Modelagem da Lagoa de Araruama, RJPEC-1894 MODELAGEM DA L AGOA DE ARARUAMA 4 /99 COPPE / UFRJ Figura...

PEC-1894 MODELAGEM DA LAGOA DE ARARUAMA 1/99 COPPECOPPECOPPECOPPE////UFRJUFRJUFRJUFRJ

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RF: Relatório Final

CLIENTE: COMPANHIA NACIONAL DE ÁLCALIS

FUNDAÇÃO COPPETEC - COPPE/UFRJ

Fevereiro 2002 - Rio de Janeiro

Usuario

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70


CONTEÚDO 1. Identificação .............................................................................................................. 8

2. Introdução ................................................................................................................. 9

3. Sobre a importância e a confiabilidade dos modelos................................................ 10

3.1. Sobre a validade dos resultados que se apresenta.............................................. 12

4. Implementação dos modelos computacionais .......................................................... 14

4.1. Dados ambientais utilizados .............................................................................. 14 4.1.1. Domínio modelado e dados batimétricos ............................................... 14 4.1.2. Dados de Maré....................................................................................... 18

4.2. Dados de Vento................................................................................................. 19

5. Discretização do domínio modelado........................................................................ 22

6. Padrões de circulação hidrodinâmica....................................................................... 25

6.1. Padrões de circulação sob calmaria (sem vento) ................................................ 26

6.2. Padrões de circulação sob condições usuais, vento de NE................................. 39

6.3. Padrões de circulação sob entrada de frente fria, vento de SW ......................... 54

7. Impactos de dragagem na circulação hidrodinâmica ................................................ 68

7.1. Comparação de valores em pontos selecionados............................................... 68

7.2. Mapas comparativos .......................................................................................... 71

8. Modelo de plumas contaminantes ........................................................................... 87

8.1. Plumas contaminantes típicas ............................................................................ 88

9. Mobilidade de fundo ............................................................................................... 91

10. Conclusões e recomendações .................................................................................. 96


LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa de batimetria geral da Lagoa de Araruama, cobrindo o domínio de modelamento considerado... 15 Figura 2. Detalhe da batimetria atual na região do Canal de Itajurú, Cabo Frio e São Pedro da Aldeia. No

mapa as profundidades são referenciadas ao NMM em Cabo Frio................................................................ 16 Figura 3. Detalhe da batimetria na região do Canal de Itajurú, Cabo Frio e São Pedro da Aldeia, com

dragagem de um canal com 3.7 m de profundidade. No mapa as profundidades são referenciadas ao NMM em Cabo Frio...................................................................................................................................... 17

Figura 4 – Elevação da maré. ................................................................................................................................ 18 Figura 5. Estatística da direção do vento............................................................................................................... 19 Figura 6. Distribuição de velocidade e direção do vento entre 1976 e 1997, em São Pedro da Aldeia................... 20 Figura 7. Dados de vento com condições de vento NE, tipificando situação mais usual. Os valores mostrados

a cada 15 minutos são interpolados a partir dos medidos a cada 3 horas. ..................................................... 20 Figura 8. Dados de vento tipificando condições de entrada de frente fria de SW. Os valores mostrados a cada

15 minutos são interpolados a partir dos medidos a cada 3 horas................................................................. 21 Figura 9. Domínio modelado, discretizado em 800 elementos finitos quadrangulares, com 3729 nós

representando colunas de água. O contorno de terra tem 1060 nós e o de mar 21. Há 2650 nós internos. Veja detalhes na Figura 10............................................................................................................................ 23

Figura 10. Detalhes da malha de discretização na região entre São Pedro da Aldeia e a embocadura do Canal de Itajurú. Na estampa superior ilustrando a batimetria atual e na inferior vê-se a modificação introduzida na batimetria com o canal dragado de 3.0m. A Figura 9 mostra uma vista geral do domínio discretizado em elementos finitos. ................................................................................................................. 24

Figura 11. Localização das 12 estações nas quais foram registrados resultados em forma de séries temporais de valores. .......................................................................................................................................................... 25

Figura 12. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos). Veja detalhe na Figura 14 .......................... 27

Figura 13. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 14 .............................................. 28

Figura 14. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de calmaria (sem ventos), com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 12, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 13........................................................................... 29

Figura 15. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos). Veja detalhe na Figura 17........... 30

Figura 16. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 17.............................. 31

Figura 17. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de calmaria (sem ventos), com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 15, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 16. ...................................................... 32

Figura 18. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos). Veja detalhe na Figura 20. ......................... 33

Figura 19. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 20............................................. 34

Figura 20. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de calmaria (sem ventos), com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 18, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 19........................................................................... 35


Figura 21. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos). Veja detalhe na Figura 23........... 36

Figura 22. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 23. ........................... 37

Figura 23. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de calmaria (sem ventos), com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 21, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 22........................................................................... 38

Figura 24. Mapa de isolinhas de elevação do NA, retratando a hora 68, na qual ocorreram os maiores desníveis entre as extremidades Leste (ordenada 43000m) e Oeste na Lagoa de Araruama, não causados pela ação da maré. O vento atuante de ENE corresponde às 08:00 h do dia 06/01/96 como indicado na Figura 7......................................................................................................................................................... 41

Figura 25. Mapa de correntes, retratando a hora 68, na qual ocorreram os maiores desníveis entre as extremidades Leste (ordenada 43000m) e Oeste na Lagoa de Araruama, independentes da ação da maré. O vento atuante de ENE corresponde às 08:00 h do dia 06/01/96 como indicado na Figura 7. ................... 41

Figura 26. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 13:00h. Veja detalhe na Figura 28. ............................................................................................................................ 42

Figura 27. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 13:00h. Veja detalhe na Figura 28. .................................................................................................................................... 43

Figura 28. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de ventos usuais de NE, com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 26, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 27........................................................................... 44

Figura 29. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 16:00h. Veja detalhe na Figura 31. ............................................................................................................... 45

Figura 30. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 16:00h. Veja detalhe na Figura 31. ............................................................................................................... 46

Figura 31. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de ventos usuais de NE, com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 29, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 30. ...................................................... 47

Figura 32. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 19:00h. Veja detalhe na Figura 34. ............................................................................................................................ 48

Figura 33. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01 /96 às 19:00h. Veja detalhe na Figura 34. .................................................................................................................................... 49

Figura 34. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de ventos usuais de NE, com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 32, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 33........................................................................... 50

Figura 35. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 22:00h. Veja detalhe na Figura 37. ............................................................................................................... 51

Figura 36. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01 /96 às 22:00h. Veja detalhe na Figura 37. ............................................................................................................... 52


Figura 37. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de ventos usuais de NE, com meia maré enchente na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 35, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 36. ...................................................... 53

Figura 38. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 01:00h. Veja detalhe na Figura 40............................................................................................. 56

Figura 39. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07 /96 às 01:00h. Veja detalhe na Figura 40. ............................................................................................................... 57

Figura 40. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de frente fria com ventos SW, com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 38, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 39........................................................................... 58

Figura 41. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 04:00h. Veja detalhe na Figura 43....................................................................................... 59

Figura 42. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 04:00h. Veja detalhe na Figura 43............................................................................................. 60

Figura 43. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de frente fria com ventos de SW, com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 41, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 42. ...................................................... 61

Figura 44. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 07:00h. Veja detalhe na Figura 46............................................................................................. 62

Figura 45. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07 /96 às 07:00h. Veja detalhe na Figura 46. ............................................................................................................... 63

Figura 46. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de frente fria com ventos de SW, com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 44, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 45........................................................................... 64

Figura 47. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 10:00h. Veja detalhe na Figura 49....................................................................................... 65

Figura 48. Padrão geral de circulação hidrodinâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 10:00h. Veja detalhe na Figura 49............................................................................................. 66

Figura 49. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de frente fria com ventos de SW, com meia maré enchente na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 47, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 48. ...................................................... 67

Figura 50. Localização das 12 estações nas quais foram registrados resultados em forma de séries temporais de valores, (reprise da Figura 11). ..................................................................................................................... 68

Figura 51. Variação da maré em três pontos na Lagoa de Araruama. À esquerda com batimetria atual, e à direita com canal dragado de 3,0 m em curva. (Veja localização das estações na Figura 50.) ...................... 69

Figura 52. Detalhe da variação da maré em dois pontos na Lagoa de Araruama. À esquerda com batimetria atual, e à direita com cana dragado de 3,0 m em curva................................................................................. 69

Figura 53. Séries temporais comparando magnitude de componentes de velocidade de correntes na estações 4_(Lagoa das Palmeiras) e 6_(Pontal Perinas). Nota-se forte aumento nas correntes em decorrência da desobstrução propiciada pelo canal dragado de 3,0m em curva. ................................................................... 70


Figura 54. Elevação da superfície livre em preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................................................ 71

Figura 55. Elevação da superfície livre em preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva........................................................................................................................................................ 72

Figura 56. Padrão de correntes com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. . 73

Figura 57. Padrão de correntes com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................................................ 74

Figura 58. Elevação da superfície livre em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva..................................................................................................................... 75

Figura 59. Elevação da superfície livre em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................ 76

Figura 60. Padrão de correntes em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................. 77

Figura 61. Padrão de correntes em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva..................................................................................................................... 78

Figura 62. Elevação da superfície livre em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................................................ 79

Figura 63. Elevação da superfície livre em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ........................................................................................................................................... 80

Figura 64. Padrão de correntes em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. . 81

Figura 65. Padrão de correntes em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................................................ 82

Figura 66. Elevação da superfície livre em meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ........................................................................................................................................... 83

Figura 67. Elevação da superfície livre em meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva..................................................................................................................... 84

Figura 68. Padrão de correntes em meia maré vazante na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ............................................................................................................................................................ 85

Figura 69. Padrão de correntes em meia maré vazante na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva. ........................................................................................................................................... 86

Figura 70. Localização das 17 fontes de esgoto consideradas. ............................................................................... 87


Figura 71. Situação atual: plumas contaminantes típicas de circulação sob ação de ventos usuais de NE, em maré enchente na Lagoa das Palmeiras. Detalhe na Figura 73..................................................................... 88

