João Fernando Faria de Almeida
Modelação da hidrodinâmica e dinâmicasedimentar do estuário do rio Douro
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rio
Dou
ro
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
outubro de 2013
Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor José Luís da Silva Pinho
João Fernando Faria de Almeida
Modelação da hidrodinâmica e dinâmicasedimentar do estuário do rio Douro
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
i
Agradecimentos
Gostaria de deixar o meu apreço às diversas pessoas que de alguma maneira me
auxiliaram durante a realização desta dissertação, pela sua compreensão, dedicação e
disponibilidade, fundamentais para a concretização da mesma. A todos um especial
agradecimento.
Em primeiro lugar expressar um agradecimento especial ao Professor Doutor
José Luís Pinho, orientador da Dissertação, que demonstrou uma orientação atenta,
cuidada e sempre disponível, por toda a paciência demonstrada ao longo de todo o
período de elaboração desta dissertação e por toda a partilha de conhecimento e
conselhos prestados.
Um agradecimento ao Grupo de Hidráulica do Departamento de Engenharia
Civil da Universidade do Minho pela motivação ao longo do curso e pela forma
entusiasmante com que partilharam os conhecimentos e cativaram os alunos.
Aos meus Pais, que sempre se esforçaram e sacrificaram para que nada essencial
me faltasse, que sempre me compreenderam e incentivaram, pela sua paciência, pelo
seu grande carinho e conforto e por tudo que me ensinaram ao longo da vida o meu
muito obrigado.
A toda a minha família que sempre me acompanhou e auxiliou ao longo da
minha vida académica e pela motivação e concelhos dados.
Um especial agradecimento aos meus amigos, que ao longo destes anos
estiveram presentes para me motivar, pela sua amizade e disponibilidade pela
compreensão e apoio o meu muito obrigado.
iii
Resumo
Os estuários e a orla litoral estão sujeitos à influência de vários agentes
forçadores, como as marés, a agitação marítima e os ventos. Estes agentes são
responsáveis pela geração de correntes, fazendo das zonas costeiras sistemas altamente
dinâmicos. A maioria dos fundos em zonas costeiras é composta por sedimentos, com
predominância de areias junto à costa, e de siltes e argilas em estuários e lagunas. Este
material é frequentemente transportado pelas correntes, originando variações
morfológicas dos fundos. Em particular, podem ocorrer erosões e sedimentações
significativas em estuários, lagunas, praias, embocaduras e outras zonas costeiras, que
necessitam de ser quantificadas e, por vezes, alteradas por soluções de engenharia.
Na presente dissertação serão avaliados os processos hidrodinâmicos, padrões de
circulação tridimensionais em situações normais e de cheia, e a caracterização da
dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro, suportados por ferramentas de
modelação matemática. Este trabalho contempla a criação de um modelo tridimensional
do estuário do rio Douro no programa computacional Delft3D desenvolvido pela WL-
Delft Hydraulics, que simula diferentes condições de descarga da barragem de
Crestuma, amplitudes de maré, propriedades dos sedimentos e possíveis cenários de
rotura das estruturas de defesa da embocadura do estuário.
Conclui-se que a velocidade do escoamento no estuário do rio Douro depende
essencialmente do caudal descarregado e da amplitude de maré, e que os valores
máximos da velocidade de escoamento localizam-se na zona junto ao quebra-mar. Os
valores associados à dinâmica sedimentar estão inteiramente dependentes da velocidade
do escoamento e das características dos sedimentos, ocorrendo os valores mais elevados
de erosão e sedimentação onde se registam os valores máximos da velocidade de
escoamento na zona junto ao quebra-mar. Registou-se durante o período da vazante do
estuário uma maior concentração de sedimentos comparativamente com a enchente na
camada de fundo da embocadura do estuário, o que sugere que nem toda a quantidade
de sedimentos volta com a enchente da maré, uma grande parte é transportada em
direcção à embocadura. O colapso das estruturas de defesa originam velocidades de
escoamento, erosões/sedimentações e concentração de sedimentos menores
comparativamente com a situação actual no estuário alterando a localização onde ocorre
o seu valor máximo.
Palavras-chave: Hidrodinâmica, dinâmica sedimentar, modelação, erosão e sedimentação, concentração de sedimentos
v
Abstract
Coasts and estuaries are subjects to the influence of several various forces, as the
tides, the maritime agitation and the winds. These agents are responsible for the
generation of currents, making coastal areas highly dynamic systems. The majority of
the deep in coastal zones is composed by sediments, predominantly sands along the
shore, and silts and clays in estuaries and lagoons. This material is frequently
transported by the currents, causing morphological variations of the deep. Privately,
erosions can occur and significant sedimentations in estuaries, lagoons, beaches, inlets
and other coastal zones, that need to be quantified and, sometimes corrected by
engineering solutions.
In this dissertation will evaluate the hydrodynamic processes, three-dimensional
circulation patterns normal situations and flooding, and the characterization of sediment
dynamics in the estuary of the Douro river, supported by mathematical modeling tools.
This work includes the creation of a three-dimensional model of the estuary of the
Douro river in Delft3D computer program developed by WL-Delft Hydraulics, which
simulates different discharge conditions of Crestuma dam, tidal ranges, sediment
properties and possible failure scenarios of structures defense of the estuary.
