas variaram entre - 0,39 e 0,29 (Fig. 56 (b)). As intensidades modeladas são similares e estão em fase com as amostradas e o índice Skill foi calculado em 0,94. A figura 57 representa as salinidades simuladas e as amostradas na estação fixa F 1 no período de (a) quadratura, e (b) sizígia. Os valores modelados na quadratura permanecem quase constantes, enquanto os amostrados variam entre 35,08 e 34,51 (Fig. 57 (a)). Na sizígia os valores amostrados variam 34,36 e 35,36, enquanto os simulados variam entre 31,67 e 32,94 (Fig. 57 (b)). Portanto, os resultados de salinidade não apresentaram concordância com os dados amostrados na estação, o que é comprovado pelo índice Skill, igual a 0,04 na quadratura, e a 0,23 na sizígia.

91 91 Figura 57 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A figura 58 (a) e (b) ilustra as salinidades amostradas e simuladas para estação fixa F 3 nos períodos de quadratura e sizígia, respectivamente. Figura 58 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. Os valores amostrados na estação fixa F 3 oscilam entre 33 e 34,06 na quadratura, enquanto os valores simulados são constantes (Fig. 58 (a)). Na sizígia os valores amostrados variaram entre 32,01 e 33,14 enquanto o simulado variou entre 30,14 e 30,47(Fig. 58 (b)). Assim como na estação F 1, os resultados modelados não apresentaram boa concordância com os dados amostrados, apresentando índices numéricos calculados em 0,1 na quadratura e 0,18 na sizígia.

92 92 Cenário II Neste cenário as simulações foram realizadas com a adição de campo de vento constante e homogêneo ao longo da grade. A oscilação da maré prevista pelo programa PACMARE e a oscilação simulada no ponto correspondente à Ilha Fiscal para os dias 02 e 04 de fevereiro de 2001 estão representados na figura 59 (a) e (b), respectivamente. Figura 59 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação simulada para o dia 02 de fevereiro variou entre -0,06 m e 0,16 m (Fig. 59 (a)). Para o dia 04 de fevereiro, essa oscilação ficou em torno de m e 0,32 m (Fig. 59 (b)). Os valores simulados no dia 04 de fevereiro acompanham a oscilação prevista, apresentando assim os melhores resultados (Skill = 0,8). A simulação do dia 02 de fevereiro apresentou índice Skill calculado em 0,24. A figura 60 (a) e (b) representa as oscilações modeladas e previstas em condições de sizígia nos dias 10 e 12 de fevereiro de 2001, respectivamente.

93 93 Figura 60 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. Os valores simulados no dia 10 de fevereiro oscilaram entre -0,56 m e 0,54 m, enquanto no dia 12 de fevereiro os resultados variaram entre -0,42 m e 0,40 m. A oscilação simulada para o dia 10 de fevereiro apresentou amplitudes e fase semelhantes as da oscilação prevista (Fig. 60 (a)). No dia 12 de fevereiro, as amplitudes previstas foram similares às previstas, porém com diferença de fase de aproximadamente 1 hora (Fig. 60 (b)). Os índices calculados para a sizígia (Fig. 60 (a) e (b)) mostram que os níveis de água simulados apresentaram concordância com os previstos, com índices Skill iguais a 0,94 e 0,88 para os dias 10 e 12 de fevereiro, respectivamente. A figura 61 ilustra o hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas para a estação F 1 durante o período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro. As intensidades da velocidade longitudinal simulada para a estação F 1 variam entre os máximos 1,2 m s -1 e -0,89 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,19 m s -1 na enchente e -0,18 m s -1 na vazante (Fig. 61).

94 94 Figura 61 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de A figura 62 (a) e (b) representa as velocidades longitudinais modeladas e amostradas na estação fixa F 1 em condições de quadratura e sizígia, respectivamente. Figura 62 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

95 95 A velocidade longitudinal simulada para a estação F 1 no período de quadratura oscila em torno de -0,23 m s -1 e 0,26 m s -1 e não apresenta concordância com as velocidades amostradas (Fig. 62 (a)), fato comprovado matematicamente pelo o índice Skill igual a 0,42. Na sizígia, as velocidades simuladas apresentaram intensidades semelhantes e em fase com as amostradas, variando entre -0,65 m s -1 e 1,06 m s -1 (Fig. 62 (b)). O índice Skill igual a 0,94. A corrente barotrópica simulada para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 no período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro pode ser observada na figura 63. Figura 63 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de As intensidades da velocidade longitudinal simulada para a estação F 3 variam entre os máximos 0,42 m s -1 e -0,39 m s -1 na maré de sizígia. A velocidade transversal atingiu na maré de sizígia os máximos de 0,15 m s -1 na enchente e -0,14 m s -1 na vazante (Fig. 63). As velocidades amostradas na estação fixa F3 e os correspondentes valores simulados, no período de quadratura e de sizígia estão representados na figura 64 (a) e (b), respectivamente. Na quadratura as velocidades simuladas variam entre os máximos de -0,17 m s -1 no período de vazante e 0,27 m s -1. As intensidades simuladas apresentaram diferença de fase com a

