VARIAÇÃO DIÁRIA DE CORRENTES, SALINIDADE E MATERIAL PARTICULADO EM SUSPENSÃO EM UM PONTO DO SISTEMA ESTUARINO DA BAÍA DE VITÓRIA ES Marcel G. MOURA* 1, Paulo VERONEZ JR* 2, Alex C. BASTOS* 3, e Valéria S. QUARESMA* 4 * Programa de Pós-Graduação em Oceanografia Ambiental. Departamento de Oceanografia e Ecologia, UFES Brasil 1 E-mail: marcel_gianordoli@yahoo.com.br 2 E-mail: ac.bastos@terra.com.br 3 E-mail: paulovjd@yahoo.com.br 4 E-mail: vdsq@terra.com.br ABSTRACT Stratification occurs when prevailing estuarine hydrodynamics have no power to cause complete vertical mixing. This study aims to investigate daily variations on currents, salinity and suspended particulated matter in a shallow region of Vitória Bay (Espirito Santo State, SE Brazil). The investigation was carried out by sampling the water column and deployment of optical (OBS) and acoustic (ADP and ADV) equipments. The deployment was undertaken during neap tides, in two consecutive days,. A major difference was observed between the two days of field work. During the first day (16/05/2008) results indicate a partially stratified water column, mainly during the padding of the tide. During the second day (17/05/2008) no stratification was observed and a mixed water column was present, despite the short time interval between the surveys (approximately 12h). Also, SPM concentration was higher and much more widespread through the water column when compared to day 1. Estuaries commonly have distinct characteristics of the water column throughout the year, but usually this is commonly related to seasonal patterns in fluvial regime or major phases of tidal range. Herein, the difference in tidal range within neap tides seems to be responsible for the observed changes, and, therefore, should also be considered. INTRODUÇÃO A estratificação é o resultado da mistura provocada pelas forçantes contra as diferenças de densidades apresentadas entre rio e mar. De acordo com o poder de mistura que o ambiente é submetido ele pode ser Bem Estratificado, quando as forçantes não superam a estabilização imposta pelas diferenças de densidade das águas; Parcialmente Estratificado, quando as forçantes e as diferenças de densidade apresentam grandezas parecidas, dando ao ambiente uma característica intermediária; ou Bem Misturado, quando as forçantes superam as diferenças de densidade e provocam a mistura vertical (Dyer, 1997). Porém, é difícil encontrar estudos que, baseados nesta definição, classifiquem um estuário de forma direta. De acordo com a variação da influência fluvial (ciclo hidrológico), das marés (sizígia e quadratura) e outras forçantes hidrodinâmicas, estuários comumente apresentam mais de uma característica descrita ao longo do ano (Dyer, 1997; Miranda et al, 2002). Para a identificação de processos de estratificação podem ser aplicados diferentes marcadores químicos e/ou físicos, de acordo com a finalidade. Os mais comuns são a salinidade, a densidade, a magnitude e a direção das correntes (Dyer, 1997; Miranda et al, 2002). Porém, o material particulado em suspensão (MPS) também apresenta resultados satisfatórios com relação à caracterização de processos de estratificação estuarina devido a sua relação com os aportes fluviais (Moura et al, 2009). O objetivo deste trabalho é observar e identificar a variação diária de correntes, salinidade e material particulado em suspensão em um ponto do sistema estuarino da Baía de Vitória ES, caracterizando o estado observado da coluna d água entre dias consecutivos. ÁREA DE ESTUDO A Baía de Vitória é um sistema estuarino localizado na região central da costa leste brasileira, entre as coordenadas S20 15 /W040 22 e S20 20 /W040 16. Apesar de outros cursos d água contribuírem para o aporte fluvial desse sistema estuarino, o rio Santa Maria da Vitória (RSMV) é o principal aporte fluvial deste ambiente, desenvolvendo sua foz em delta (Fig. 1). O trecho estudado do sistema estuarino tem a sua dinâmica dominada principalmente pelas marés, sendo estas classificadas como micromarés (H<2m) semidiurnas, com pequenas desigualdades diurnas (Chacaltana et al, 2003; e Rigo, 2004). Chacaltana et al (2003) e Rigo (2004) identificaram que as áreas de manguezal na Baía de Vitória são responsáveis por um acréscimo das velocidades das correntes na 33