It was concluded that the flow velocity in the estuary of the Douro river depends
of the torrent discharged of the torrent discharged and tidal range, and that the
maximum values of the flow velocity are located in the area along the breakwater. The
values associated with the sediment dynamics are entirely dependent on the flow speed
and characteristics of sediments, occurring values higher erosion and sedimentation
where there are maximum values of the flow velocity in the zone close to the
breakwater. Was recorded during the ebb a higher concentration of sediment
comparatively with the flooding, suggesting that not all the amount of sediment returns
with the flood tide, a large part is transported towards the river mouth. The collapse of
the defense structures originates lower speeds runoff, erosion / sedimentation and
sediment concentration comparatively with the present situation in the estuary, changing
the location where the maximum value occurs.
Keywords: Hydrodynamics, sediment dynamics, modelling, erosion and
sedimentation
vii
Índice
Agradecimentos ........................................................................................................... i
Resumo ....................................................................................................................... iii
Abstract ....................................................................................................................... v
Índice de figuras ........................................................................................................ xi
Índice de tabelas ..................................................................................................... xvii
Acrónimos ................................................................................................................ xix
1. Introdução ........................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento............................................................................................................. 1
1.2 Objectivos do trabalho .................................................................................................. 3
1.3 Estrutura da dissertação ............................................................................................... 3
2. Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos e
costeiros ....................................................................................................................... 5
2.1 Hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros ................ 5
2.1.1 Marés..................................................................................................................... 5
2.1.2 Vento ..................................................................................................................... 6
2.1.3 Efeito de Coriollis .................................................................................................. 7
2.1.4 Correntes termohalinas e estratificação ............................................................... 7
2.1.5 Ondas .................................................................................................................... 8
2.1.6 Transporte sedimentar .......................................................................................... 8
2.2 Formulação matemática dos modelos hidrodinâmicos .............................................. 10
2.2.1 Equações de Navier-Stokes ................................................................................. 10
2.2.2 Equações de Reynolds ......................................................................................... 11
2.2.3 Dinâmica sedimentar e evolução do nível de talvegue....................................... 12
2.3 Programas de modelação ............................................................................................ 15
2.3.1 Delft3D ................................................................................................................ 15
2.3.2 TELEMAC ............................................................................................................. 17
Índice
viii
2.3.3 RMA2 ................................................................................................................... 20
2.3.4 SED2D .................................................................................................................. 21
2.3.5 MIKE3 .................................................................................................................. 22
3. Modelo do estuário do rio Douro .................................................................. 25
3.1 Bacia hidrográfica e estuário do rio Douro ................................................................. 25
3.2 Modelo tridimensional do estuário do rio Douro ....................................................... 28
3.2.1 Batimetria do modelo do estuário do rio Douro ................................................. 32
3.3 Condições de Fronteira ............................................................................................... 33
3.4 Calibração do modelo do estuário do rio Douro ......................................................... 36
4. Análise e discussão dos resultados ................................................................ 41
4.1 Aspetos gerais ............................................................................................................. 41
4.2 Cenários de modelação ............................................................................................... 42
4.3 Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro ................................................... 45
4.3.1 Elevação da superfície livre ................................................................................. 45
4.3.2 Velocidade das correntes .................................................................................... 50
4.4 Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro ........................................ 59
4.4.1 Acção do caudal fluvial ........................................................................................ 59
4.4.2 Acção da maré ..................................................................................................... 72
4.4.3 Influência da dimensão dos sedimentos ............................................................. 78
4.4.4 Influência da massa volúmica dos sedimentos ................................................... 87
4.5 Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura ....................... 91
4.5.1 Análise Hidrodinâmica......................................................................................... 91
4.5.2 Análise à dinâmica sedimentar ........................................................................... 95
5. Conclusões e sugestões para trabalhos futuros ........................................... 99
5.1 Conclusões................................................................................................................... 99
5.2 Sugestões para trabalhos futuros ............................................................................. 104
Bibliografia ............................................................................................................. 106
Anexo ....................................................................................................................... 111
A. Influência da massa volúmica dos sedimentos na análise da dinâmica sedimentar 111
Índice
ix
B. Análise ao caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura ..................... 115
xi
Índice de figuras
Figura 1 - Atracção exercida pela Lua, e pelo Sol (APRH, 2007) ................................... 5
Figura 2 - Efeito da aceleração de Coriollis (Gomes, 2004) ............................................ 7
Figura 3 - Arquitectura do sistema Delft3D (Delft3D-FLOW, 2011) ............................ 15
Figura 4 - Ilustração de uma malha 3D (Mensencal, 2010) ........................................... 18
Figura 5 - Tipos de elementos para a discretização espacial (Donnell, 2011) ............... 20
Figura 6 - Estrutura do sistema de modelação MIKE 3 adaptado de (Danish Hydraulic Institute, 2001) ................................................................................................................ 23
Figura 7 - Bacia hidrográfica do Douro.......................................................................... 26
Figura 8 - Estuário do rio Douro (Google Earth, 2013) ................................................. 27
Figura 9 - Evolução ao longo do tempo da restinga (Google Earth, 2013) .................... 28
Figura 10 - Representação das fronteiras terrestres do estuário no programa Google Earth (esquerda) e Global Mapper (direita) ................................................................... 29
Figura 11 - Princípio da técnica domain decomposition (Delft3D-FLOW, 2011) ......... 29
Figura 12 - Representação dos múltiplos domínios do estuário (esquerda) e do domínio da restinga (direita) ......................................................................................................... 30