96 96 amostrada, e na enchente as intensidades foram muito maiores que as amostradas (Fig. 64 (a)). O índice Skill foi calculado em 0,75. Figura 64 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de(a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. No período de sizígia (Fig. 64 (b)), as intensidades simuladas oscilam entre -0,32 m s -1 e 0,29 m s -1 e apresentam boa concordância com as velocidades amostras, com índice Skill igual a 0,93. A figura 65 representa a variação da salinidade modelada e da amostrada durante a estação fixa F 1, no período de quadratura (Figura 65 (a)) e de sizígia (Figura 65 (b)). Figura 65 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

97 97 Na quadratura os valores simulados são muito menores que os amostrados, e variam entre 30,43 e 30,68 (Fig. 65 (a)). O Skill, calculado em 0,04, também aponta essa discordância entre as salinidades amostradas e simuladas. Na sizígia (Fig. 65 (b)) o índice foi calculado em 0,23, pois os valores de salinidade simulados diferiram muito dos amostrados, oscilando entre 31,68 e 32,97. A figura 66 representa a variação da salinidade modelada e da amostrada durante a estação fixa F 3, no período de quadratura (Figura 66 (a)) e de sizígia (Figura 66 (b)). Figura 66 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A salinidade simulada durante o período de amostragem na quadratura, praticamente não variou com o tempo permanecendo muito abaixo da amostrada. (Fig. 66 (a)). Durante a sizígia houve uma pequena variação, em torno de 30,14 e 30, 47, mas ainda assim a salinidade amostrada foi muito maior (Fig. 66 (b)). O índice Skill foi calculado em 0,18 na quadratura e 0,1 na sizígia. Cenário III Neste caso, as simulações foram realizadas com a adição dos valores médios de descarga fluvial para o período de verão descrito anteriormente.

98 98 A oscilação da maré prevista pelo programa PACMARE e a oscilação sumulada no ponto de grade correspondente à Ilha Fiscal para os dias 02 e 04 de fevereiro estão representadas na figura 67 (a) e (b), respectivamente. Figura 67 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. As oscilações simuladas no período de quadratura variaram entre -0,08 m e 0,18 m no dia 02 de fevereiro (Fig. 67 (a)), e entre -0,22 m e 0,32 m no dia 04 de fevereiro de 2001 (Fig. 67 (b)). A oscilação simulada para o dia 02 difere em amplitudes e fase da oscilação prevista (Fig (a)). Assim índice calculado para o dia 02 de fevereiro foi igual a 0,68. Para o dia 04 de fevereiro, as amplitudes simuladas se assemelham às previstas, porém com diferença de fase de aproximadamente 1 hora na vazante (Fig. 67 (b)). O índice Skill foi calculado em 0,81. A figura 68 (a) e (b) representa a oscilação da maré prevista e a oscilação simulada no ponto de grade correspondente à Ilha Fiscal para os dias 10 e 12 de fevereiro.

99 99 Figura 68 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação simulada para o dia 10 de fevereiro apresentou amplitudes e fase semelhantes as da oscilação prevista, variando entre -0,53 m e 0,55 m (Figura 68 (a)). No dia 12 de fevereiro, as amplitudes previstas foram similares às previstas, variando entre -0,37 m e 0,41 m, porém apresentam diferença de fase de aproximadamente 1 hora (Figura 68 (b)). Os índices calculados para a sizígia mostram que a oscilação da maré simulada apresentara concordância com a previsto, com índices Skill iguais a 0,95 e 0,93 para os dias 10 e 12 de fevereiro, respectivamente. A figura 69 ilustra o hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas para a estação F 1 durante o período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro. A velocidade longitudinal (Fig. 69) apresentou máximos na maré de sizígia, oscilando entre 0,81 m s -1 na enchente e -0,98 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal os máximos de enchente ocorreram na maré de quadratura, sendo a intensidade máxima simulada igual a 0,06 m s -1, já o máximo de vazante ocorreu na sizígia ( -0,07 m s -1 ).