Figura 72. Situação com canal dragado: plumas contaminantes típicas de circulação sob ação de ventos usuais de NE, em maré enchente na Lagoa das Palmeiras. ........................................................................... 88

Figura 73. Detalhe da contaminação de esgoto apresentada na Figura 71, representando a situação atual em um instante de maré enchente na Laguna das Palmeiras, com ventos de NE............................................... 89

Figura 74. Detalhe da contaminação de esgoto apresentada na Figura 72 para a situação com canal dragado, em um instante de maré enchente na Laguna das Palmeiras, com ventos de NE. ........................................ 90

Figura 75 Diagrama de Shields. ............................................................................................................................ 93 Figura 76. Mapa de tensões de atrito no leito da Lagoa de Araruama, geradas pelas correntes ilustradas na

Figura 77. Vento de NE................................................................................................................................ 94 Figura 77. Mapa das correntes geradoras das tensões apresentadas na Figura 76. Vento de NE......................... 95


1. Identificação Projeto COPPETEC: PEC-1894 Título: MODELAGEM DA LAGOA DE ARARUAMA, RJ RF: RELATÓRIO FINAL Interessado: COMPANHIA NACIONAL DE ÁLCALIS At. Eng. Ênio Costa de Oliveira COPPE: Programa de Engenharia Civil Coordenação: Prof. Fernando Luiz Bastos Ribeiro, D.Sc. Prof. Rui Carlos Vieira da Silva, Dr. Univ. Equipe Técnica: Profa. Enise Maria Salgado Valentini, D.Sc. Prof. Paulo Cesar Colonna Rosman. Ph.D. Enga. Valéria Nunes de Oliveira, M.Sc. Eng. Antônio Carlos Bittencourt Cunha Data: 06 de Fevereiro de 2002


2. Introdução Este trabalho teve por objetivos gerais avaliar através de modelagem computacional, a circulação hidrodinâmica e o transporte de escalares na Lagoa de Araruama. Espe-cificamente, com a modelagem objetivou-se:

� Caracterizar os padrões de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em diferentes situações de marés e ventos.

� Estimar mudanças nos padrões de circulação em função de alterações na batime-tria referentes a dragagens de um canal para desobstrução dos acessos à parte principal da Lagoa.

� Em função da circulação hidrodinâmica obtida, estimar o transporte de contami-nantes de referência, visando a qualificar a balneabilidade das águas da Lagoa em regiões específicas, através de isolinhas de colimetria.

� Em função da circulação hidrodinâmica e dos dados de vento, estimar os proces-sos sedimentológicos na Lagoa.

Alguns dos assuntos abordados nos relatórios de acompanhamento RA1, RA2 e RA3, são revistos neste Relatório Final, (RF). De modo a facilitar a leitura do RF, adotou-se a seguinte seqüência:

� Considerações sobre a confiabilidade dos modelos adotados e a validade dos re-sultados dos modelos apresentados neste Relatório Final.

� Descrição dos trabalhos de implementação dos modelos computacionais de circu-lação hidrodinâmica e de transporte de contaminantes.

� Apresentação dos resultados do modelo hidrodinâmico, caracterizando padrões de circulação na Lagoa.

� Apresentação dos resultados do modelo de transporte de contaminantes, com vis-tas à determinação de condições de balneabilidade.

� Análise de processos sedimentológicos na Lagoa de Araruama.


3. Sobre a importância e a confiabilidade dos modelos Modelos são ferramentas integradoras, sem os quais não se consegue uma visão da dinâmica e dos processos em sistemas ambientais complexos como a Lagoa de Ara-ruama. Usualmente, quando se levantam dados ambientais para planejamento, gestão ou ge-renciamento, obtêm-se séries temporais em uns poucos pontos distribuídos na área de interesse. Através de modelos calibrados as informações obtidas nestes poucos pontos podem ser estendidas para toda a área de interesse. E, se os modelos calibra-dos são capazes de bem reproduzir situações para as quais se fez levantamentos, não há porque duvidar que possam ser usados para prever impactos de modificações a serem introduzidas no meio, ou prever situações com cenários diferentes dos que o-correram nas épocas de medições. A análise de dados ambientais medidos em pontos isolados por vezes fica dificultada se não se tiver uma idéia clara da dinâmica do sistema. Por exemplo, pode-se inter-pretar muito melhor a medição de concentrações de um contaminante obtida em di-versos pontos, sabendo-se de onde vêm e para onde vai o contaminante medido. Ex-ceto em rios, que têm escoamento unidirecional, a dinâmica espacial da dispersão de um contaminante é difícil de se obter através de medições pontuais, mas é facilmente obtida através de modelos. O mesmo vale para a maioria das grandezas relevantes à gestão de corpos de água naturais. Desta forma, em linhas gerais, modelos são ferramentas indispensáveis à gestão e ao gerenciamento de sistemas ambientais como a Lagoa de Araruama, pois permitem integrar informações espacialmente dispersas, estender o conhecimento para regiões nas quais não há medições, ajudar a interpretação de medições feitas em estações pontuais, prever situações simulando cenários futuros, etc. O uso de modelos como ferramentas de previsão inclusive pode ser feito quase em tempo real, para planejar operações de limpeza ambiental em decorrência de derrames acidentais de contami-nantes tóxicos como óleos e solventes. Acima as palavras “modelos calibrados” estão grifadas porque a potencialidade da utilização de modelos efetivamente se materializa quando estes estão calibrados. Modelos não calibrados têm sua utilidade diminuída, pois não se pode aferir a vali-dade dos resultados obtidos. Por melhor que seja o sistema de modelos adotado, não é possível avaliar quantitativamente a acurácia dos resultados sem dados medidos para comparação. É através de um processo iterativo de comparação entre valores medidos e valores computados, seguidos de ajustes, que se faz a calibração de mode-los.


O sistema de modelos adotado para este trabalho1 possui atributos para minimizar o processo de calibração e conseqüentemente maximizar a confiabilidade dos resulta-dos, como enfatizado abaixo. Alguns dos atributos do sistema adotado são: 1. As estratégias de discretização espacial são otimizadas para corpos de água natu-

rais, pois permitem excepcional detalhamento de contornos recortados e batime-trias complexas. A discretização espacial é preferencialmente feita via elementos finitos quadrangulares biquadráticos, mas pode igualmente ser feita via elemen-tos finitos triangulares quadráticos ou combinação de ambos. Tal método de dis-cretização espacial é potencialmente de quarta ordem. Em simulações de escoa-mentos tridimensionais, a discretização vertical da coluna de água usa diferenças finitas com transformação sigma, de sorte que a discretização completa do domí-nio resulta em uma pilha de malhas de elementos finitos, uma para cada nível Z da transformação sigma.

2. Tensões e difusividades turbulentas são modeladas de uma maneira que torne a calibragem dos modelos diretamente relacionada a variáveis naturais. O em-prego de esquemas auto-ajustáveis para a turbulência em escala sub-malha mi-nimiza a necessidade de calibragem. A modelagem da turbulência é baseada em técnicas de filtragem que levam à simulação de grandes vórtices, ou vórtices re-solvíveis. Tal técnica é conhecida na literatura internacional como LES, sigla de Large Eddy Simulation, o que é considerado estado da arte para modelagem de turbulência em escoamentos geofísicos.

3. O modelo hidrodinâmico admite especificação pontual do tipo de material de fundo, e usa interpolação biquadrática2 para valores de profundidade e rugosi-dade equivalente do fundo, permitindo ótima acurácia na representação física do leito. Além disso permite que o atrito no fundo seja variável no tempo e no espaço. Tal realismo é extremamente relevante para simulações de escoamentos em regiões costeiras, baias, estuários, rios e lagoas. Com a fidelidade consegui-da no mapeamento da batimetria e contornos, bem como das tensões de atrito, a coerência entre resultados medidos e modelados é naturalmente maximizada, minimizando a necessidade e o processo de calibração.

4. Os modelos são baseados em esquemas numéricos bem estabelecidos, para garan-tia de validade e aceitação.

Em função dos atributos acima, e garantindo-se as condições expostas a seguir, o emprego do sistema de modelos adotado para este projeto em muitos outros traba-

1 O sistema adotado denomina-se SisBAHIA® - Sistema BAse de HIdrodinâmica Ambiental, marca registrada da Fundação Coppetec. Tal sistema encontra-se continuamente sendo ampliado e aperfei-çoado na COPPE/UFRJ desde 1987, já tendo sido adotado em dezenas de estudos e projetos envol-vendo modelagem de corpos de água naturais. Para maiores detalhes sobre o SisBAHIA® entre em contato com a Fundação Coppetec, ou consulte a referência Um Sistema Computacional de Hidrodinâmica Ambiental – Capítulo 1 (pp 1-161) do livro Métodos Numéricos em Recursos Hídricos 5, publicado em Novembro de 2001 pela Associação Brasileira de Recursos Hídricos <www.abrh.org.br>. 2 Em geral a discretização é feita com elementos finitos quadrangulares biquadráticos, e por isso as interpolações são biquadráticas. Entretanto, se o modelador optar por usar elementos triangulares, as interpolações seguirão o tipo do elemento.


lhos ensina que, mesmo sem qualquer calibração, os resultados obtidos pelos mode-los apresentam a seguinte confiabilidade:

• A coerência entre valores reais e valores computados de níveis de água são em geral melhores que 90%. Após calibração é usual que sejam superiores a 95%.

• A coerência entre valores reais e valores computados de velocidade e direção de correntes são usualmente melhores que 70%. Após calibração é comum ter-se coerências superiores a 90%.

• A coerência entre valores reais e valores medidos de concentração de conta-minantes são semelhantes às verificadas para velocidade e direção de corren-tes. Como os modelos de transporte de contaminantes recebem como dados de entradas os resultados de níveis e correntes dos modelos hidrodinâmicos, a confiabilidade dos modelos de transporte é intrinsecamente função da qua-lidade dos resultados hidrodinâmicos.