Figura 13 - Principio do modelo NESTHG (Delft3D-FLOW, 2011)............................. 31
Figura 14 - Representação do modelo global do estuário (esquerda) e do modelo local da restinga (direita) ......................................................................................................... 31
Figura 15 - Representação da grelha utilizando um refinamento local na restinga ........ 32
Figura 16 - Representação da batimetria do modelo do estuário ................................... 33
Figura 17 - Fronteiras abertas no modelo ....................................................................... 34
Figura 18 - Descargas da barragem de Crestuma no período de 01-01-1986 a 03-07-2013 (SNIRH, 2013) ...................................................................................................... 34
Figura 19 - Localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre. ............................................................................................................... 36
Figura 20 - Curvas de elevação de superfície para maré viva ........................................ 37
Figura 21 - Curvas de elevação de superfície para maré morta...................................... 37
Figura 22 - Curvas de elevação de superfície para o valor intermédio da maré............. 38
Figura 23 - Representação esquemática dos vórtices induzidos pelo jacto de saída ...... 38
Figura 24 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do coeficiente de rugosidade de Manning .......................................................... 39
Figura 25 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do modelo de turbulência tridimensional ........................................................... 40
Figura 26 - Planta do modelo com a localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre. .......................................................................... 45
Figura 27 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 200 m³/s. ......................................................................................................................... 45
Figura 28 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 450 m³/s. ......................................................................................................................... 46
Índice de figuras
xii
Figura 29 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 700 m³/s. ......................................................................................................................... 46
Figura 30 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 10 000 m³/s. ......................................................................................................................... 46
Figura 31 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré viva ........................................................................... 48
Figura 32 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré morta ......................................................................... 49
Figura 33 - Representação da velocidade superficial máxima (superior) e dos vectores velocidade (inferior) para o cenário 8............................................................................. 51
Figura 34 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 7 (Q200), 8 (Q450), 9 (Q700) e 10 (Q10000). .................................................................. 52
Figura 35 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 11 (Q200), 12 (Q450), 13 (Q700) e 14 (Q10000). .............................................................. 53
Figura 36 - Número de Froude no estuário do rio Douro para o cenário 10 (Q10000). . 54
Figura 37 - Velocidade superficial para o caudal de 200 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. ............................................................................................ 55
Figura 38 - Velocidade superficial para o caudal de 450 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. ............................................................................................ 55
Figura 39 - Velocidade superficial para o caudal de 700 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. ............................................................................................ 56
Figura 40 - Velocidade superficial para o caudal de 10000 m³/s com maré morta e maré viva na entrada do estuário. ............................................................................................ 56
Figura 41 - Localização das estações de observação para o estudo dos perfis verticais de velocidade ....................................................................................................................... 57
Figura 42 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré viva ................................................................. 57
Figura 43 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e 10000 m³/s (direita) em maré viva ............................................................. 58
Figura 44 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e 450 m³/s (direita) em maré morta .............................................................. 58
Figura 45 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e 10000 m³/s (direita) em maré morta .......................................................... 58
Figura 46 - Valor de erosão e sedimentação em planta (superior) e em perfil longitudinal (inferior) do estuário para o cenário 15 .......................................................................... 59
Figura 47 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 16 ............................................................................. 60
Figura 48 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 17 ............................................................................. 60
Figura 49 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para o cenário 18 ............................................................................. 61
Figura 50 - Nível do leito inicial e final para o cenário 18 em relação ao zero hidrográfico .................................................................................................................... 63
Índice de figuras
xiii
Figura 51 - Localização das estações de observação para o estudo da dinâmica sedimentar no estuário .................................................................................................... 63
Figura 52 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 15 (esquerda) e para o cenário 16 (direita) ........................... 64
Figura 53 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 17 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) ........................... 64
Figura 54 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 65
Figura 55 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 2 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 66
Figura 56 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 66
Figura 57 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 4 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 66
Figura 58 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 67
Figura 59 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 6 relativos a cada caudal fluvial .................................................................................................................. 67
Figura 60 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro ao longo de 10 anos ................................................................................................................................. 69
Figura 61 - Nível futuro do fundo em relação ao zero hidrográfico............................... 70
Figura 62 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do caudal fluvial ......................................... 71
Figura 63 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de maré e valor ao fim de 10 anos ......................................................................... 72
Figura 64 - Valor da amplitude de maré tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 26 (esquerda) e para o cenário 27 (direita) ........................... 73
Figura 65 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada tipo de maré ...................................... 74
Figura 66 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada tipo de maré ...................................... 74
Figura 67 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada tipo de maré ...................................... 75
Figura 68 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função do tipo de maré........................................... 76
Figura 69 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de D50 e valor ao fim de 10 anos .......................................................................... 79
Figura 70 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos ........ 80
Figura 71 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos ........ 80