baía. O fluxo de maré vazante é dominante durante as sizígias, perdendo força quando se aproxima da quadratura (Rigo, 2004). Existe na região do extremo norte da baía e do Canal da Passagem uma convergência barotrópica (Sarmento, 1993), resultante do encontro das frentes de maré que se propagam pelos diferentes canais. Esta convergência foi denominada de tombo da maré, e caracterizada, inicialmente, por Sarmento (1993), e posteriormente por Maciel et al (2003) e por Rigo (2004). Figura 1: Localização do sistema estuarino e do ponto de estudo. Dalmaschio (2008) estudou a variação da vazão e do aporte sedimentar do rio Santa Maria da Vitória, e constatou que ocorre grande variação entre as estações do ano, que determinam dois períodos distintos de aporte fluvial para o sistema estuarino em questão. Durante o período seco, ocorre pouco aporte fluvial e um aporte sedimentar quase-nulo para o sistema estuarino. Porém, nos períodos chuvosos, as vazões aumentam cerca de uma ordem de grandeza em relação ao período seco, o que propicia grande fluxo sedimentar para o estuário em questão. Parte desta variação é relacionada à presença de barragens, que controlam a vazão e o aporte sedimentar do rio Santa Maria ao estuário. Poucos são os estudos que realizaram quantificações dinâmicas de correntes e parâmetros físico-químicos conjuntamente na Baía de Vitória e/ou em seus afluentes, sendo a grande maioria informação disponível em relatórios de licenciamento ambiental e trabalhos acadêmicos (teses, dissertações e monografias) não publicados na forma de artigo científico. Dentre estes trabalhos, merecem destaque os realizados por Sarmento (1993), Donatelli (1998) Chacaltana et al (2003); Rigo (2004); e Dalmaschio (2008). Devido a esta baixa quantidade de trabalhos científicos, não existe uma proposta de classificação do sistema estuarino quanto à estratificação bem fundamentada, valendo o mesmo para a geomorfologia. METODOLOGIA As observações de campo foram realizadas nos dias 16 e 17 de maio de 2008 durante um ciclo de maré (quadratura) por dia. A profundidade do ponto de estudo era de aproximadamente 3,25m. No ponto de aquisição de dados foram colocadas duas estruturas de fundeio (Fig. 2). Na primeira foram fixados um ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) - Triton Sontek/YSI e um OBS 100 (Optical Backscatter Sensor), a uma distância do fundo de aproximadamente 0.2m e 1.15m respectivamente. Na segunda estrutura foram fixados um ADP (Acoustic Doppler Profiler) - Nortek AS Aquadopp e um 34
OBS 20, a uma distância do fundo de aproximadamente 0,2m do fundo. As especificações técnicas de funcionamento dos instrumentos durante a aquisição dos dados seguem na tabela a seguir. Tabela 1: Especificações técnicas de aquisição de dados dos instrumentos. Instrumentos Freqüência Medição ADV - Triton Sontek/YSI 10MHz bursts de 2 min a cada 20 min ADP - Nortek AS Aquadopp 2MHz bursts de 2 min a cada 10 min OBS 100 10HZ burst a cada minuto OBS 20 10HZ burst a cada 10 min Figura 2: Estrutura de equipamentos montada para aquisição dos dados in situ. Para calibração dos equipamentos e verificação da salinidade, amostras de água foram coletadas em três alturas distintas a partir do fundo (0,2m; 1,15m e 2,15m) a cada hora, durante todo período de campo, totalizando 13 coletas (39 amostras) no dia 16/05/2008 e 14 coletas (42 amostras) no dia 17/05/2008. Posteriormente, as amostras foram filtradas à vácuo em filtro de 47 mm de diâmetro e 0,45 micra de abertura (300 ml de amostra) para quantificação direta da concentração de MPS. Para determinação da salinidade, foi utilizado o multiparâmetro YSI 556MPS o qual foi calibrado previamente com água marinha padrão. Os dados do ADP foram devidamente filtrados e processados no software FreeMat 3.6, utilizando séries de equações lógicas para excluir os valores não representativos, como as medidas registradas fora da coluna d água e as que apresentavam influência da reflexão do sinal acústico na superfície. Em seguida, utilizou-se os dados de amplitude de retorno acústico do ADP e do ADV para estimar a concentração de MPS, relacionando-os a concentração (mg/l) obtida nas amostras de água. Os dados obtidos pelos OBS 20 e OBS 100 (SEVolt2), foram calibrados relacionando-se através de regressão linear a concentração de matéria particulado em suspensão (mg/l), obtida nas amostras de água em profundidades e horários correspondente à medição dos equipamentos. RESULTADOS E DISCUSSÃO As condições hidrodinâmicas gerais estão apresentadas na Fig. 3. As amplitudes de maré nos dias 16 e 17 foram de 1,08m e 1,12m respectivamente, e esse aumento na variação de altura indica a transição do ciclo de maré de quadratura para sizígia. Observa-se que no dia 16 a velocidade máxima registrada junto ao fundo foi de 0,21 m/s no período do pico de enchente, no entanto esse padrão não foi percebido na subsuperfície nesse mesmo horário. A máxima corrente de sub-superfície foi registrada no período do pico da vazante, sendo este de 0,7 m/s. No dia 17 a corrente de fundo esteve de maneira geral com velocidades superiores ao dia 16, alcançando 0,3 m/s no período de máxima vazante, sendo que a velocidade de subsuperfície se comportou de modo semelhante ao dia anterior, com velocidade de máxima de 0,7 m/s no período do pico da vazante. Vale ressaltar a assimetria de maré observada durante os dias de campo, apresentando menores amplitudes de velocidades e maior tempo de duração durante a enchente, e maiores 35
amplitudes de velocidade e menor tempo de duração durante a vazante, assim como observado por Chacaltana et al (2003) e Rigo (2004). Figura 3:Condições hidrodinâmicas gerais do dia 16/5/08. Note que a medição obtida com o ADV é considerada medição de fundo (0,20 cm do fundo). Figura 3 (cont.): Condições hidrodinâmicas gerais do dia 17/5/08. Como era de se esperar, as maiores concentrações de MPS são observadas nas proximidades do fundo e meia coluna d água durante os períodos de maiores velocidades nos momentos de enchentes e vazantes 36
do ciclo de maré, associados com processos turbulentos e cisalhamento devido ao maior stress de fundo sofrido nesse momento mais energético, e ocasionando conseqüentemente uma ressuspensão natural desses sedimentos (Soulsby, 1997; Uncles, 2002) (Fig. 4). Figura 4: Estimativas de Material Particulado em Suspensão (MPS) a partir de dados de retorno acústico (backscatter) do ADP e ADV, e medidas de salinidade realizadas durante os levantamentos. No dia 16/05 notam-se os maiores picos de concentração nos períodos de maiores velocidades de correntes de fundo registradas pelo ADV fato também registrado por Fugate & Friedrichs (2001), Gartner (2002) e Hoitink & Hoekstra, (2004). No dia 17/05 não se tem um padrão tão evidente quando comparado com dia anterior, entretanto a concentração do MPS foi bem superior variando numa faixa média de 40 mg/l, com picos de 49 mg/l e 51 mg/l nos período de maiores velocidades das correntes de fundo. No entanto, no dia 16/05 foi registrada uma maior concentração de MPS na superfície a partir do momento final da enchente até o final da vazante (mais evidente). Primeiramente considerou-se isso a um possível erro de amostragem por deriva de garrafa, entretanto verificou-se posteriormente que poderia estar associado a um input de material em suspensão vindo de aporte continental nesse momento da maré (SILVA et al., 2004; HOITINK & HOEKSTRA, 2004). Fato que foi reforçado quando se observa uma tendência de estratificação de salinidade na coluna d água, sendo mais evidente no momento da vazante com aparecimento de uma água mais doce na sub-superficie em torno de 19 psu. No dia 17/05 não se observa essa tendência de estratificação e tão pouco o input desse material em suspensão, no entanto a maior concentração do MPS na coluna d água é possivelmente devido às maiores velocidades de correntes de maré. Outro fator que contribui para maior concentração média de MPS para o dia 17/05 é o fato do fundo já estar desestabilizado e revolvido em função das atividades realizadas no dia anterior proporcionando uma maior facilidade de ressuspensão dos materiais particulados. 37