100 100 Figura 69 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de A figura 70 (a) e (b) representa as velocidades longitudinais modeladas e amostradas na estação fixa F 1 em condições de quadratura e sizígia, respectivamente. Figura 70 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

101 101 A velocidade longitudinal simulada para a estação F 1 no período de quadratura oscilou em torno de -0,24 m s -1 e 0,22 m s -1 e apresentou intensidades semelhantes, mas com diferença de fase de aproximadamente 2 horas em relação às velocidades amostradas (Fig. 70 (a)). A pouca concordância entre as velocidades previstas e amostradas é comprovada matematicamente pelo o índice Skill igual a 0,68. Na sizígia, as velocidades simuladas apresentaram intensidades semelhantes e em fase com as amostradas, variaram entre -0,61 m s -1 e 0,74 m s -1 (Fig. 70 (b)). O indicie Skill foi calculado em 0,97. A corrente barotrópica simulada para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 no período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro pode ser observada na figura 71. A velocidade longitudinal apresentou máximos na maré de sizígia, oscilando entre 0,38 m s -1 na enchente e -0,36 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal as intensidades oscilaram entre os máximos de 0,08 m s -1 e -0,09 m s -1 (Fig. 71). Figura 71 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de As velocidades amostradas durante a estação fixa F 3 no período de sizígia e quadratura e os correspondentes valores modelados estão representados na figura 72 (a) e (b), respectivamente.

102 102 Figura 72 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de(a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. As velocidades simuladas na quadratura (Fig. 72 (a)) variaram entre -0,15 m s -1 e 0,21 m s -1. As intensidades simuladas apresentaram diferença de fase com a amostrada, na enchente as intensidades foram muito maiores que as amostradas e na vazante as intensidades foram menores. Entretanto, índice Skill foi calculado em 0,68 mostrou que os resultados são satisfatórios. Durante a sizígia (Fig. 72 (b)) as intensidades simuladas oscilaram entre -0,29 m s -1 e 0,22 m s -1, e apresentam boa concordância com as velocidades amostras, com índice Skill igual a 0,95. As salinidades modeladas e as correspondentes amostradas na estação fixa F 1 no período de quadradura e de sizígia estão representadas na figura 73 (a) e (b), respectivamente. Figura 73 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

103 103 Nos dois períodos a salinidade modelada é muito menor que a amostrada. Na quadratura os valores simulados variam entre 30,32 e 30,59 (Fig. 73 (a)) e na sizígia os valores de salinidade variam entre 31,23 e 32,30 (Fig. 73 (b)). A comparação através do índice matemático comprova que os valores simulados para a salinidade não são concordantes com os amostrados durante as estações de quadratura (Skill igual a 0,04) e de sizígia (Skill igual a 0,19). As salinidades simuladas e as correspondentes amostradas na estação fixa F 3 no período de quadradura e de sizígia estão representadas na figura 74 (a) e 74 (b), respectivamente. Figura 74 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. Na quadratura, os valores de salinidade simulados oscilaram entre e 29,81 (Figura 74 (a)), enquanto na sizígia os valores variaram entre 28,69 e 29,23 (Figura 74 (b)). Como os valores simulados foram muito menores que os amostrados, o índice Skill foi calculado em 0,09 na quadratura e 0,12 na sizígia. Cenário IV Neste cenário as simulações foram realizadas com adição da drenagem continental e de campo de vento constante e homogêneo. As oscilações previstas pelo PACMARE e as simuladas no período de quadratura, para os dias 02 e 04 de fevereiro de 2001 estão ilustradas na figura 75 (a) e (b), respectivamente.

104 104 A oscilação simulada para o dia 02 de fevereiro variou entre -0,08 m e 0,18 m, e apresenta pouca concordância de amplitude e fase com a oscilação prevista (Figura 75 (a)). Para o dia 04 de fevereiro, as amplitudes simuladas apresentam concordância com as previstas, mas com diferença de fase de aproximadamente 1 hora. As amplitudes máximas simuladas foram iguais a m na vazante e 0,32 m na enchente (Figura 75 (b)). Figura Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de quadratura, no período de (a) 02 de fevereiro, e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. As oscilações simuladas para a quadratura apresentaram índices Skill iguais a 0,68 e 0,81 nos dias 02 e 04 de fevereiro, respectivamente. A figura 76 (a) e (b) representa as oscilações modeladas e previstas em condições de sizígia nos dias 10 e 12 de fevereiro de 2001, respectivamente.

105 105 Figura 76 - Simulação da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo PACMARE em condições de sizígia, no período de (a) 10 de fevereiro, e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A oscilação simulada para o dia 10 de fevereiro apresentou amplitudes e fase semelhantes as da oscilação prevista, variando entre -0,53 m e 0,55 m (Fig. 76 (a)). No dia 12 de fevereiro, as amplitudes simuladas foram similares às previstas os resultados variando entre -0,37 m e 0,41 m, porém apresentam diferença de fase de aproximadamente 1 hora (Fig. 76 (b)). A oscilação simulada para o dia 10 de fevereiro produziu os melhores resultados, sendo o índice Skill calculado em 0,96. O Skill calculado para o dia 12 de fevereiro foi igual a 0,93. A figura 77 ilustra o hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes velocidades longitudinal (v t ) e transversal (u t ) simuladas para a estação F 1 durante o período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro.