Figura 72 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos ........ 81
Índice de figuras
xiv
Figura 73 - Comparação entre erosão/sedimentação (direita) e concentração de sedimentos (esquerda) .................................................................................................... 82
Figura 74 - Valor da concentração de sedimentos tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário para o cenário 28 (esquerda) e para o cenário 18 (direita) ............... 82
Figura 75 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da dimensão dos sedimentos ...................... 84
Figura 76 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 28 ............................................................................................... 85
Figura 77 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 28 ............................................................................................... 85
Figura 78 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 29 ............................................................................................... 86
Figura 79 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 29 ............................................................................................... 86
Figura 80 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 30 ............................................................................................... 86
Figura 81 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 30 ............................................................................................... 86
Figura 82 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para as várias massas volúmicas dos sedimentos e valor ao fim de 10 anos ........................................ 88
Figura 83 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 31 ............................................................................................... 89
Figura 84 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 31 ............................................................................................... 89
Figura 85 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 32 ............................................................................................... 89
Figura 86 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 32 ............................................................................................... 89
Figura 87 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 33 ............................................................................................... 90
Figura 88 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o cenário 33 ............................................................................................... 90
Figura 89 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 34 e 16 91
Figura 90 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 35 e 18 91
Figura 91 - Nível de água em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de ruptura (esquerda) e sem ruptura (direita) das estruturas de defesa ............................................ 93
Figura 92 - Velocidade superficial em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário para um caudal fluvial de 450 m³/s (cenário 34) .............................................. 94
Figura 93 - Valor da erosão e sedimentação no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa e ao fim de 10 anos .............................................. 95
Figura 94 - Concentração máxima de sedimentos no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa............................................................................ 96
Índice de figuras
xv
Figura 95 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de observação 2 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos ..... 112
Figura 96 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de observação 4 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos ..... 112
Figura 97 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de observação 6 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos ..... 112
Figura 98 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal (direita) no estuário em função da massa volúmica dos sedimentos ......... 114
Figura 99 - Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de 450 m³/s sem ruptura e com ruptura das estruturas de defesa ............................................................ 116
Figura 100 - Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de 10000 m³/s sem ruptura e com ruptura das estruturas de defesa ..................................................... 116
Figura 101 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 450 m³/s (esquerda) e 10000 m³/s (direita) relativo aos cenários 34 e 35 ................................... 117
xvii
Índice de tabelas
Tabela 1 - Descrição dos módulos da estrutura do sistema ............................................ 19
Tabela 2 - Componentes astronómicas da maré ............................................................. 35
Tabela 3 - Concentrações de sedimentos consideradas .................................................. 35
Tabela 4 - Cenários considerados para modelação ......................................................... 43
Tabela 5 - Valores de amplitude para os diferentes cenários ......................................... 47
Tabela 6 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 1, 2 e 3 .... 78
Tabela 7 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 4, 5 e 6 .... 78
xix
Acrónimos
3D - Espaço tridimensional
2D - Espaço bidimensional
M2 - Constituinte lunar semidiurna
S2 - Constituinte solar semidiurna
K2 - Constituinte lunissolar semidiurna
FLOW - Modulo Hidrodinâmico do Delft3D
MOR - Modulo Morfodinâmico do Delft3D
LNHE - Laboratoire National d`Hydraulique et Environnement
EDF - Electricité de France
IAHR - International Association for Hydro-Environment Engineering and Reseacher
SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos
SMS - Surface-Water Modeling System
UTM - Universal Transverse Mercator Coordinate System
INAG - Instituto Nacional da Água
PA - Localização da Ponte da Arrábida
PI - Localização da Ponte do Infante
PF - Localização da Ponte do Freixo
SM - Localização da ermida de São Miguel-o-Anjo
EE - Localização da Foz do estuário
Fr - Número de Froude
En - Estação de Observação número n
D50 - Diâmetro médio dos sedimentos
1
1
1. Introdução
1.1 Enquadramento
Desde sempre as regiões litorais apresentam uma importância relevante para a
vida humana, por constituírem regiões onde estão presentes algumas das grandes
cidades mundiais e onde se produzem e exploram a maior parte dos recursos marinhos
utilizados pelo homem.
A maximização dos benefícios e a consequente minimização dos impactos
negativos decorrentes da acção antropogénica na utilização dos recursos hídricos é um
dos principais objectivos de um recente domínio científico: a hidroinformática. Este
domínio explora a interacção entre a modelação matemática e as tecnologias de
informação e comunicação, no sentido de proporcionar a sua aplicação na resolução de
problemas relacionados com os sistemas hídricos, contribuindo assim para o
desenvolvimento sustentado das sociedades contemporâneas (Pinho, 2000).
Os estuários e a orla litoral estão sujeitos à influência de vários agentes
forçadores, como as marés, a agitação marítima, os ventos, entre outros. Estes agentes
são responsáveis pela geração de correntes, fazendo das zonas costeiras sistemas
altamente dinâmicos.
A caracterização da hidrodinâmica constitui o primeiro passo em muitos estudos
sobre zonas costeiras, dado que as correntes determinam o movimento dos sedimentos e
das substâncias dissolvidas. As principais aplicações, que advêm do seu estudo são, a
previsão de correntes e marés, a análise da intrusão salina em estuários, o cálculo de
tempos de residência, a propagação e rebentação das ondas, e a previsão de
sobrelevações e de correntes litorais devidas as ondas.
A maioria dos fundos em zonas costeiras é composta por sedimentos, com
predominância de areias junto à costa, e de siltes e argilas em estuários e lagunas. Este
Capítulo - 1
2
material é frequentemente transportado pelas correntes e pelas ondas, originando
variações morfológicas dos fundos. Em particular, podem ocorrer erosões e
sedimentações significativas em estuários, lagunas, praias, embocaduras e outras zonas
costeiras, que necessitam de ser quantificadas e, por vezes, corrigidas por soluções de
engenharia.
A capacidade de previsão da dinâmica sedimentar e das variações morfológicas
é, assim, um elemento fundamental para uma gestão adequada das zonas costeiras. As
principais aplicações, que advêm do seu estudo são, a quantificação de taxas de erosão e
deposição em estuários e bacias portuárias, previsão da evolução da linha de costa,
alimentação artificial de praias, estudo de obras de protecção costeira, regularização de
embocaduras lagunares, e a definição de dragagens e de planos de imersão de dragados
(Fortunato, 2011).