Para atingir tais coerências, é necessário atender às seguintes condições:

1. Garantir que a geometria do corpo de água implementada no sistema de modelos esteja correta, e seja condizente com a existente na época de medição de níveis e correntes. Discrepâncias em dados de batimetria e contornos são freqüentes cau-sas de diferenças entre valores medidos e valores computados.

2. Garantir que os forçantes dos escoamentos, e.g. curvas de maré, ventos e vazões fluviais, estejam corretamente implementados no sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de níveis e correntes. Erros na especificação dos forçantes dos escoamentos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.

3. Garantir que as intensidades das fontes contaminantes e os parâmetros das rea-ções cinéticas estejam corretamente implementados no sistema de modelos, e se-jam condizentes com os existentes na época de medição de concentrações. Erros na especificação de intensidades de fontes e parâmetros de reações cinéticas são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.

3.1. Sobre a validade dos resultados que se apresenta O que foi exposto no item anterior poderia ser resumido com a seguinte frase:

“A validade e a confiabilidade dos resultados dos modelos são no má-ximo iguais à validade e à confiabilidade dos dados de entrada”.

Com relação a isso é dever ressaltar os seguintes aspectos pertinentes ao modelamen-to que aqui se apresenta para a Lagoa de Araruama:

1. Não há disponibilidade de dados medidos de níveis de água ao longo da La-goa de Araruama, que possam ser usados de forma consistente com o mode-lamento realizado. Dados esparsos no tempo e no espaço, frequentemente ca-


recendo de referências de nível confiáveis, são de pouca ou nenhuma serven-tia para os propósitos deste trabalho.

2. No que concerne aos dados de correntes e de concentrações de contaminantes, desconhece-se a disponibilidade de dados medidos na Lagoa de Araruama.

3. Como se relata no item 4.1.1, os dados de batimetria e mapas de contorno exis-tentes da Lagoa de Araruama ou são desatualizados ou carecem de confiabili-dade.

4. Com relação aos dados dos forçantes dos escoamentos, marés e vazões fluvi-ais, foram gerados dados sintéticos a partir de informações disponíveis de constantes harmônicas e índices pluviométricos.

5. Os dados de vento disponíveis, embora de uma série temporal de 20 anos, a-presentavam medições em intervalos de 3 horas, sendo comum não se dispor de dados medidos entre 21:00h de um dia e 6:00h do dia seguinte.

6. Por conseguinte, os resultados apresentados neste trabalho embora sejam sem dúvidas elucidativos e capazes de mostrar como são os padrões dinâmicos ge-rais da Lagoa de Araruama, devem ser considerados com caráter mais qualita-tivo que quantitativo.


4. Implementação dos modelos computacionais Relata-se neste item como foram implementados os modelos de circulação hidrodi-nâmica e transporte de contaminantes do sistema de modelos adotado, para o caso da Lagoa de Araruama.

4.1. Dados ambientais utilizados Os dados ambientais pertinentes às simulações apresentadas neste Relatório Final são apresentados nos itens a seguir.

4.1.1. Domínio modelado e dados batimétricos

O domínio modelado e a batimetria considerada no modelo implementado podem ser vistos na Figura 1. Deve-se ressaltar que os dados batimétricos disponíveis são desatualizados ou muito precários. Relembra-se que os dados de batimetria utiliza-dos no RA1 foram obtidos das seguintes fontes: � Sondagem batimétrica: no período de 26/11/1985 a 10/12/1985, realizada pela

empresa Oceanotécnica para a Companhia Brasileira de Dragagem. (São dados com boa confiabilidade com padrão profissional de bom nível.)

� Sondagem batimétrica: no interior da lagoa, realizada em 1977, por autor desco-nhecido. (Nota: Pela forma em que tais dados estão apresentados, estima-se que não sejam de grande confiabilidade.)

� Batimetria estimada: na ocasião da elaboração do RA1, em virtude da indisponi-bilidade de dados batimétricos no trecho entre o Baixo Grande e a Ilha das Pom-bas os valores nesta região foram estimados.

A partir do RA2, atualizou-se os dados de batimetria do trecho entre o Baixo Grande e a Ilha das Pombas, apresentados em cartas da Lagoa de Araruama publicadas pelo CREA-RJ. Deve-se frisar que as cartas publicadas pelo CREA-RJ têm caráter ilustrati-vo, por isso, os dados nelas contidos são muito precários para fins de modelamento computacional. Entretanto, devido à indisponibilidade de outros dados, tais dados batimétricos foram usados. Assim sendo, recomenda-se que para qualquer trabalho futuro de modelagem da Lagoa de Araruama, que se pretenda realizar com objetivos quantitativos ou com ca-pacidade de prognosticar cenários, será indispensável, a priori, providenciar um completo mapeamento batimétrico e da linha de orla da Lagoa.


5000

1000

015

000

2000

025

000

3000

035

000

4000

045

000

5000

055

000

5000

1000

0

1500

0

2000

0

2500

0

Lago

a de

Ara

ruam

a, R

J

0.0

m1.

0 m

2.0

m3.

0 m

4.0

m5.

0 m

6.0

m7.

0 m

8.0

m9.

0 m

10.0

m11

.0 m

12.0

m13

.0 m

14.0

m

Prof

undi

dade

s(N

R =

NM

M)

Figura 1. Mapa de bati-metria geral da Lagoa de Araruama, cobrindo o domínio de modelamen-to considerado.

Notas: 1. As cotas de fundo são re-ferenciadas ao nível médio do mar (NMM) em Cabo Frio. Para se referenciar ao nível médio das baixa-mares de sizígia, como usual em Cartas Náuticas, desconte 0.7m dos valores lidos no mapa. 2. As áreas hachuradas re-presentam regiões cercadas como salinas e marnéis. São regiões estagnadas fora da dinâmica da Lagoa.


A Figura 2 a seguir apresenta vistas detalhadas da região da Lagoa de Araruama nas cercanias de São Pedro da Aldeia e Cabo Frio. Retrata-se em maior detalhe a batime-tria atual considerada no domínio modelado inclusive no Canal de Itajurú.

Figura 2. Detalhe da batimetria atual na região do Canal de Itajurú, Cabo Frio e São Pedro da Aldei-

a. No mapa as profundidades são referenciadas ao NMM em Cabo Frio.

Por solicitação do contratante, simulou-se o efeito de dragagem para desobstrução de canais. A Figura 3 apresenta a batimetria considerando uma dragagem que mantenha pro-fundidade mínima de 3.7 m em relação ao NMM, ou 3.0 m em relação ao nível de re-dução (NR) usual das cartas náuticas. A dragagem sugerida seguiria pelo de Canal de Itajurú, passando pela Lagoa das Palmeiras, e indo de forma sinuosa da Ilha das Pombas até o Baixo Grande, conforme indicam as setas na Figura 3. O trecho sinuoso foi especificado pela contratante.


Figura 3. Detalhe da batimetria na região do Canal de Itajurú, Cabo Frio e São Pedro da Aldeia, com

dragagem de um canal com 3.7 m de profundidade. No mapa as profundidades são refe-renciadas ao NMM em Cabo Frio.

Canal dragado a 3,0m


12 24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.9

-0.6

-0.3

0

0.3

0.6

0.9

Elev

ação

(m)

4.1.2. Dados de Maré

A variação do nível do mar na embocadura do Canal de Itajurú foi modelada através de curvas de maré sintéticas. As constantes harmônicas utilizadas para geração de curvas sintéticas de maré, são as do Porto de Arraial do Cabo, fornecidas pelo Depar-tamento de Hidrografia e Navegação da Marinha do Brasil. Dentre as dezenas de constantes harmônicas pertinentes ao Porto de Arraial, foram usadas as 16 com mai-ores amplitudes, como listadas na Tabela 1.

Tabela 1. Principais constantes harmônicas do Porto de Arraial do Cabo (DHN).

Nome Período (s) Amplitude (m) Fase (rad) M2 44714.16 0.3256 1.370607062 S2 43200.00 0.1718 1.539729466 O1 92949.63 0.0999 1.524894167 K1 86164.09 0.0504 2.568426527 K2 43082.05 0.0467 1.553517567 N2 45570.05 0.0418 1.609891702 Q1 96726.08 0.0267 1.312313065 L2 43889.83 0.0222 1.611986097 M4 22357.08 0.0193 0.429176463 P1 86637.20 0.0167 2.490235777

KQ1 77681.65 0.0145 0.358665161 M1 89399.69 0.0140 0.800757061

MNS2 42430.07 0.0108 2.244144352 T2 43259.22 0.0101 1.532922682

MS4 21972.02 0.0100 2.011666496 J1 83154.52 0.0098 2.162462943

Para as simulações apre-sentadas neste RF, utili-zou-se como condição de contorno de elevação do nível do mar, as curvas de maré apresentadas na Figura 4, geradas com as constantes listadas na Tabela 1. Figura 4 – Elevação da maré.


4.2. Dados de Vento Os ventos, relativamente intensos e freqüentes, que sopram sobre a lagoa de Araru-ama têm enorme influência em sua dinâmica. Por isso é muito importante considera-los corretamente nas simulações computacionais. Como já informado no RA1, a base de dados de direção e intensidade de ventos utilizados na modelagem de circulação da Lagoa de Araruama refere-se a medições feitas na estação 83759 em São Pedro D’Aldeia durante um período de 20 anos (de 12/07/76 a 22/07/97). Os dados utili-zados compõem uma série temporal de medições de velocidade e direção do vento referenciada ao norte verdadeiro com intervalos de amostragem de 3 horas. Com ba-se nos dados fica clara a predominância dos ventos NE, como apresentado na Figura 5. Destaca-se o fato que, grupando-se as direções N-NE-E obtêm-se cerca de 2/3 de todas as ocorrências. Na Figura 6, para os mesmos dados de vento apresenta-se as distribuições de dire-ções e intensidades de vento. Nas simulações apresentadas no RA1, foram considerados ventos usuais e ventos tí-picos de entrada de frente fria. Neste RF, fez-se simulações comparativas entre a si-tuação da Lagoa com a batimetria atual para com o canal dragado a 3 m indicado na Figura 10. Para tal comparação, selecionou-se uma situação de vento que retrata o segundo pico mais dominante da distribuição de indicada na Figura 6. Como se pode ver na referida figura, há um pico destacado de ventos de direção NE com intensida-de relativamente forte de 10 m/s. Para as condições de batimetria atual, e visando a caracterizar os padrões de circulação na Lagoa, simulou-se também para a condição de ventos SW, que ocorrem com entradas de frente fria. Dentre os dados medidos, selecionou-se como representativo das condições de ven-tos usuais de NE, o padrão de ventos registrado na primeira semana de Janeiro de 1996, como ilustra a Figura 7. E como ventos tipificando a entrada de frente fria a primeira semana de Julho de 1996, cf. Figura 8.