106 106 Figura 77 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de A velocidade longitudinal apresentou máximos na maré de sizígia, oscilando entre 0,81 m s -1 na enchente e -0,99 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal os máximos de enchente ocorreram na maré de quadratura, sendo a intensidade máxima simulada igual a 0,06 m s -1, já o máximo de vazante ocorreu na sizígia e foi igual a -0,06 m s -1 (Fig. 77) A figura 78 (a) e (b) representa as velocidades longitudinais modeladas e amostradas na estação fixa F 1 em condições de quadratura e sizígia, respectivamente.

107 107 Figura 78 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 1, em situações (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. A velocidade longitudinal simulada para a estação F1 no período de quadratura oscila em torno de -0,24 m s -1 e 0,22 m s -1 (Figura 78 (a)), apresentando diferença de fase aproximadamente 1 hora com as intensidades amostradas. Contudo, o índice Skill igual a 0,64 indica que os resultados são satisfatórios. Na sizígia, as velocidades simuladas apresentaram intensidades semelhantes e em fase com as amostradas variando entre -0,60 m s-1 e 0,74 m s-1 (Figura 78 (b)). A velocidade simulada para sizígia apresentou índice Skill igual a 0,97. A corrente barotrópica simulada para o ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 no período de 25 de janeiro a 13 de fevereiro pode ser observada na figura 79. A velocidade longitudinal apresentou máximos de 0,37 m s -1 na enchente e -0,37 m s -1 na vazante. Para a velocidade transversal os máximos de enchente foi 0,07 m s -1 e o máximo igual a -0,09 m s -1 (Fig. 79).

108 108 Figura 79 - Hodógrafo de velocidade u t x v t e as correspondentes séries temporais simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3, mostrando a corrente barotrópica modulada quinzenalmente pela maré no período de 25 de janeiro à 13 de fevereiro de As velocidades amostradas durante a estação fixa F 3 no período de sizígia e quadratura e os correspondentes valores modelados estão representados nas figuras 80 (a) e (b), respectivamente. Figura 80 - Velocidades longitudinais simuladas e amostradas na estação fixa F 3, em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

109 109 As velocidades simuladas na quadratura variaram entre -0,15 e 0,21 e apresentaram diferença de fase com a amostrada, as intensidades simuladas foram maiores que as amostradas na enchente (Fig. 80 (a)). Durante a sizígia as intensidades simuladas oscilam entre -0,29 m s -1 e 0,23 m s -1, apresentando boa concordância de fase com as velocidades amostradas, porém com uma pequena atenuação da intensidade (Fig. 80 (b)). A figura 81 representa a salinidade modelada e amostrada durante a estação fixa F 3, no período de quadratura (Figura 81 (a)) e de sizígia (Figura 81 (b)). Figura 81 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 1 em situações de (a) quadradura, no dia 02 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 10 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. Na quadratura os valores simulados variam entre 30,33 e 30,61 (Fig. 81 (a)), enquanto na sizígia esses valores oscilaram entre 31,24 e 32,32 (Fig. 81 (a)). Nos dois casos os resultados de salinidade não apresentaram concordância com os dados amostrados na estação, o que é comprovado pelo índice Skill, igual a 0,04 na quadratura, e a 0,20 na sizígia. A figura 6.71 representa a salinidade modelada e amostrada durante a estação fixa F 3, no período de quadratura (Figura 82 (a)) e de sizígia (Figura 82 (b)).

110 110 Figura 82 - Salinidades amostradas e simuladas no ponto de grade correspondente à estação fixa F 3 em situações de (a) quadradura, no dia 04 de fevereiro e (b) sizígia, no dia 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas. Nos dois períodos de simulações, as salinidades modeladas se mostram muito menores que as amostradas. Na quadratura, os valores de salinidade simulados oscilaram entre e 29,81 (Figura 82 (a)) e o Skill foi calculado em 0,09, enquanto na sizígia os valores variaram entre 28,67 e 29,22 (Figura 82 (b)) e o índice Skill foi igual a 0,12.