O tema proposto para a presente dissertação é a modelação da hidrodinâmica e
dinâmica sedimentar de um sistema estuarino e costeiro, uma vez que a nível de
hidrodinâmica estas zonas apresentam uma grande diversidade de variáveis, a nível de
marés, ventos, agitação marítima, características das águas oceânicas e fluviais, entre
muitas outras que por sua vez irão influenciar a dinâmica sedimentar nestas mesmas
zonas. Com a modelação 3D, poderemos estudar em pormenor as variáveis mais
importantes para a caracterização deste sistema complexo.
A construção de um modelo hidráulico de um sistema estuarino tem como
objetivo a caracterização de padrões de circulação 3D em situações normais ou de cheia,
e o estudo da dinâmica sedimentar contempla a caracterização de processos de
erosão/sedimentação. O modelo hidráulico a construir utiliza o software de modelação
Delft3D.
Para a caracterização de padrões de circulação 3D, objeto de estudo desta
dissertação, os modelos tridimensionais são os indicados pelo facto de se tratar de
modelos de elevada complexidade física e numérica quer devido ao grande número de
processos físicos que permitem simular quer pela diversidade de métodos e opções
numéricas implementadas. O modelo poderia ser realizado com outro software de
modelação, mas para a escolha deste software pesou o facto de o software ser gratuito, e
comparativamente a outros programas de cálculo ter as mesmas características de
aplicação.
Introdução
3
1.2 Objectivos do trabalho
Esta dissertação teve como objectivo principal a construção de um modelo
hidrodinâmico tridimensional implementado com o auxílio do programa Delft3D que
permita simular e caracterizar padrões de circulação em 3D em situações normais ou de
cheia, e padrões de erosão e deposição para o estuário do rio Douro.
1.3 Estrutura da dissertação
A presente dissertação está organizada em cinco capítulos.
Neste primeiro capítulo é feita uma introdução ao tema que será abordado nesta
dissertação, e são apresentadas as motivações e objectivos do trabalho e ainda a
organização do documento escrito.
No segundo capítulo apresentam-se os principais fenómenos relativos aos
processos físicos, da hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos.
Contém a formulação matemática utilizada para águas superficiais e de dinâmica
sedimentar. Contém ainda a descrição do estudo de soluções de software para resolução
das equações dos escoamentos com superfície livre em sistemas tridimensionais e de
transporte sedimentar mais utilizados a nível mundial.
No capítulo três, apresenta-se a metodologia utilizada para o desenvolvimento
desta dissertação onde se descreve pormenorizadamente todos os passos que foram
efectuados para atingir os objectivos propostos. Apresenta-se uma descrição da bacia
hidrográfica e do estuário do rio Douro, e descreve-se os valores do caudal, amplitude
de maré e concentração de sedimentos característicos do estuário. Apresenta-se ainda o
modelo tridimensional do estuário do rio Douro que será aplicado no estudo
hidrodinâmico e de dinâmica sedimentar, e os processos de calibração utilizados.
No quarto capítulo apresenta-se os resultados obtidos neste trabalho,
designadamente os padrões de circulação tridimensionais em situações normais ou de
cheia, as características do escoamento fluvial, e padrões de erosão e deposição para o
estuário do rio Douro em função do tipo de maré, do escoamento fluvial, o tipo de
sedimentos presentes no sistema estuarino e a possibilidade de colapso das estruturas de
defesa na embocadura do estuário.
No quinto capítulo, são apresentadas as principais conclusões retiradas deste
estudo e ainda sugestões para trabalhos futuros.
5
2
2. Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos e costeiros
2.1 Hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros
Seguidamente apresentam-se os principais fenómenos relativos aos processos
físicos, que se apresentam variáveis no tempo e no espaço, influenciando a
hidrodinâmica e dinâmica sedimentar em sistemas estuarinos e costeiros.
2.1.1 Marés
As marés são movimentos oscilatórios das águas marinhas relativamente ao
referencial da altitude, determinados por forças induzidas pela variação das posições
relativas de todos os astros principalmente do sistema solar com a terra. Devido à sua
proximidade em relação à Terra, e à sua massa volúmica os astros com maior influência
são a Lua e o Sol, podendo, habitualmente, desprezar-se a acção gravítica dos restantes
astros. As marés resultam fundamentalmente da acção das forças astronómicas devidas
à atracção gravitacional entre a Terra e a Lua e, de forma menos intensa, entre a Terra e
o Sol devido à sua proximidade em relação à Terra, sendo apresentado um esquema
simplificado da deformação da superfície terrestre provocada pela acção da Lua e do
Sol na figura 1.
Figura 1 - Atracção exercida pela Lua, e pelo Sol (APRH, 2007)
Capítulo - 2
6
De modo geral, acontece a preia-mar (maré cheia) quando a Lua passa por cima
de um determinado local e quando a Lua passa por baixo desse mesmo local, ou seja,
por cima de dois pontos diametralmente opostos.
As preia-mares sucedem-se, regularmente, com um intervalo médio de meio-dia
lunar (aproximadamente 12h 25m) o que corresponde matematicamente à constituinte
lunar semidiurna (M2). O intervalo de tempo entre uma preia-mar e a baixa-mar
seguinte é, em média, 6h 13m. Observa-se que, o mar não reage instantaneamente à
passagem da Lua, havendo, para cada local, um atraso maior ou menor das preia-mares
e baixa-mares.