Direção Ocorrência

N 15,9% NE 31,0% E 18,8% SE 3,2% S 8,4% SW 11,4% W 6,4% NW 5,0%

Figura 5. Estatística da direção do vento


Figura 6. Distribuição de velocidade e direção do vento entre 1976 e 1997, em São Pedro da Aldeia.

Figura 7. Dados de vento com condições de vento NE, tipificando situação mais usual. Os valores

mostrados a cada 15 minutos são interpolados a partir dos medidos a cada 3 horas.


Figura 8. Dados de vento tipificando condições de entrada de frente fria de SW. Os valores mostra-

dos a cada 15 minutos são interpolados a partir dos medidos a cada 3 horas.

Vale ressaltar que pelos dados de vento disponíveis, tanto o vento reinante (o que a-presenta a maior freqüência), quanto o dominante (o que apresenta o maior produto freqüência x o quadrado da intensidade) são ventos de Nordeste. O reinante apresenta intensidade de 5.0 m/s e o dominante de 10.0 m/s.


5. Discretização do domínio modelado O domínio modelado, cf. Figura 1, foi discretizado em elementos finitos Lagrangea-nos conforme se apresenta na Figura 9. No total a malha de discretização contém 800 elementos finitos quadrangulares, com 3729 pontos de cálculo, ou nós, representando colunas de água. Os contornos de terra são demarcados por 1060 nós, e os de mar por 21. Na Figura 10, a malha de discretização pode ser vista em maiores detalhes no trecho entre São Pedro da Aldeia e a barra do Canal de Itajurú.


Figura 9. Domínio modela-do, discretizado em 800 elementos finitos quadran-gulares, com 3729 nós re-presentando colunas de á-gua. O contorno de terra tem 1060 nós e o de mar 21. Há 2650 nós internos. Veja detalhes na Figura 10.


Figura 10. Detalhes da malha de discretização na região entre São Pedro da Aldeia e a embocadura

do Canal de Itajurú. Na estampa superior ilustrando a batimetria atual e na inferior vê-se a modificação introduzida na batimetria com o canal dragado de 3.0m. A Figura 9 mostra uma vista geral do domínio discretizado em elementos finitos.


6. Padrões de circulação hidrodinâmica Nesta seção são apresentados resultados de simulações que caracterizam os padrões de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, com base nos dados ambientais apresentados na seção anterior. De modo a caracterizar padrões de circulação típicos os resultados para as seguintes situações são apresentados:

1. Batimetria atual, como ilustrado na Figura 1 e detalhe na Figura 2, em situação de calmaria (sem vento).

2. Batimetria atual, como ilustrado na Figura 1 e detalhe na Figura 2, em situação de ventos usuais de NE, cf. Figura 7.

3. Batimetria atual, como ilustrado na Figura 1 e detalhe na Figura 2, em situação de ventos de SW, cf. Figura 8.

Para auxílio na discussão dos resultados, são incluídos gráficos de séries temporais em pontos selecionadas ao longo do sistema lagunar. Tais pontos são chamados de estações, e suas posições podem ser vistas na figura abaixo.

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000

5000

10000

15000

20000

25000

12

34

5

678

910

1112

Lagoa de Araruama, RJ1

2

3

4

12

Figura 11. Localização das 12 estações nas quais foram registrados resultados em forma de séries

temporais de valores.


24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36Tempo (h)

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Elev

ação

(m)

Séries TemporaisElev.: estação 1Elev.: estação 4Elev.: estação 5Elev.: estação 7Elev.: estação 10

6.1. Padrões de circulação sob calmaria (sem vento) Os padrões de circulação na Lagoa de Araruama, em situação de calmaria (sem ven-tos), podem ser analisados através dos mapas apresentados na seqüência da Figura 12 à Figura 23. De modo a melhor se delimitar as regiões sob maior influência da dinâmica das marés, adotou-se como forçante marés com amplitudes típicas de sizígia, como se mostra na Figura 4, e rios com vazões médias constantes. Com relação aos padrões que se pode observar nos mapas da Figura 12 à Figura 23, destaca-se: • Os mapas de elevação do nível da água mostram que praticamente não há varia-

ção de nível de água no interior da Lagoa durante o ciclo da maré.

O gráfico ao lado retrata a variação de níveis nas estações 1, 4, 5, 7 e 10 (vide posição na Figura 11). Vê-se claramente que, apesar da forte variação da maré na embocadura, cerca de 1.4 m entre preamar e baixamar, a variação do nível de água na maior parte da Lagoa, estações 7 e 10, é praticamente inexistente. Na estação 5 a variação é da ordem de 0.02 m, e na Laguna das Palmeiras (estação 4) não chega a 0.4 m entre preamar e baixamar. • Sob calmaria a Lagoa permanece

praticamente estagnada na sua maior parte. Nota-se claramente que na prática, apenas a região da embocadura do Canal de Itajurú até a península de São Pedro da Aldeia apresenta uma dinâmica significativa, como detalhado na Figura 14, Figura 17, Figura 20 e Figura 23.


Figura 12. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ven-tos). Veja detalhe na Figura 14


Figura 13. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com pre-amar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 14


Figura 14. Detalhes do padrão de circulação hidrodinâmica na Lagoa de Araruama, em situação de

calmaria (sem ventos), com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isoli-nhas de elevação, cf. Figura 12, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 13.


Figura 15. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos). Veja deta-lhe na Figura 17.


Figura 16. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com meia maré vazante na embo-cadura, cf. hora 28 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 17.



calmaria (sem ventos), com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 15, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 16.


Figura 18. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de calmaria (sem ven-tos). Veja detalhe na Figura 20.


Figura 19. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com bai-xamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 20.



calmaria (sem ventos), com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isoli-nhas de elevação, cf. Figura 18, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 19.


Figura 21. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadu-ra, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lago-a, em situação de cal-maria (sem ventos). Veja detalhe na Figura 23.


Figura 22. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de calmaria (sem ventos), com meia maré enchente na em-bocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Veja detalhe na Figura 23.



calmaria (sem ventos), com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isoli-nhas de elevação, cf. Figura 21, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 22.


6.2. Padrões de circulação sob condições usuais, vento de NE Os padrões de circulação na Lagoa de Araruama, em condições usuais de ventos NE, podem ser analisados através dos mapas apresentados na seqüência da Figura 26 à Figura 37. De modo a se comparar com a situação de calmaria apresentada item ante-rior, adotou-se o mesmo forçante de marés com amplitudes típicas de sizígia, como se mostra na Figura 4, e rios com vazões médias constantes. Além destes, para este caso a ação de ventos de NE também foi imposta como forçante dos escoamentos. Os ventos atuantes nas ilustrações desta seção são os que ocorrem a partir das 12:00h do dia 04/01/96, como de mostra na Figura 7. Com relação aos padrões que se pode ob-servar nos mapas da Figura 26 à Figura 37, destaca-se:

• Os mapas de elevação da superfície livre, ou nível da água (NA), mostram signifi-cativa diferença de níveis entre as extremidades Leste e Oeste da Lagoa. Em res-posta à ação dos ventos de NE ocorre o empilhamento de água com subida de ní-vel nas porções SW da Lagoa e o conseqüente abaixamento de nível nas porções NE.

• Apesar das diferenças de níveis causadas pelo vento, praticamente não há varia-ção de nível de água no centro da Lagoa decorrente da ação das marés.

• Os gráficos abaixo retratam a variação de níveis nas estações 1, 4, 5, 7 e 11 (veja posição na Figura 11). O gráfico à esquerda mostra variações ao longo de 72 ho-ras, e o da direita mostra detalhes ao longo do ciclo de maré destacado nos mapas da Figura 26 à Figura 37.

12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84Tempo (h)

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Elev

ação

(m)


24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36Tempo (h)

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Elev

ação

(m)


• Analisando-se os gráficos acima, os mapas de elevação da superfície livre e verifi-

cando na Figura 7 as respectivas intensidade e direção do vento pertinente a cada instante, verifica-se que:

o As isolinhas de elevação observadas nos mapas tendem a ser perpendicu-lares à direção de ação do vento.

o A magnitude da diferença de elevação do nível da água na Lagoa causada pela ação dos ventos depende da intensidade e da direção do vento. Para


uma dada intensidade de vento, quanto mais alinhada a direção do vento estiver com o eixo longitudinal da Lagoa maior será a diferença de eleva-ção. E, para uma dada direção de vento, quanto maior a intensidade do vento, maior será a diferença de elevação.

• Observa-se que apesar da forte variação da maré na embocadura, atingindo cerca de 1.4 m entre preamar e baixamar, a variação do nível de água na maior parte da Lagoa, estações 7 e 11, é praticamente independente da maré. Mesmo na estação 5 a variação que se verifica é muito mais função do vento que da maré, como cla-ramente mostram os gráficos acima. Na Laguna das Palmeiras (estação 4) nota-se que a ação das marés é fortemente dominante, causando variações da ordem de 0.4 m entre preamar e baixamar.

• Sob ação dos ventos de NE a Lagoa ganha significativa circulação hidrodinâmica, em forte contraste com a estagnação verificada na situação de calmaria. Verifica-se claramente que a circulação entre a extremidade Oeste da Lagoa e a península de São Pedro da Aldeia, é amplamente dominada pela ação dos ventos.