111 DISCUSSÃO Durante a calibração os números de Manning testados produziram resultados diferentes de oscilação e velocidade longitudinal. Para a calibração da oscilação da maré, o número de Manning (n) igual a 0,04 m 1/6 reproduziu melhor as amplitudes e fases previstas pelo programa PACMARE, principalmente na maré de sizígia. Na quadratura as amplitudes simuladas foram menores que as previstas, porém apresentaram boa concordância em relação à fase das oscilações (Figuras 13 e 14). Com relação às velocidades longitudinais, os melhores resultados simulados para a estação F 1 correspondem a n=0,04 m 1/6 e n=0,06 m 1/6, na quadratura e sizígia, respectivamente (Figuras 15 e 16). Na estação F 3, os melhores resultados foram obtidos para n=0,04 m 1/6 e n=0,06 m 1/6, na sizígia e quadratura, respectivamente (Figuras 17 e 18). Embora as velocidades longitudinais modeladas para a estação F 1, na sizígia, e para F 3, na quadratura, tenham apresentado melhores resultado para n=0,06 m 1/6, as velocidades simuladas para n=0,04 m 1/6 também foram satisfatórias. Já nas simulações de oscilação da maré, os resultados obtidos para n=0,06 m 1/6 não apresentaram boa concordância com a oscilação prevista. Dessa forma, n=0,04 m 1/6 produziu resultados satisfatórios em todas as simulações durante o processo de calibração. Nas simulações de oscilação da superfície livre, tanto verão como inverno, não houve diferença entre os cenários I (Fig. 19, 20, 51 e 52) e II (Fig. 27, 28, 59 e 60), forçado pela maré e forçado pela maré e vento, respectivamente; assim como entre os cenários III e IV, forçado pela maré e descarga fluvial (Fig. 35, 36, 67 e 68) e forçado pela maré, descarga fluvial e vento (Fig. 43, 44, 75 e 76), respectivamente. As simulações de oscilação da maré, em todos os cenários (I, II, III e IV), realizadas para o período de inverno (Fig. 19, 20, 27, 28, 35, 36, 43, e 44) apresentaram, qualitativamente, resultados melhores dos que os obtidos para o verão (Fig. 51, 52, 59, 60, 67, 68, 75, e 76). Todas as simulações apresentaram, na maré de sizígia, amplitudes muito próximas das previstas, entretanto com diferenças de fases entre os resultados simulados e previstos. Em todos os casos, a adição da forçante da descarga fluvial atenuou essa diferença. Embora as amplitudes de maré modeladas para a sizígia tenham apresentado melhores resultados, os parâmetros Skill mostram que, quantitativamente, os resultados simulados na maré

112 112 quadratura apresentam maior concordância com os resultados previstos. Nos períodos de quadratura a diferença de fase entre os valores simulados e previstos foram bem menores que na sizígia, o que indica uma sensibilidade maior do parâmetro Skill às variações de fase. As velocidades longitudinais simuladas com a forçante do vento (cenário II e IV), em geral, não apresentaram diferenças significativas em relação às simuladas para os cenários sem essa forçante (I e III). Entretanto nas simulações de inverno, o sinal do vento nos resultados simulados foi mais pronunciado (Figs. 22 e 24), sendo mais intenso em quadratura (Figs. 22 (a) e 24 (a)). Essa aparente intensificação ocorre devido à diminuição da intensidade da forçante da descarga fluvial nos experimentos de inverno, bem como a diminuição da intensidade da forçante da maré durante as marés de quadratura. As oscilações de intensidade das velocidades longitudinais simuladas durante as marés de sizígia apresentaram maior defasagem em relação aos resultados amostrados, tal como observado nas simulações de oscilação da superfície livre. Essa semelhança no padrão de oscilação é esperado, uma vez que o modelo simula velocidades barotrópicas (constantes em profundidade), tendo como principal forçante a maré. As velocidades longitudinais simuladas para a estação fixa F 1 (Fig. 21, 29, 37 e 45) são mais intensas que na estação F 3 (Fig. 23, 31, 39 e 47). Esse resultado foi descrito em diversos trabalhos experimentais realizados na baía, tais como JICA (1994), AMADOR (1997), KJERFVE et al. (1997), CAMARGO (2002), BÉRGAMO (2006), dentre outros. A intensificação da velocidade ocorre devido à configuração da linha de costa, onde ocorre o estreitamento do canal na entrada da baía. Além disso, a menor profundidade na estação F 3 intensifica a influência do atrito com o fundo, causando diminuição da intensidade das velocidades. Os hodógrafos das velocidades simuladas para a estação F 3 (Fig. 23, 31, 39 e 47), mostram que neste ponto as correntes de enchente têm sentido para nordeste, e na vazante para sudoeste. A direção predominante dessas correntes sugere a influência da batimetria, pois coincide com a direção do canal de navegação (Fig. 5). Esse comportamento das correntes foi verificado experimentalmente por BÉRGAMO (2006). Em relação aos componentes longitudinais e transversais das velocidades simuladas para F1 e F3 observa-se, como esperado para essas localizações (estações posicionadas no canal de