Um outro aspeto importante é o fenómeno quinzenal da alternância entre marés
vivas e marés mortas, este fenómeno, matematicamente explicado pela constituinte S2
(solar semidiurna), decorre do efeito do sol como elemento "perturbador". Com efeito,
quando o Sol e a Lua estão em oposição (Lua cheia) ou conjunção (Lua nova), a
influência do Sol reforça a da Lua e ocorrem as marés vivas (matematicamente as
constituintes somam-se), e quando o Sol e a Lua estão em quadratura (Quarto crescente
e Quarto minguante), a influência do Sol contraria a influência da Lua e ocorrem as
marés mortas (matematicamente as constituintes subtraem-se).
De modo geral, as amplitudes de marés vivas em Portugal Continental são cerca
de 1,5 m, ou seja, o mar sobe e desce 1,5 m em relação ao nível médio. Em marés
mortas, a amplitude da maré é da ordem dos 70 cm.
A amplitude das marés vivas é ainda maior por ocasião dos equinócios (marés
vivas equinociais). Tal facto é matematicamente explicado pela introdução de uma
terceira constituinte (K2) que, perto dos equinócios, reforça o efeito do Sol (Instituto
hidrográfico, 2013).
2.1.2 Vento
As correntes resultantes da acção do vento são provocadas pela tensão que é
exercida na superfície da água devido à deslocação de massas de ar provocada pelos
gradientes de pressão e temperatura do ar, através da acção do sol. A acção do vento
sobre a superfície da água provoca um regime de ondulação superficial (Gomes, 2004).
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
7
2.1.3 Efeito de Coriollis
O efeito de Coriollis que provoca deformação das correntes nos escoamentos
resulta da aceleração de grandes massas de fluidos devido ao movimento de rotação da
Terra. A aceleração resultante é tanto maior quanto menor for o raio da circunferência
formada por um plano perpendicular ao eixo de rotação da Terra, provocando um efeito
global de circulação no sentido horário no hemisfério Norte e anti-horário no hemisfério
Sul (Gomes, 2004).
Figura 2 - Efeito da aceleração de Coriollis (Gomes, 2004)
2.1.4 Correntes termohalinas e estratificação
As correntes termohalinas resultam do gradiente de massa volúmica nos
oceanos, que é dependente da salinidade, da temperatura e da pressão a que as massas
de água estão sujeitas, apresentando variações resultantes de processos que ocorrem nas
camadas superficiais, e que derivam de interacções da água com o ar, tais como o
aquecimento provocado pelo sol, evaporação e diluição devida à ocorrência de
precipitação. Estas correntes provocam movimentos de ascensão das massas de água
menos densas e na descida de massas de água mais densas. A salinidade de uma massa
de água é definida como a quantidade total de sais dissolvidos na água, sendo o sal
preponderante o cloreto de sódio. A salinidade varia com a bacia oceânica, sendo que
em bacias fechadas, onde os efeitos da evaporação se fazem sentir com maior
intensidade os valores de salinidade apresentam-se mais elevados.
A estratificação térmica ocorre devido à variação de temperatura na água
verticalmente. Devido à acção do vento a camada superficial apresenta-se como uma
zona de mistura, podendo atingir algumas dezenas de metros de profundidade, é
Capítulo - 2
8
caracterizada por ser uma zona isotérmica, sendo seguida por uma zona de variação
rápida da temperatura designada de termoclina. Em profundidades elevadas, a variação
de temperatura é muito lenta, considerando-se uma zona quase isotérmica (Gomes,
2004).
2.1.5 Ondas
A formação do movimento ondulatório é efectuada ao longo de interfaces entre
fluidos de densidades distintas. Nas ondas de superfície os fluidos presentes são a água
e o ar. No limite comum entre camadas com densidades diferentes, como por exemplo
ao longo da termoclina num oceano formado por duas camadas de diferentes massas
volúmicas poderá ocorrer a formação de ondas internas. Os períodos associados às
ondas internas são normalmente muito mais longos do que os correspondentes às ondas
na superfície (Pinho, 2000).
2.1.6 Transporte sedimentar
O transporte de sedimentos nos estuários é bastante diferente em relação ao que
se passa nos rios e oceanos. Nestes ambientes naturais, a descarga fluvial encontra a
maré, e a corrente desta assume um papel gerador de turbulência. A partir deste
momento existe apenas um pequeno período de tempo entre a subida e a descida da
maré cuja turbulência é mínima. Neste intervalo de tempo, os sedimentos mais pesados
depositam-se no leito do estuário. À medida que a corrente volta novamente a aumentar,
as partículas elevam-se para a coluna de água, mas ao contrário da água doce que
continua a escoar-se ao longo do estuário na camada superior, as partículas estão agora
na camada mais baixa da circulação estuarina, onde o movimento médio da água é a do
oceano em direcção a montante. Deste modo uma parte dos sedimentos nunca chega a
alcançar o mar e acumula-se no estuário numa região situada perto de onde o rio entra
no estuário, ou seja, onde a circulação muda de apenas uma camada para duas
(Tomczak, 2000).
Os sedimentos permanecem em suspensão devido à turbulência, mas a sua
concentração na coluna de água varia fortemente com a maré. Durante a vazante existe
uma maior concentração de sedimentos relativamente à enchente, o que sugere que nem
toda a quantidade de sedimentos volta com a enchente da maré, uma pequena parte
parece capaz de avançar em direcção à embocadura (Tomczak, 2000).