• Em contrapartida, indo da península de São Pedro da Aldeia para a embocadura do Canal de Itajurú, nota-se que a circulação vai tornando-se crescentemente do-minada pela ação das marés, como detalhado na Figura 28, Figura 31, Figura 34 e Figura 37. Especialmente a partir da Laguna das Palmeiras, inclusive, nota-se que as diferenças de nível, e a magnitude e direção das correntes afetadas pelo vento são pouco significantes em relação às causadas pela ação das marés.

• Na circulação causada pelos ventos de NE na Lagoa de Araruama, nota-se o apa-recimento de grandes vórtices girando no sentido horário nas porções Sul da La-goa, e no sentido anti-horário nas porções Norte. É notável a constância dos pa-drões gerais de tais vórtices ao longo do ciclo de maré, indicando a plena domi-nância dos ventos na sua dinâmica.

• Durante as horas de ação mais intensa de vento NE, como mostra a Figura 32, a diferença de níveis de água entre as extremidades Oeste e Este da Lagoa chega a ser maior que 0.25 m. E, examinando-se o gráfico na página anterior, vê-se que sob a ação de intensos ventos de ENE mais alinhados com o eixo longitudinal da Lagoa que os ventos de NE, e.g. hora 68, a diferença de nível entre as estações 5 e 11 chega a cerca de 0.35 m, registrando um abaixamento de cerca –0.18 m na esta-ção 5 contra uma subida de +0.17 m na estação 11. Na Figura 24 e na Figura 25 a seguir mostram-se mapas de elevação de NA e correntes na Lagoa durante tal ho-ra. O vento atuante de ENE corresponde às 08:00 h do dia 06/01/96 retratado na Figura 7.


Figura 24. Mapa de isolinhas de elevação do NA, retratando a hora 68, na qual ocorreram os maiores

desníveis entre as extremidades Leste (ordenada 43000m) e Oeste na Lagoa de Araruama, não causados pela ação da maré. O vento atuante de ENE corresponde às 08:00 h do dia 06/01/96 como indicado na Figura 7.

Figura 25. Mapa de correntes, retratando a hora 68, na qual ocorreram os maiores desníveis entre as

extremidades Leste (ordenada 43000m) e Oeste na Lagoa de Araruama, independentes da ação da maré. O vento atuante de ENE corresponde às 08:00 h do dia 06/01/96 como indi-cado na Figura 7.

Sob ação de ventos intensos de ENE, além dos fortes desníveis são gerados fortes vórtices de circulação na Lagoa, girando no sentido horário nos bolsões Sul e no sen-tido anti-horário nos bolsões Norte. A seguir, apresenta-se da Figura 26 à Figura 37, mapas de elevação de superfície livre e de correntes ao longo de um ciclo de maré, com detalhamento para a região entre São Pedro da Aldeia e a embocadura do Canal de Itajurú.


Figura 26. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indi-cado na Figura 7, dia 04/01/96 às 13:00h. Ve-ja detalhe na Figura 28.


Figura 27. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com preamar na embo-cadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 13:00h. Ve-ja detalhe na Figura 28.



ventos usuais de NE, com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 26, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 27.


Figura 29. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 16:00h. Veja detalhe na Figura 31.


Figura 30. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 16:00h. Veja detalhe na Figura 31.



ventos usuais de NE, com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 29, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 30.


Figura 32. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de vento NE, como indi-cado na Figura 7, dia 04/01/96 às 19:00h. Ve-ja detalhe na Figura 34.


Figura 33. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com baixamar na embo-cadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01 /96 às 19:00h. Veja detalhe na Figura 34.



ventos usuais de NE, com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 32, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 33.


Figura 35. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadu-ra, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lago-a, em situação de vento NE, como indicado na Figura 7, dia 04/01/96 às 22:00h. Veja detalhe na Figura 37.


Figura 36. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de vento NE, com meia maré enchen-te na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 7, dia 04/01 /96 às 22:00h. Veja de-talhe na Figura 37.



ventos usuais de NE, com meia maré enchente na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 35, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 36.


6.3. Padrões de circulação sob entrada de frente fria, vento de SW Os padrões de circulação na Lagoa de Araruama, em condições de entrada de frente fria com ventos de SW, podem ser analisados através dos mapas apresentados na se-qüência da Figura 38 à Figura 49. De modo a se comparar com a situação de calmaria e com a de ventos usuais de NE, apresentadas nos itens anteriore, adotou-se o mes-mo forçante de marés com amplitudes típicas de sizígia, como se mostra na Figura 4, e rios com vazões médias constantes. Além destes, para este caso a ação de ventos de SW também foi imposta como forçante dos escoamentos. Os ventos atuantes nas ilus-trações desta seção são os que ocorrem a partir das 12:00h do dia 02/07/96, como de mostra na Figura 8. Com relação aos padrões que se pode observar nos mapas da Figura 38 à Figura 49, destaca-se:

• Os mapas de elevação da superfície livre, ou nível da água (NA), mostram que ocorre significativa diferença de níveis entre as extremidades Leste e Oeste da La-goa. Em resposta à ação dos ventos de SW nota-se o empilhamento de água e su-bida de nível nas porções NE da Lagoa e o conseqüente abaixamento de níveis nas porções SW.

• Apesar das diferenças de níveis causadas pelo vento, praticamente não há varia-ção de nível de água no centro da Lagoa decorrente da ação das marés.

• Os gráficos abaixo retratam a variação de níveis nas estações 1, 4, 5, 7 e 11 (vide posição na Figura 11). O gráfico à esquerda mostra variações ao longo de 36 ho-ras, e o da direita mostra detalhes ao longo do ciclo de maré destacado nos mapas da Figura 38 à Figura 49.

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48Tempo (h)

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Elev

ação

(m)


24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36Tempo (h)

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Elev

ação

(m)


• Analisando-se os gráficos acima, os mapas de elevação da superfície livre e verifi-

cando na Figura 7 as respectivas intensidade e direção do vento pertinente a cada instante, verifica-se que:

o As isolinhas de elevação observadas nos mapas tendem a ser perpendicu-lares à direção de ação do vento.


o A magnitude da diferença de elevação do nível da água na Lagoa causada pela ação dos ventos depende da intensidade e da direção do vento. Para uma dada intensidade de vento, quanto mais alinhada a direção do vento estiver com o eixo longitudinal da Lagoa maior será a diferença de eleva-ção. E, para uma dada direção de vento, quanto maior a intensidade do vento, maior será a diferença de elevação.

• Observa-se que apesar da forte variação da maré na embocadura, atingindo cerca de 1.4 m entre preamar e baixamar, a variação do nível de água na maior parte da Lagoa, estações 7 e 11, é praticamente independente da maré. Mesmo na estação 5 a variação que se verifica é muito mais função do vento que da maré, como cla-ramente mostram os gráficos acima. Na Laguna das Palmeiras (estação 4) nota-se que a ação das marés é fortemente dominante, causando variações da ordem de 0.4 m entre preamar e baixamar.

• Sob ação dos ventos de SW a Lagoa ganha significativa circulação hidrodinâmica, em forte contraste com a estagnação verificada na situação de calmaria. Verifica-se claramente que a circulação entre a extremidade Oeste da Lagoa e a península de São Pedro da Aldeia, é amplamente dominada pela ação dos ventos.

• Em contrapartida, indo da península de São Pedro da Aldeia para a embocadura do Canal de Itajurú, nota-se que a circulação vai tornando-se crescentemente do-minada pela ação das marés, como detalhado na Figura 40, Figura 43, Figura 46 e Figura 49. Especialmente a partir da Laguna das Palmeiras, inclusive, nota-se que as diferenças de nível, e a magnitude e direção das correntes afetadas pelo vento são pouco significantes em relação às causadas pela ação das marés.

• Ao contrário do que ocorre com ventos de NE, na circulação causada pelos ventos de SW na Lagoa de Araruama, nota-se o aparecimento de grandes vórtices giran-do no sentido anti-horário nas porções Sul da Lagoa, e no sentido horário nas porções Norte. Ressalta-se a Constancia dos padrões gerais de tais vórtices ao longo de um ciclo de maré.

• Durante as horas de ação mais intensa de vento SW, como mostra a Figura 41, a diferença de níveis de água entre as extremidades Oeste e Este da Lagoa chega a ser de 0.15 m. Os desníveis são menores que os ocorridos nas simulações com ventos de NE, cf. Figura 7, apresentados na seção anterior, porque as intensidades dos ventos de SW, cf. Figura 8, são um pouco menores, e as direções menos ali-nhadas com o eixo longitudinal da Lagoa de Araruama.

A seguir, apresenta-se da Figura 38 à Figura 49, mapas de elevação de superfície livre e de correntes ao longo de um ciclo de maré, com detalhamento para a região entre São Pedro da Aldeia e a embocadura do Canal de Itajurú, pertinentes à situação de ventos de SW típicos de entrada de frente fria.


Figura 38. Isolinhas de elevação da superfície livre com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 01:00h. Veja detalhe na Figura 40.


Figura 39. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com pre-amar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07 /96 às 01:00h. Veja de-talhe na Figura 40.



frente fria com ventos SW, com preamar na embocadura. Estampa superior detalha as iso-linhas de elevação, cf. Figura 38, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 39.


Figura 41. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré vazante na embocadura, cf. hora 28 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 04:00h. Ve-ja detalhe na Figura 43.


Figura 42. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com meia maré vazante na embo-cadura, cf. hora 28 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 04:00h. Ve-ja detalhe na Figura 43.



frente fria com ventos de SW, com meia maré vazante na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 41, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 42.


Figura 44. Isolinhas de elevação da superfície livre com baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Padrão geral na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 07:00h. Veja detalhe na Figura 46.


Figura 45. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com bai-xamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07 /96 às 07:00h. Veja de-talhe na Figura 46.



frente fria com ventos de SW, com baixamar na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 44, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 45.