Figura 5: Estratificação observada dia 04/01/1996, durante um período de sizígia. Elaborado a partir de dados secundários disponíveis em Donatelli (1998). É observada uma grande distinção entre os processos que ocorreram no dia 16/05 e nos dias 17/05. O que chama a atenção é a rapidez com que mudou a condição da coluna d água no estuário, pois no primeiro dia todos os parâmetros analisados indicaram um processo de estratificação parcial, mesmo que momentâneo. Já no segundo dia, esta característica não é mais observada, apesar do pouco tempo de intervalo entre os levantamentos. Esta variação parece ser relacionada ao pequeno aumento na amplitude das marés, já que a área de estudo possui uma ampla planície de inundação, o que justificaria o abrupto aumento das correntes observado junto ao fundo, não considerando variações no aporte fluvial devido ao pequeno intervalo amostral. O ponto em estudo se localiza em área rasa, o que não é aconselhável para verificar estratificação, porém esta observação se torna plausível por não ser a única que verificou este fenômeno. Donatelli (1998) verificou diferenças de salinidade ao longo do sistema estuarino compatíveis com o que foi observado durante o presente trabalho (Fig. 5). Mesmo assim, Donatelli (1998) aplicou um modelo bidimensional para expressar a circulação do sistema estuarino da Baía de Vitória. CONCLUSÃO Pelo que foi observado durante os levantamentos e a partir de dados secundários, verifica-se que não é possível classificar o ambiente em questão em um padrão de estratificação, já que, apesar do baixo número de amostragens para a classificação do estuário neste aspecto, a variação observada parece não corresponder a mudanças de aporte fluvial, sendo relacionada ao pequeno aumento na amplitude das marés. A análise de dois dias consecutivos mostrou uma grande variabilidade do sistema em termos de padrão de estratificação e material particulado em suspensão. 38
Visto isto, é recomendável que novos estudos levem em consideração uma possível estratificação da coluna d água, relacionando-a a variações no ciclo hidrológico (Dalmaschio, 2008) e a variações no ciclo de marés. REFERÊNCIAS: Chacaltana, J. T. A., Marques, A. C, Rigo, D. & Pacheco, C. G., 2003. Influência do manguezal no padrão de escoamento do sistema estuarino da Ilha de Vitória ES. V Semana Estadual de Meio Ambiente (SESMA), Vitória. Dalmaschio, R. G., 2008. Análise da Vazão e Descarga Sólida na Região de Transição Entre o Estuário e o Rio Santa Maria da Vitória ES, Brasil. Monografia de Graduação, Programa de Graduação em Oceanografia, UFES, Vitória. Donatelli, M. R., 1998. Modelagem Matemática Da Hidrodinâmica E Da Qualidade De Água Da Baía De Vitória. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, UFES, Vitória. Dyer, K. R., 1997. Estuaries: a physical introduction. 2. ed. John Wiley & Sons, Chichester. Fugate, D. C. & Friedrichs, C. T., 2002. Determining concentration and fall velocity of estuarine particle populations using ADV, OBS and LISST. Continental Shelf Research, 22: 1867-1886. Gartner, J. W., 2002. Estimation of suspended solids concentrations based on acoustic backscatter intensity: theoretical background. Turbidity and Other Sediment Surrogates Workshop, Reno, NV. Hoitink, A.J.F., & Hoekstra, P., 2005. Observations of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a mud-dominated environment. Coastal Engineering, 52: 103-118. Maciel, M. A., Chacaltana, J. T. A. & Rigo, D., 2003. Padrão de escoamento no Canal da Passagem. V Semana Estadual de Meio Ambiente (SESMA) Vitória. Miranda, L. B., Castro, B. M. and Kjerfve, B., 2002. Princípios de Oceanografia Física de Estuários. EDUSP, São Paulo. Moura, M. G., Quaresma, V. S., Veronez Jr., P. & Bastos, A. C., 2009. Field observations of fine suspend sediment from ADV, ADP and OBS in an estuarine system, Vitoria Bay SE Brazil. 10 th International Conference on Cohesive Sediment Transport Processes - INTERCOH 09, Rio de Janeiro-Paraty. Rigo, D., 2004. Análise do escoamento em regiões estuarinas com manguezais medições e modelagem na Baía de Vitória, ES. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, COPPE, UFRJ, Rio de Janeiro. Sarmento, R., 1993. Determinação do Tombo da Maré no Canal da Passagem. Relatório Final, Laboratório de Hidráulica, UFES, Vitória. Silva, Q. K., Patchineelam, M. S., Neto, B. A. J. & PonzI A. R. V., 2004. Ambiente de sedimentação costeira e processos morfodinâmicos atuantes na linha de costa. In: Neto, B. A. J., Ponzi, A. B. V. & Sichel, E. S. (Org). Introdução à Geologia Marinha. Interciência, Rio de Janeiro. Soulsby, R., 1997. Dynamics of marine sands. Hr Wallingford, London, 45-61. Uncles, R. J., 2002. Estuarine Physical Processes Research: Some Recent Studies and Progress. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 55: 829 856. 39