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
9
Com a mudança da amplitude de maré existirá também uma variação de
sedimentos em suspensão. As correntes da maré diminuem a sua intensidade durante o
período de marés mortas o que permite que uma grande parte de sedimentos se deposite
no fundo do estuário. À medida que a amplitude da maré cresce, maior quantidade de
sedimentos entra em suspensão, porém é necessário uma maior velocidade para colocar
os sedimentos do fundo em suspensão do que apenas mantê-los em suspensão, portanto
o aumento de concentração de sedimentos de uma maré para a outra é lenta. Quando se
atingem as marés vivas e a amplitude de maré começa a diminuir, uma grande
quantidade de sedimentos continua quase permanentemente suspensa, e a sua
concentração diminui lentamente. Como resultado, a concentração de sedimentos é
maior, para a mesma amplitude de maré, durante o período de marés vivas para as
marés mortas do que o processo inverso de marés mortas para as marés vivas (Tomczak,
2000).
A acumulação de grande quantidade de sedimentos nos estuários, pode criar
problemas na navegação, pelo que, para evitar esse problema são necessárias operações
contínuas de dragagens (Tomczak, 2000).
O caudal fluvial escoado apresenta uma grande influência na quantidade de
sedimentos que permanecem em suspensão. Um dos efeitos causados devido à variação
da descarga fluvial consiste na subida e descida da zona de acumulação de sedimentos,
designada por região de turbidez, que responde ao aumento e à diminuição do
escoamento fluvial. A descarga fluvial é um factor chave para os sedimentos saírem do
estuário para o oceano. Uma grande descarga fluvial empurra a região de turbidez para
jusante, e com a elevada turbulência associada ao escoamento médio, mantém os
sedimentos em suspensão por mais tempo, o qual permite que estes se propaguem pela
região de turbidez sem serem fixos. No entanto as cheias não são sempre benignas e
podem causar destruição em áreas baixas, devido à descarga de grandes quantidades de
água em tempo reduzido (Tomczak, 2000).
As cheias podem também ter efeitos contrários, que consistem no aumento da
sedimentação no estuário. A água doce transportando lodo escoa para o estuário e acaba
por se depositar na camada inferior da água salgada (Swales, et al., 2003).
A floculação é outro fenómeno que afecta o sistema sedimentar, consiste num
processo em que as partículas minúsculas se juntam, tornando-se num corpo mais
pesado que acaba por se depositar no fundo. Na água doce, essa partícula mantém-se em
Capítulo - 2
10
suspensão devido ao seu movimento molecular e são portadoras de cargas negativas
pelo que existe uma tendência para se repelirem umas às outras. Por sua vez, nos
estuários, onde a água doce se mistura com a água salgada ionicamente carregada, as
cargas negativas são neutralizadas e as partículas atraem-se. À medida que colidem,
tendem a fundir-se ou a unir-se formando agregados maiores ou aglomerados de
sedimentos chamados flocos. Este processo depende dos níveis de salinidade,
consequentemente podem sofrer alterações ao longo do estuário. Pode ainda variar de
maré para maré e de estação para estação, ou de acordo com a quantidade de
escoamento (Tomczak, 2000).
As marés e as ondas também contribuem com sedimentos para o estuário,
geralmente mais grossos, provenientes dos oceanos. Cria-se assim um gradiente de
sedimentos, desde a embocadura até ao início do estuário, com uma variação de
sedimentos grosseiros para finos (Oberrecht, 2004).
2.2 Formulação matemática dos modelos hidrodinâmicos
2.2.1 Equações de Navier-Stokes
As equações de Navier – Stokes representam o movimento de um volume
elementar de fluido incompressível e isotérmico, quando expresso em termos de valores
instantâneos das componentes das velocidades u, v e w e da pressão p. Estas são
representados pelas equações apresentadas em seguida (Pinho, 2000).
� ����� + � ��
�� + ��� + � ��
�� = ��� − ���� + � ����
��� + ����� + ���
��� [1]
� ����� + � ��
�� + ��� + � ��
�� = �� − ��� + � ����
��� + ����� + ���
��� [2]
� ����� + � ��
�� + ��� + � ��
�� = ��� − ���� + � ����
��� + ����� + ���
��� [3]
Onde,
��, � e �� são as componentes das forças de volume por unidade de massa [Nkg-1];
� é a pressão [Pa];
� é o coeficiente de viscosidade dinâmico [kg m-1 s-1].
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
11
2.2.2 Equações de Reynolds
As equações de Reynolds são obtidas a partir das equações de Navier-Stokes
substituindo-se o valor instantâneo da velocidade pela soma de um valor médio
temporal com uma flutuação aleatória, estas equações caracterizam o movimento médio
(média temporal) de uma partícula de fluido.
� ������ + � �(����)
�� + �(����)� + � �(���� )
�� = ��� − ����� + � �����
��� + ������ + ����
��� −�� � �
�� �´�´ + �� �´´ + �
�� �´�´ [4]
� ������ + � �(����)
�� + �(����)� + � �(���� )
�� = �� − ���� + � �����
��� + ������ + ����
��� −�� � �
�� ´�´ + �� ´´ + �
�� ´�´ [5]
� ������ + � �(�� ��)
�� + �(�� ��)� + � �(�� �� )
�� = ��� − ����� + � �����
��� + ������ + ����
��� −�� � �
�� �´�´ + �� �´´ + �
�� �´�´ [6]
Onde,
�� , � e �� são médias temporais das componentes da velocidade [m
s-1];
�̂ é a média temporal da pressão [Pa];
�´, ´ e �´ são flutuações das componentes da velocidade [m s-1].
As equações de Reynolds na forma tridimensional e a equação da continuidade
estabelecidas em termos de valores médios de �� , �, e �� , são o ponto de partida para o
estudo de escoamentos reais. Em domínios como as zonas costeiras, estas equações
deverão sofrer as adaptações necessárias para a consideração das particularidades que
lhes são inerentes: fundos pouco profundos predominantes e consideração de outras
forças aplicadas, como sejam, forças de Coriollis devidas à rotação da Terra, variações
da pressão atmosférica, atrito na superfície devido ao vento e a influência de gradientes
de massa volúmica provocados pela presença de substâncias tais como sal e poluentes
(Pinho, 2000).