Figura 47. Isolinhas de elevação da superfície livre com meia maré enchente na embocadu-ra, cf. hora 34 na Figura 4. Padrão geral na Lago-a, em situação de frente fria com vento SW, como indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 10:00h. Ve-ja detalhe na Figura 49.


Figura 48. Padrão geral de circulação hidrodi-nâmica na Lagoa, em situação de frente fria com vento SW, com meia maré enchente na em-bocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vento atuante indicado na Figura 8, dia 03/07/96 às 10:00h. Ve-ja detalhe na Figura 49.



frente fria com ventos de SW, com meia maré enchente na embocadura. Estampa superior detalha as isolinhas de elevação, cf. Figura 47, e a inferior o campo de correntes, cf. Figura 48.


7. Impactos de dragagem na circulação hidrodinâmica Nesta seção, apresenta-se resultados confrontando os padrões de circulação hidrodi-nâmica atuais, i.e., Lagoa com batimetria atual como ilustrado na Figura 1 e detalhe na Figura 2, com os padrões resultantes de dragagem de um canal com profundidade mínima de 3.0m, sugerida pela contratante, conforme se detalhada na Figura 3. As confrontações são feitas para os padrões decorrentes da ação de ventos usuais de NE, cf. Figura 7. De modo a possibilitar uma melhor confrontação entre a situação atual e a situação pós-canal dragado os resultados são apresentados em duas formas:

1. Resultados em forma de séries temporais confrontando as magnitudes de níveis e correntes na situação atual e na situação pós-dragagem. As séries temporais são referenciados a estações numeradas com posição indicada na Figura 50.

2. Mapas comparativos de níveis d’água e de correntes ao longo de um ciclo de ma-ré, para cada um dos casos.

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000

5000

10000

15000

20000

25000

12

34

5

678

910

1112

Lagoa de Araruama, RJ1

2

3

4

12

Figura 50. Localização das 12 estações nas quais foram registrados resultados em forma de séries

temporais de valores, (reprise da Figura 11).

7.1. Comparação de valores em pontos selecionados Os gráficos a seguir apresentam séries temporais de elevações de nível da água e de velocidades de correntes, dos quais destacam-se os seguintes pontos:

• Na Figura 51 e na Figura 52 pode-se observar que o efeito da dragagem de um canal de 3.0 m na variação dos níveis de maré no corpo principal da Lagoa se-ria muito pequeno.


• Entretanto, especialmente na Figura 52, nota-se que os níveis no meio da La-goa passaram a apresentar uma amplitude um pouco maior, e em compensa-ção, verifica-se uma ligeira diminuição nas amplitudes da Lagoa das Palmei-ras. Isso ocorre porque, com a dragagem, um volume de água consideravel-mente maior passa a fluir da Laguna das Palmeiras para o corpo principal da Lagoa.

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Elev

ação

(m)

Séries Temporais- Atenuação da Maré (Atual)Elev.: estação 1 (Mar)Elev.: estação 4 (Lagoa das Palmeiras)Elev.: estação 7 (Meio da Lagoa)

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Elev

ação

(m)

Séries Temporais. Atenuação da Maré (Canal 3m em curva)Elev.: estação 1 (Mar)Elev.: estação 4 (Lagoa das Palmeiras)Elev.: estação 7 (Meio da Lagoa)

Figura 51. Variação da maré em três pontos na Lagoa de Araruama. À esquerda com batimetria atu-

al, e à direita com canal dragado de 3,0 m em curva. (Veja localização das estações na Figura 50.)

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Elev

ação

(m)

Séries Temporais. Atenuação da Maré (Atual)Elev.: estação 4 (Lagoa das Palmeiras)Elev.: estação 7 (Meio da Lagoa)

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Elev

ação

(m)

Séries Temporais. Atenuação da Maré (Canal 3m em curva)Elev.: estação 4 (Lagoa das Palmeiras)Elev.: estação 7 (Meio da Lagoa)

Figura 52. Detalhe da variação da maré em dois pontos na Lagoa de Araruama. À esquerda com ba-

timetria atual, e à direita com cana dragado de 3,0 m em curva.

• Os efeitos acima mencionados parecem contraditórios. Mas, de fato, a desobs-trução obtida com a dragagem de um canal com 3.0 m de profundidade, pro-piciou um significativo aumento no prisma de maré, i.e., no volume de água do mar que entra na Lagoa durante a enchente. Entretanto, a maior parte deste


acréscimo está refletido na maior amplitude da variação de níveis no corpo principal da Lagoa de Araruama em função da maré. Por conta disso, há uma diminuição na amplitude das marés na diminuta Laguna das Palmeiras.

• A Figura 53 mostra como a desobstrução propiciada pelo canal dragado a 3,0 m aumenta consideravelmente as correntes de enchente e vazante na La-goa. Isso mostra que, embora os níveis de água não sejam afetados de forma muito sensível por conta da enorme área do espelho de água, ocorre um forte aumento nos fluxos de água entre as Lagoas.

• Os gráficos abaixo mostram a magnitude das correntes antes e depois da dra-gagem, à esquerda para a estação 4 e à direita para a estação 6. No caso da es-tação 4 as magnitudes chegam a triplicar e na estação 6, além do forte acrésci-mo em magnitude ocorre nítida mudança de fase.

Séries TemporaisU : estação 4 (Atual)V : estação 4 (Atual)U : estação 4 (Canal de 3m em curva)V : estação 4 (Canal de 3m em curva)

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Velo

cida

de (m

/s)

Séries TemporaisU : estação 6 (Atual)V : estação 6 (Atual)U : estação 6 (Canal de 3m em curva)V : estação 6 (Canal de 3m em curva)

24 36 48 60 72 84Tempo (h)

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Velo

cida

de (m

/s)

Figura 53. Séries temporais comparando magnitude de componentes de velocidade de correntes na

estações 4_(Lagoa das Palmeiras) e 6_(Pontal Perinas). Nota-se forte aumento nas corren-tes em decorrência da desobstrução propiciada pelo canal dragado de 3,0m em curva.

Tais efeitos podem ser vistos em toda a Lagoa através dos mapas comparativos a se-guir.


7.2. Mapas comparativos Mostra-se a seguir um conjunto de figuras ilustrando a variação de níveis de água e padrões de correntes na Lagoa de Araruama, sob a mesma ação de marés e ventos, antes e depois da dragagem de um canal com 3.0 m de profundidade mínima, em re-lação ao nível usual das cartas náuticas (MLWS).

Figura 54. Elevação da superfície livre em preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vista

geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 55. Elevação da superfície livre em preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Detalhe

da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 56. Padrão de correntes com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Vista geral da

Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dra-gado de 3 m em curva.


Figura 57. Padrão de correntes com preamar na embocadura, cf. hora 25 na Figura 4. Detalhe da

região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 58. Elevação da superfície livre em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora

28 na Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atu-al, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.

Nota-se significativo desnível entre as extremidades Oeste e Leste da Lagoa em de-corrência dos fortes ventos de NE, com velocidades da ordem de 10 m/s, cf. Figura 7. Observando a Laguna das Palmeiras, verifica-se que o nível desceu mais rapidamen-te em função da desobstrução que significaria a dragagem de um canal de 3,0 m. Tal efeito é mais bem observado nas figuras de detalhe a seguir.


Figura 59. Elevação da superfície livre em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora

28 na Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batime-tria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 60. Padrão de correntes em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na

Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.

Como a circulação hidrodinâmica no interior da Lagoa é dominada pela ação dos ventos, poucas diferenças se notam nos padrões de correntes das duas situações. En-tretanto, na região do canal, mais sujeita à ação das marés, as diferenças de padrões de correntes após a dragagem do canal de 3,0 m são notáveis. Tais diferenças podem ser vistas em detalhe nas figuras a seguir. Nas figuras de detalhe, nota-se que a inversão de correntes ocorre em meia maré, por se tratar de maré progressiva.


Figura 61. Padrão de correntes em meia maré, 3h após a preamar na embocadura, cf. hora 28 na

Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atu-al, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 62. Elevação da superfície livre em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vista


Nota-se forte desnível entre as extremidades Oeste e Leste da Lagoa em decorrência dos fortes ventos de NE, com velocidades da ordem de 10 m/s. Os ventos nesta situ-ação são por volta do meio dia do dia 05/01/96 ilustrados na Figura 7. Observando a região chamada Enseada das Palmeiras, verifica-se a ocorrência de di-ferenças significativas nos níveis de água nas duas situações. Tais diferenças decor-rem da desobstrução feita com a dragagem de um canal de 3,0m, e podem ser vistas em destaque nas figuras de detalhe a seguir.


Figura 63. Elevação da superfície livre em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Deta-

lhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 64. Padrão de correntes em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Vista geral da

Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dra-gado de 3 m em curva.

Como a circulação hidrodinâmica no interior da Lagoa é dominada pela ação dos ventos, as diferenças nos padrões de correntes das duas situações são menos signifi-cativas. Entretanto, na região do canal, mais sujeita à ação das marés, as diferenças de padrões de correntes após a dragagem do canal de 3,0 m são notáveis. Tais diferenças podem ser vistas em detalhe nas figuras a seguir.


Figura 65. Padrão de correntes em baixamar na embocadura, cf. hora 31 na Figura 4. Detalhe da

região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 66. Elevação da superfície livre em meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na

Figura 4. Vista geral da Lagoa: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.

Nota-se forte desnível entre as extremidades Oeste e Leste da Lagoa em decorrência dos fortes ventos de NE, com velocidades da ordem de 10 m/s. Os ventos nesta situ-ação são por volta do meio dia do dia 05/01/96 ilustrados na Figura 7. Observando a região chamada Enseada das Palmeiras, verificam-se diferenças signi-ficativas nos níveis de água, em função da desobstrução feita com a dragagem de um canal de 3,0m. Tais diferenças são destacadas nas figuras de detalhe a seguir.


Figura 67. Elevação da superfície livre em meia maré enchente na embocadura, cf. hora 34 na

Figura 4. Detalhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atu-al, e na inferior com canal dragado de 3 m em curva.