113 113 navegação), maior intensidade do componente longitudinal, em aproximadamente uma ordem de grandeza (Fig. 21, 23, 29, 31, 37, 39, 45 e 47). Os índices Skill calculados para a velocidade longitudinal, assim como nas simulações de oscilação de maré, apresentaram maior sensibilidade às diferenças de fase, do que às diferenças de amplitude. Esse fato pode ser claramente percebido nas simulações de quadratura, que apresentaram intensidades diferentes das amostradas, mas em fase. Apesar da diferença entre as intensidades, o índice Skill calculados nesses casos foi alto. Nas simulações de sizígia é verificado o oposto, intensidades mais próximas das amostradas, porém com diferença de fase (Fig. 20, 22,24, 28, 30 (b), 32 (b), 36 (b), 38 (b), 46, 52(b), 54, 78). Dentre todas as simulações realizadas, o menor índice matemático foi calculado para a simulação da velocidade longitudinal no dia 02 de fevereiro de Mais uma vez, as amplitudes simuladas foram bem parecidas com as amostradas, entretanto apresentaram diferença de fase de até 4 horas. As simulações utilizando campo de vento constante e homogêneo ao longo da grade não produziram alterações significativas nas oscilações da maré e velocidade longitudinal, provavelmente porque os dados de vento, utilizados para as simulações, foram amostrados na Estação Meteorológica do Gragoatá, região sob forte influência relevo continental. Possivelmente, a utilização de um campo de vento não homogêneo, com intensidades e direções correspondentes às amostradas ao longo da Baía de Guanabara produziria resultados modelados mais próximos dos valores hidrodinâmicos amostrados. Segundo FILIPO (1997) e CAMARGO,(2002), as correntes e oscilação da maré na região da BG não sofrem alterações significantes pelos ventos comuns, entretanto em condições de passagem de frentes frias 98% da variação da maré está associada ao padrão de ventos, refletindo na intensidade das correntes (CAMARGO, 2002). Assim, simulações com intensidades e direção dos ventos em condições de passagens frentes frias, como realizado por SAMPAIO (2006), provavelmente produziria melhores resultados nas oscilações de maré e correntes. Para validação do modelo foram utilizados dados experimentais, obtidos em estações no interior da baia. Essas propriedades não sofrem apenas influência da oscilação da maré, mas também da drenagem continental, dos ventos locais e remotos e da forçante baroclínica. Assim, de modo geral, as forçadas pela maré, descarga fluvial e vento apresentaram resultados mais próximos dos amostrados na Baía de Guanabara.

114 114 Em relação as salinidade, tanto as simulações no período de inverno (Fig. 26, 26, 33, 34, 41, 42, 49 e 50) como no período de verão (Fig. 57,58, 65, 66, 73, 74, 81 e 82), apresentaram valores totalmente discordantes dos amostrados durantes as estações fixas. A análise quantitativa através do índice Skill confirma essa discordância, uma vez que nenhum índice foi superior a 0,23. As diferenças entre as salinidades amostradas e simuladas são geradas por dois fatores: 1) foram utilizadas salinidades iniciais constantes ao longo da grade (30 no interior da baía e 35 no contorno aberto) e, 2) o tempo de simulação não foi grande o suficiente para misturar a água oceânica trazida pela maré com a água do interior da baía, principalmente na estação F 3, localizada no interior da Baía. Uma possível solução para esse problema seria aumentar o tempo de simulações até os valores de salinidade estabilizarem, entretanto essa opção aumenta o esforço computacional. Outra opção é realizar a adição de um campo de salinidade não homogêneo, com valores amostrados ao longo da baía. Com relação ao índice Skill utilizado para avaliar os resultados quantitativamente, é possível notar que o índice apresenta maior sensibilidade às diferenças de fase do que as diferenças de amplitude (ou intensidade) simuladas. Ou seja, resultados que apresentem intensidades diferentes, porém com boa concordância de fase apresentam índices maiores que resultados que possuam grande diferença de fase, mas intensidades semelhantes (figuras???? diferença de amplitude e fase). Entretanto, o índice Skill mostrou ser um bom parâmetro quantitativo de comparação entre os dados amostrados e simulados. Contudo a análise qualitativa deve ser mantida, complementando a análise quantitativa dos dados.

115 CONSIDERAÇÕES FINAIS Utilizando uma base de dados interpretados e analisados por BÉRGAMO (2006) foi possível validar qualitativa e quantitativamente (índice Skill) o modelo hidrodinâmico Delft-3D para a Baía de Guanabara. Pode-se observar que a ocorrência de ventos locais não alterou significativamente os resultados simulados de oscilação da superfície livre e velocidade longitudinal barotrópica, entretanto deve-se considerar que foram utilizadas médias temporais de vento amostrado na Estação Meteorológica do Gragoatá, extrapoladas com valor constante para todo o domínio. Dessa forma, não é possível simular efeitos de marés meteorológicas. A utilização de um campo de vento não homogêneo, com intensidades e direções correspondentes às amostradas ao longo da Baía de Guanabara e na região costeira adjacente, provavelmente produziria resultados mais próximos dos amostrados. O modelo numérico apresentou melhor resposta, tanto para a oscilação da maré quanto para a velocidade longitudinal, às simulações com as forçantes da maré e drenagem continental média para o período de simulações. Isso se deve ao fato do modelo ter sido validado com dados experimentais obtidos em estações na baía, pois essas propriedades estão sob efeito da drenagem continental, oscilação da maré, ventos locais e remotos e forçante baroclínica. As comparações, já discutidas anteriormente, entre os valores amostrados e simulados estão resumidas no APÊNDICE A. As salinidades simuladas não apresentaram concordância com as amostradas, pois foram utilizadas salinidades (inicial e contorno) constantes ao longo da grade, e o tempo de simulações não foi suficiente para estabilizar os valores de salinidade. Uma possível solução neste caso seria a utilização de um campo de massa (salinidade e temperatura) gerado por um período de simulação que permitisse uma distribuição quase estável de massa para todo o domínio. Porém a solução ideal para esse problema seria a utilização de um campo de massa amostrado ao longo da região de interesse. O índice matemático Skill utilizado para comparar os dados amostrados in situ com os dados simulados, mostrou ser um bom parâmetro de avaliação quantitativa dos resultados. Apesar de não ser possível a validação do modelo para todo o domínio da grade, a metodologia foi satisfatória para as condições de simulação, porém é imprescindível uma boa