Figura 68. Padrão de correntes em meia maré vazante na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. Vista


Como a circulação hidrodinâmica no interior da Lagoa é dominada pela ação dos ventos, as diferenças nos padrões de correntes das duas situações são menos signifi-cativas. Entretanto, na região do canal, mais sujeita à ação das marés, as diferenças de padrões de correntes após a dragagem do canal de 3,0 m são notáveis. Tais diferenças podem ser vistas em detalhe nas figuras a seguir.


Figura 69. Padrão de correntes em meia maré vazante na embocadura, cf. hora 34 na Figura 4. De-

talhe da região do canal: na estampa superior o resultado com batimetria atual, e na infe-rior com canal dragado de 3 m em curva.


8. Modelo de plumas contaminantes De modo a avaliar as condições de balneabilidade em diversos pontos da Lagoa de Araruama implementou-se no modelo Lagrangeano de transporte de contaminantes do sistema de modelos adotado, 17 fontes de esgoto. As seguintes fontes foram selecionadas: Fonte Localidade Carga (l/s)

1 Rio das Moças 14.6 2 Praia Seca 13.3 3 Mataruna 186.9 4 Figueira 4.4 5 Salgado 66.7 6 Rio Iguaçaba 58.5 7 Balneário 112.9 8 Camerum 11.0 9 Centro 83.5 10 Campo Redondo 36.8 11 Siqueira 237.8 12 Baixo Grande 11.0 13 Burle 203.9 14 Ponta do Ambrósio 9.2 15 Porto do Carro 16.1 16 Jacaré 27.2 17 Ogiva 203.9

A localização das 17 fontes pode ser vista na Figura 70. As cargas na tabela ao lado foram estimadas com base na população da bacia de contribui-ção. Os valores apresentados são para a popu-lação em época de verão. Nas simulações realizadas, tais cargas foram consideradas como valores médios constantes. Isto é, as vazões de esgoto consideradas foram supostas permanentes durante os períodos das simulações.

Figura 70. Localização das 17 fontes de esgoto consideradas.

As simulações para estimativa das condições de balneabilidade foram feitas supondo o tempo de decaimento característico T90 = 6,0 horas. Considerando as condições de insolação, salinidade e temperatura da água na Lagoa de Araruama, tal duração é


certamente conservativa para os usuais índices baseados em colimetria, isto é, no número mais provável de coliformes em 100 ml de água (nmp/100ml).

8.1. Plumas contaminantes típicas A Figura 71 e a Figura 72 mostram respectivamente para a situação atual e para a com canal dragado, plumas de contaminação de esgoto com isolinhas de colimetria. Em ambos os casos têm-se plumas típicas de circulação gerada pelos mesmos ventos usuais de NE, e mesmas condições de maré na embocadura.

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000

5000

10000

15000

20000

25000

Lagoa de Araruama, RJ

100

500

1000

5000

10000

50000

100000

500000

1000000

Colimetria (nmp/100ml)

Figura 71. Situação atual: plumas contaminantes típicas de circulação sob ação de ventos usuais de

NE, em maré enchente na Lagoa das Palmeiras. Detalhe na Figura 73.

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000

5000

10000

15000

20000

25000

Lagoa de Araruama, RJ

100

500

1000

5000

10000

50000

100000

500000

1000000

Colimetria (nmp/100ml)

Figura 72. Situação com canal dragado: plumas contaminantes típicas de circulação sob ação de

ventos usuais de NE, em maré enchente na Lagoa das Palmeiras.


Comparando-se as duas figuras, percebem-se poucas diferenças em um e outro caso. As diferenças mais significativas ocorrem na região de Cabo Frio como mostradas em detalhes na Figura 73 para a situação atual e na Figura 74 para a situação com canal dragado.

Figura 73. Detalhe da contaminação de esgoto apresentada na Figura 71, representando a situação

atual em um instante de maré enchente na Laguna das Palmeiras, com ventos de NE.

Comparando-se as plumas na situação atual, Figura 73, com as relativas à situação com canal dragado, Figura 74, nota-se que o aumento do fluxo de água proporciona-do pela dragagem causou um pequeno aumento na extensão das plumas contami-nantes, mas com diminuição nas concentrações. Tal efeito é fruto do aumento de di-luição propiciado pelos maiores fluxos com o canal dragado. Como visto no item 6.2, os padrões de circulação que resultam no corpo principal da Lagoa pouco variam ao longo de um ciclo de maré. De fato como mostra a seqüência da Figura 26 à Figura 37, a circulação causada pelos ventos de NE na Lagoa de Ara-ruama gera grandes vórtices girando no sentido horário nas porções Sul da Lagoa, e no sentido anti-horário nas porções Norte. É notável a constância dos padrões gerais de tais vórtices ao longo do ciclo de maré. Por conta da constância dos padrões de circulação no corpo principal da Lagoa, po-de-se considerar as plumas de colimetria apresentadas neste item, como sendo típicas para a situação usual de ventos de NE, exceto para a região de detalhe que de fato varia bastante ao longo de um ciclo de maré.


Figura 74. Detalhe da contaminação de esgoto apresentada na Figura 72 para a situação com canal

dragado, em um instante de maré enchente na Laguna das Palmeiras, com ventos de NE.

Os detalhes de plumas na região de Cabo Frio, Figura 73 e Figura 74, são mostrados na situação de maior contaminação para o interior da Lagoa. Nos instantes de maré vazante, especialmente ao fim da vazante, as manchas de coliforme são menores e ocorre contaminação do litoral vizinho à embocadura da Lagoa.


9. Mobilidade de fundo Com vistas ao estudo dos processos sedimentológicos na Lagoa de Arauama anali-sou-se3 os parâmetros de mobilidade para as diferentes categorias granulométricas presentes no leito. Esta análise tem como objetivo principal a indicação de áreas propicias aos processos de erosão ou sedimentação. No caso específico da Lagoa de Araruama deve se considerar que as tensão no fundo e mobilização dos sedimentos são provocados pelos seguintes agentes hidráulicos:

1. A ação das correntes causadas por marés e ventos; 2. A ação das ondas geradas por ventos no interior da Lagoa.

Com relação às ações destes agentes devem ser enfatizados-se os seguintes pontos:

� Para sedimentos lamosos não consolidados tipicamente a tensão de atrito no fundo necessária para mobilização dos sedimentos, situa-se na faixa de 0,2 a 0,5 N/m².

� Para sedimentos predominantemente arenosos a tensão de atrito necessária é obtida através da função de Shields como se explica a seguir. Pode-se verificar que para sedimentos arenosos com grão de diâmetros medianos na faixa de 0,1 a 1,0 mm, as tensões de atrito necessárias para mobilização dos sedimentos ficam usualmente na faixa de 0,5 a 5,0 N/m².

� A ação apenas das correntes geradas por marés e ventos não é suficiente para mobilizar os sedimento na maior parte do interior da Lagoa, sendo forte o bas-tante apenas na região do Canal de Itajurú, conforme se mostra na Figura 76.

� A ação das ondas geradas na Lagoa de Araruama por ventos típicos de NE, bem como por ventos de entrada de frentes frias de SW, gera tensões no fundo amplamente suficientes para levantar os sedimentos do fundo em regiões com profundidades inferiores a 3 m.

� As ondas na Lagoa, por causarem movimento oscilatório no fundo, propor-cionam pouco transporte efetivo de sedimentos.

� Entretanto, a sinergia das ondas com as correntes pode resultar em uma ele-vada capacidade de transporte de sedimentos. Nesta ação conjunta as ondas exercem tensões de atrito que mobilizam os sedimentos ressuspendendo-os, sendo então facilmente transportados pelas correntes.

Os ventos atuantes na Lagoa de Araruama, tipicamente apresentam velocidades mé-dias horárias na faixa de 4~12 m/s, como se mostra na Figura 6. Tais ventos atuando por mais duas horas em pistas de 5~10 km na Lagoa de Araruama, geram ondas com períodos de 2~4 segundos e alturas de 0,1~0,5 m. Em locais com profundidades inferiores a 3 m, tais ondas geram tensões no fundo na faixa de 0,2 N/m² a >15,0 N/m². Estas tensões no fundo chegam a ser em mais de uma ordem de grandeza su-periores aos valores necessários para mobilizar sedimentos lamosos não

3 Vale ressaltar que a falta de dados consistentes dificulta uma análise mais quantitativa e abrangente dos processos sedimentológicos em curso na região.


aos valores necessários para mobilizar sedimentos lamosos não consolidados, e são também amplamente suficientes para mobilizar sedimentos arenosos . Para uma determinada granulometria do leito, o processo de erosão e/ou assorea-mento depende da denominada tensão crítica de arrasto. Valores da tensão no leito a-cima deste valor crítico podem promover a erosão de grãos enquanto que para valo-res inferiores à esta tensão os grãos permanecem imóveis, ou, se em movimento, ten-dem a depositar. No caso de sedimentos predominantemente arenosos, o critério de mobilidade usu-almente empregado baseia-se na chamada função de Shields, que tem a seguinte ex-pressão:

o * ;

( 1)s

ss

d uf SS d

′τ γ = = γ − ν γ

onde: τo tensão crítica de arrasto no leito γ’s peso específico aparente do grão γ peso especifico da água d diâmetro do grão u* velocidade de atrito no leito ν viscosidade cinemática da água

O termo entre parêntesis no segundo membro é também conhecido como Número de Reynolds do grão. A Figura 76 mostra a representação gráfica da relação entre a fun-ção de Shields e o número de Reynolds do grão. A aplicação do critério baseado na função de Shields consiste na comparação entre a tensão de arrasto no fundo causada pelas correntes em um dado local, τ, e a tensão crítica para o mesmo local, τo. Se τ > τo admite-se que os sedimentos no local são transportados pelas correntes, caso contrário os sedimentos permanecem em repou-so. Apesar de inúmeras solicitações feitas à contratante e a técnicos de órgãos do Estado do Rio de Janeiro, não se conseguiu obter um mapa de distribuição sedimentológica na Lagoa de Araruama. O levantamento de dados primários a este respeito está fora do escopo deste trabalho. Os únicos dados referentes à granulometria de sedimentos na Lagoa que se obteve são os listados na Tabela 2. Tais dados são do EIA/RIMA da dragagem parcial do canal de Itajurú, fornecido pela FEEMA em 10/2000. Não se conseguiu obter a posição das amostras listadas na tabela.