116 116 base de dados a fim de obter condições iniciais e de contorno que possibilitem um alto padrão de simulação (Skill = 1). Os índices Skill calculados e, anteriormente analisados, para cada cenário de simulação, estão sumarizados no APÊNDICE B. As intensidade e direções das correntes simuladas, para os pontos de grade próximos às estações fixas F 1 e F 3, foram concordantes com os valores amostrados, verificando maiores velocidades longitudinais na entrada da baía (~ 1 m s -1 ) com orientação N-S e, menos intensos e orientados na direção SW-NE na estação F 3, em concordância com resultados experimentais de JICA (1994), AMADOR (1997), KJERFVE et al. (1997), CAMARGO (2002) e BÉRGAMO (2006). Dessa forma o modelo hidrodinâmico foi devidamente calibrado e validado, gerando com sucesso o padrão de correntes ao longo da Baía de Guanabara. As correntes barotrópicas simuladas, sob a ação das forçantes da maré, descarga fluvial e vento, para a entrada da Baía de Guanabara (região de maiores intensidades decorrentes) são apresentas no APÊNDICE C.

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122 122 SANTOS, L. H. Um modelo para trajetória de partículas em corpos de água rasos. O caso do emissário de Icaraí- Baía de Guanabara. Tese (Mestrado em Engenharia Civil) COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, SCHMIDT, C. C. O Emprego do Modelo ELCIRC na Simulação Computacional da Hidrodinâmica e do Transporte de Corpos de Águas f. Monografia (Bacharelado em Informática) - Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, SILVA, N. R. Evolução Sedimentar Recente da Baía de Guanabara Monografia de Bacharelado. Instituto de Geociências, Departamento de Oceanografia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, SUGUIO, K. Dicionário de Geologia Marinha: com termos correspondentes em inglês, francês e espanhol. São Paulo: Editora T. A. Queiroz UERJ-PETROBAS. Estudo dos efeitos de Retenção de Hidrocarbonetos em Ambiente Costeiros na Baía de Ilha Grande, Rio de Janeiro. Relatório Parcial VILELA, C. P. X. Investigação do efeito do vento na circulação da Baía de Guanabara, RJ. Tese (Mestrado em Engenharia Oceânica) COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, XAVIER, A.G. Estudo da circulação hidrodinâmica e do transporte de contaminante no estuário do Rio Iguaçu - Baía de Guanabara. Tese (Mestrado em Engenharia Oceânica) COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, WARNER, J.C; GEYER, W.R.; LERCZAK, J.A. Numerical Modeling of an estuary: A comprehensive skill assessment. J. of Geophysical Research, vol p WILMOTT, C.J. On the Validation Models. Physical Geography, vol. 2, p WL DELFT HYDRAULICS. Delft3D-GPP. User s Manual. Version Netherlands, WL DELFT HYDRAULICS. User s Manual Delft3D-Flow. Version Netherlands, 2001.

123 123 APÊNDICE A Síntese dos Resultados Obtidos nas Simulações - Gráficos Comparativos entre os resultados simulados e os dados amostrados. (a) (b) Figura A.1 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo programa PACMARE no dia (a) 07 de julho e (b) 09 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas.

124 124 (a) (b) Figura A.2 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo programa PACMARE no dia (a) 15 de julho e (b) 17 de julho de Tempo inicial igual a 8 horas.

125 125 (a) (b) Figura A.3 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo programa PACMARE no dia (a) 02 e (b) 04 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

126 126 (a) (b) Figura A.4 - Simulações da oscilação da maré na Ilha Fiscal e os correspondentes valores previstos pelo programa PACMARE no dia (a) 10 e (b) 12 de fevereiro de Tempo inicial igual a 8 horas.

127 127 (a) (b) Figura A.5 - Simulações da velocidade longitudinal simuladas e os correspondentes valores amostrados em quadratura nos dias (a) 07 julho (F 1 ) e (b) 09 de julho de (F 3 ). Tempo inicial igual a 8 horas.

128 128 (a) (b) Figura A.6 - Simulações da velocidade longitudinal simuladas e os correspondentes valores amostrados na sizígia nos dias (a) 15 julho (F 1 ) e (b) 17 de julho de (F 3 ). Tempo inicial igual a 8 horas.

129 129 (a) (b) Figura A.7 - Simulações da velocidade longitudinal simuladas e os correspondentes valores amostrados na quadratura nos dias (a) 02 fevereiro (F 1 ) e (b) 04 de fevereiro de (F 3 ). Tempo inicial igual a 8 horas.

130 130 (a) (b) Figura A.8 - Simulações da velocidade longitudinal simuladas e os correspondentes valores amostrados na sizígia nos dias (a) 10 de fevereiro (F 1 ) e (b) 17 de fevereiro de (F 3 ). Tempo inicial igual a 8 horas.

131 131 APÊNDICE B Síntese dos Resultados dos Índices Skill Tabela B.1. Índices Skill calculados para as oscilações de maré nos diferentes cenários para as simulações de Inverno (julho 2000). Cenários 07/07/ /07/ /07/ /07/2000 I. Forçante da maré 0,97 0,86 0,69 0,89 II. Forçante da maré e campo de vento 0,97 0,86 0,76 0,93 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,97 0,88 0,78 0,94 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,97 0,88 0,78 0,94 Tabela B.2. Índices Skill calculados para as oscilações de maré nos diferentes cenários para as simulações de Verão (fevereiro de 2001). Cenários 02/02/ /02/ /02/ /02/2001 I. Forçante da maré 0,64 0,80 0,94 0,88 II. Forçante da maré e campo de vento 0,64 0,80 0,94 0,88 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,68 0,81 0,96 0,93 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,68 0,81 0,96 0,93 Tabela B.3. Índices Skill calculados para as velocidades longitudinais em diferentes cenários para as simulações de julho de Cenários 07/07/ /07/ /07/ /07/2000 I. Forçante da maré 0,90 0,70 0,80 0,74 II. Forçante da maré e campo de vento 0,91 0,74 0,85 0,81 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,91 0,85 0,82 0,82 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,91 0,85 0,82 0,82

132 132 Tabela B.4. Índices Skill calculados para as velocidades longitudinais em diferentes cenários para as simulações de fevereiro de Cenários 02/02/ /02/ /02/ /02/2001 I. Forçante da maré 0,42 0,77 0,94 0,94 II. Forçante da maré e campo de vento 0,42 0,77 0,94 0,94 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,64 0,68 0,97 0,97 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,64 0,67 0,97 0,97 Tabela B.5. Índices Skill calculados para as salinidades em diferentes cenários para as simulações de julho de Cenários 07/07/ /07/ /07/ /07/2000 I. Forçante da maré 0,05 0,16 0,07 0,05 II. Forçante da maré e campo de vento 0,05 0,16 0,06 0,05 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,05 0,16 0,07 0,05 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,05 0,16 0,07 0,05 Tabela B.6. Índices Skill calculados para as salinidades em diferentes cenários para as simulações de fevereiro de Cenários 02/02/ /02/ /02/ /02/2001 I. Forçante da maré 0,04 0,10 0,23 0,18 II. Forçante da maré e campo de vento 0,04 0,10 0,23 0,18 III. Forçante da maré e descarga fluvial 0,04 0,09 0,19 0,12 IV. Forçante da maré, descarga fluvial e campo de vento 0,04 0,09 0,20 0,12

133 133 APÊNDICE C Campo de Velocidades Barotrópicas na Entrada da Baía de Guanabara As figuras a seguir mostram os campos de velocidades barotrópicas para as condições de inverno e verão, durante maré de quadratura e sizígia, nos instantes de enchente (baixa-mar + 3 horas) e vazante (preamar + 3 horas), simuladas com as forçantes da maré, descarga fluvial e campo de vento constante e homogêneo. Os gráficos destacam a região da entrada da Baía de Guanabara. Uma vez que a representação gráfica do campo de velocidades em toda extensão da grade é de difícil visualização, devido ao tamanho do domínio da grade e da resolução das imagens, essa área foi escolhida para ilustrar o campo de correntes, por ser a região Baía de Guanabara com dinâmica mais intensa.

134 134 Figura C.1. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 07 de julho de 2000, na maré enchente. Baixamar +3 horas. Figura C.2. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 07 de julho de 2000, na maré vazante. Preamar +3 horas.

135 135 Figura C.3. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 15 de julho de 2000, na maré enchente. Baixamar +3 horas. Figura C.4. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 15 de julho de 2000, na maré vazante. Preamar +3 horas.

136 136 Figura C.5. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 02 de fevereiro de 2001, na maré enchente. Baixamar +3 horas. Figura C.6. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 02 de fevereiro de 2001, na maré vazante. Preamar +3 horas.

137 137 Figura C.7. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 10 de fevereiro de 2001, na maré enchente. Baixamar +3 horas. Figura C.8. Campo de velocidades barotópicas simuladas para o dia 10 de fevereiro de 2001, na maré vazante. Preamar +3 horas.