Figura 75 Diagrama de Shields.

Tabela 2. Granulometria do material de fundo da Lagoa de Araruama.

Ponto Material de Fundo Ponto Material de Fundo

1 Fundo de pedra 4 Areia 53% Argila 36% Silte 11%

2 Areia 77% Argila 12% Silte 11%




A partir do modelo hidrodinâmico, foram gerados mapas da distribuição de tensões de atrito no fundo devidas à ação de correntes, como se mostra na Figura 76. O cam-po de correntes gerador das tensões apresentadas está na Figura 77. As tensões gera-da apenas pelas correntes mostradas na Figura 76 são insuficientes para mobilizar sedimentos arenosos. Mas, como já enfatizado, a sinergia entre ondas e correntes possibilita considerável capacidade de mobilização e transporte. Em tal sinergia, as fortes tensões oscilatórias causadas pelas ondas no fundo mobilizam os sedimentos, e então as correntes fazem o transporte efetivo. Neste caso, o padrão de correntes ilus-trado na Figura 77 é indicativo das direções de transporte dos sedimentos.


Figura 76. Mapa de tensões de atrito no leito da Lagoa de Araruama, geradas pelas correntes ilustradas na Figura 77. Vento de NE.


Figura 77. Mapa das corren-tes geradoras das tensões apresentadas na Figura 76. Vento de NE.


10. Conclusões e recomendações Este trabalho de modelagem da Lagoa de Araruama foi realizado apenas com dados já existentes. A realização de campanhas de campo para levantamento de dados não se incluía no escopo contratado. Com os dados disponíveis, através da modelagem computacional realizada, foi pos-sível caracterizar-se os principais padrões de circulação hidrodinâmica na Lagoa sob diferentes cenários meteoceanográficos. Entretanto, a carência de dados inviabilizou uma análise mais aprofundada dos processos sedimentológicos em curso. Com os dados disponíveis pode-se avaliar a magnitude dos agentes hidrodinâmicos respon-sáveis pelos processos de erosão, transporte e sedimentação. Com o modelo hidrodinâmico implementado pode-se simular o efeito que a draga-gem de um canal com profundidade mínima de 3,0m teria nos padrões de circulação. E, com o sistema de modelos implementado, pode-se simular a contaminação por es-gotos em diferentes pontos da Lagoa, tanto na situação atual como na situação resul-tante da dragagem do canal. A caracterização dos padrões gerais de circulação na Lagoa permite análises futuras e um melhor entendimento da dinâmica do sistema. Em uma análise preliminar, para uma mesma condição de maré na embocadura e vazão de rios afluentes, os seguintes pontos merecem destaque no que concerne aos padrões de circulação: • Conforme se mostra no item 6.1, em situação de calmaria:

o Praticamente não há variação de nível de água no interior da Lagoa durante o ciclo da maré.

o A Lagoa permanece praticamente estagnada na sua maior parte. Nota-se cla-ramente que a ação das marés causa uma dinâmica significativa apenas na re-gião entre a embocadura do Canal de Itajurú e a península de São Pedro da Aldeia, como detalhado na Figura 14, Figura 17, Figura 20 e Figura 23.

• Conforme se mostra no item 6.2, sob ação de ventos usuais de NE:

o Em resposta à ação dos ventos de NE, ocorre o empilhamento de água com subida de nível nas porções SW da Lagoa e o conseqüente abaixamento de ní-vel nas porções NE. Tais desníveis podem chegar a mais de 0,2m. Vale ressal-tar que apesar das diferenças de níveis causadas pelo vento, praticamente não há variação de nível de água no centro da Lagoa decorrente da ação das ma-rés.

o Sob ação dos ventos de NE a Lagoa ganha significativa circulação hidrodinâ-mica, em forte contraste com a estagnação verificada na situação de calmaria. Verifica-se claramente que a circulação entre a extremidade Oeste da Lagoa e a península de São Pedro da Aldeia, é amplamente dominada pela ação dos ventos. Em contrapartida, indo da península de São Pedro da Aldeia para a embocadura do Canal de Itajurú, nota-se que a circulação vai tornando-se


crescentemente dominada pela ação das marés, como detalhado na Figura 28, Figura 31, Figura 34 e Figura 37. Especialmente a partir da Laguna das Palmei-ras, inclusive, nota-se que as diferenças de nível, e a magnitude e direção das correntes afetadas pelo vento de NE são pouco significantes em relação às cau-sadas pela ação das marés.

o Na circulação causada pelos ventos de NE na Lagoa de Araruama, ocorrem grandes vórtices girando no sentido horário nas porções Sul da Lagoa, e no sentido anti-horário nas porções Norte. É notável a constância dos padrões ge-rais de tais vórtices ao longo do ciclo de maré, indicando a plena dominância dos ventos na sua dinâmica.

• Conforme se mostra no item 6.3, sob ação de ventos de frente fria de SW:

o Ocorre significativa diferença de níveis entre as extremidades Leste e Oeste da Lagoa. Em resposta à ação dos ventos de SW nota-se o empilhamento de água e subida de nível nas porções NE da Lagoa e o conseqüente abaixamento de níveis nas porções SW. Apesar das diferenças de níveis causadas pelo vento, praticamente não há variação de nível de água no centro da Lagoa decorrente da ação das marés.

o Sob ação dos ventos de SW a Lagoa ganha significativa circulação hidrodinâ-mica, em forte contraste com a estagnação verificada na situação de calmaria. Como no caso dos ventos de NE, verifica-se claramente que a circulação entre a extremidade Oeste da Lagoa e a península de São Pedro da Aldeia, é am-plamente dominada pela ação dos ventos. Em contrapartida, indo da penínsu-la de São Pedro da Aldeia para a embocadura do Canal de Itajurú, nota-se que a circulação vai tornando-se crescentemente dominada pela ação das marés, como detalhado na Figura 40, Figura 43, Figura 46 e Figura 49. Especialmente a partir da Laguna das Palmeiras, inclusive, nota-se que as diferenças de nível, e a magnitude e direção das correntes afetadas pelo vento de SW são pouco significantes em relação às causadas pela ação das marés.

o Ao contrário do que ocorre com ventos de NE, na circulação causada pelos ventos de SW na Lagoa de Araruama, gera grandes vórtices girando no senti-do anti-horário nas porções Sul da Lagoa, e no sentido horário nas porções Norte. É notável a constância dos padrões gerais de tais vórtices ao longo do ciclo de maré, indicando a plena dominância dos ventos na sua dinâmica.

Concernente aos efeitos da dragagem, mantendo um canal com largura variável mas com profundidade mínima de 3,0 m entre a península de São Pedro da Aldeia e a embocadura do Canal de Itajurú, conforme se apresenta na seção 7, ressalta-se:

• Como se vê na Figura 51 e na Figura 52 o efeito da dragagem na variação dos níveis de maré no corpo principal da Lagoa seria muito pequeno.

• Entretanto, especialmente pelos resultados sintetizados na Figura 52, nota-se que os níveis no meio da Lagoa passariam a apresentar uma amplitude um pouco maior, e em compensação, verifica-se uma ligeira diminuição nas am-plitudes da Lagoa das Palmeiras. Isso ocorre porque, com a dragagem, um vo-lume de água consideravelmente maior passa a fluir da Laguna das Palmeiras


para o corpo principal da Lagoa. Como a área do espelho de água do corpo principal da Lagoa é muito grande, mesmo um pequeno incremento de ampli-tude de níveis representa um enorme volume de água, e por conseguinte de fluxos nas marés enchentes e vazantes.

Com respeito ao transporte de contaminantes, conforme se apresenta na seção 8, mostra-se que as plumas de colimetria ficam restritas às cercanias das fontes conta-minantes. Na região central da Lagoa, em função da constância dos padrões de circu-lação, ocorre uma constância na forma e extensão das plumas. Na região entre a pe-nínsula de São Pedro da Aldeia e a embocadura, nota-se que as plumas correm para um e outro lado, em resposta às correntes de enchente e vazante das marés. Quanto aos processos sedimentológicos, como indicado na seção 9, mostrou-se que as correntes geradas por ventos e marés só são suficientes para mobilizar e transpor-tar sedimentos no Canal de Itajurú. No corpo lagunar principal as correntes são mui-to baixas para mobilizar sedimentos, mas as ondas locais geradas por ventos geram tensões no fundo amplamente suficientes para mobilização de sedimentos. A sinergia entre ondas e correntes propicia os meios para uma elevada capacidade de transporte de sedimentos. As ondas mobilizam e ressuspendem e as correntes transportam. Finalmente, recomenda-se fortemente a realização de campanhas de campo de modo a se poder efetivamente calibrar e validar os modelos desenvolvidos e apresentados neste trabalho. Conforme dito no item 3.1, a potencialidade da utilização de modelos efetivamente se materializa quando estes estão calibrados. Modelos calibrados são ferramentas indispensáveis à gestão e ao gerenciamento de sistemas ambientais co-mo a Lagoa de Araruama, pois permitem integrar informações espacialmente disper-sas, estender o conhecimento para regiões nas quais não há medições, ajudar a inter-pretação de medições feitas em estações pontuais, prever situações simulando cená-rios futuros, etc.


Rio de Janeiro, 06 de Fevereiro de 2002

_________________________ Prof. Fernando L. B. Ribeiro

Coordenador do Projeto

_________________________ Prof. Rui Carlos Vieira da Silva

Coordenador do Projeto

_________________________ Prof. Mauricio Ehrlich

Coordenador Programa de Engenharia Civil

_________________________ Beatriz F. O. Telles

Diretora Executiva Fundação Coppetec

Modelagem da Lagoa de Araruama, RJPEC-1894 MODELAGEM DA L AGOA DE ARARUAMA 4 /99 COPPE / UFRJ Figura...

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