Capítulo - 2
12
2.2.3 Dinâmica sedimentar e evolução do nível de talvegue
Para o transporte de sedimentos não coesivos, a abordagem de Van Rijn
representou um avanço significativo nas estimativas de transporte sólido e resistência ao
escoamento, devido ao rigor teórico e à qualidade apresentada nas suas análises. Além
de considerar o transporte sólido separado em transporte de fundo e suspensão, Van
Rijn procurou estudar e definir os critérios para identificar o início do transporte em
suspensão. (Rijn, 2003)
Na formulação Van Rijn distingue entre o transporte de fundo e transporte em
suspensão, tendo ambas uma contribuição relativa a correntes e ondas.
!" = !",# + !",� [7]
!$ = !$,# + !$,� [8]
Onde !" representa o transporte em suspensão, e !$ o transporte de fundo, !",# e
!",� representa respectivamente a contribuição relativa a correntes e ondas no transporte
em suspensão, !$,# e !$,� representam respectivamente a contribuição relativa a
correntes e ondas no transporte de fundo.
Os gradientes de transporte na direcção x e y são utilizados na equação de
conservação de sedimentos, equação 9, para determinar as variações do nível do fundo.
��%�� + �(&%,'(&),')
�� + �(&%,*(&),*)� = 0 [9]
Sendo:
!$,� = !$,#,� + !$,�,� , transporte de carga de fundo na direcção x
!$, = !$,#, + !$,�, , transporte de carga de fundo na direcção y
!",� = !",#,� + !",�,� , transporte de carga em suspensão na direcção x
!", = !",#, + !",�, , transporte de carga em suspensão na direcção y
O transporte tridimensional de sedimentos em suspensão pode ser calculado
resolvendo a equação tridimensional de advecção-difusão (balanço de massa) para
sedimentos em suspensão.
�#(ℓ)
�� + ��#(ℓ)
�� + ��#(ℓ)
� + ���-�)(ℓ) #(ℓ)
�� − ��� �.",�
(ℓ) �#(ℓ)
�� − �� �.",
(ℓ) �#(ℓ)
� −�
�� �.",�(ℓ) �#(ℓ)
�� = 0 [10]
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
13
Onde,
/(ℓ) concentração de massa da fracção de sedimentos
(ℓ) [kg/m3];
�, e � componentes da velocidade [m/s];
.",�(ℓ), .",
(ℓ) e .",�(ℓ) coeficientes de difusão da fracção de sedimentos
(ℓ) [m2/s];
�"(ℓ) velocidade de sedimentação da fracção de
sedimentos (ℓ) [m/s].
O transporte em suspensão relativo a corrente na direcção x e direcção y é obtido
pela equação 11 e 12.
!",#,� = 0 ��/ − .",��#�� 123
4 [11]
!",#, = 0 �/ − .",�#� 123
4 [12]
O transporte sólido de fundo calculado para todas as fracções de sedimentos pelo
método de Van Rijn, é obtido pela equação 13.
|!$| = 0,0067�"�"189(ℓ):9.8:<9.= [13]
onde,
!$ transporte solido no fundo [kg/m3];
7 disponibilidade relativa da fracção do sedimento na camada de
mistura;
: mobilidade dos sedimentos devido a ondas e correntes;
:< mobilidade excedente dos sedimentos.
: = �>??�
("-�)@ABC [14]
Capítulo - 2
14
:< = (�>??-�DE)�
("-�)@ABC [15]
<FF = GHI + JKLI [16]
Onde,
#M velocidade crítica para o início do movimento (com base numa
parametrização da curva Shields) [m/s];
H módulo da velocidade média segundo a direcção vertical
calculado a partir da velocidade na camada inferior, assumindo um perfil de
velocidades logarítmico [m/s];
JKL velocidade de pico na camada de fundo [m/s];
N massa volúmica relativa dos sedimentos.
O transporte sólido de fundo nas direcções x e y é calculado segundo as
equações 17 e 18.
!$,� = �%(�%�(�%�)C,B !$,# + !$,�/ON∅ [17]
!$, = �%(�%�(�%�)C,B !$,# + !$,�NQR∅ [18]
!$,# = &%G�(M�(I|M|#K"S [19]
T!$,�T = UT!$,#T [20]
U = (|VWX|-�DE)Y
(|�Z|-�DE)Y [21]
Com !$,� = 0 se U < 0.01, !$,# = 0 se U > 100, ^ corresponde ao ângulo entre
a direcção da corrente e a direcção da onda, e ∅ é o ângulo entre o local de direcção de
propagação das ondas e do eixo x.
O transporte em suspensão devido às ondas proposto por Van Rijn, é uma
estimativa do transporte de sedimentos em suspensão devido ao efeito da velocidade
assimétrica das ondas.
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
15
!$,� = 0.2 &̀V&aJbcd [22]
Onde,
!$,� transporte em suspensão devido às ondas [kg/m/s];
&̀V&a parâmetro de ajuste
Jb velocidade assimétrica das ondas
cd carga de sedimentos em suspensão
2.3 Programas de modelação
Neste capítulo é apresentado uma serie de programas de modelação e de cálculo
hidrodinâmico e de dinâmica sedimentar, que foram alvo de estudo para a realização do
modelo tridimensional do estuário do rio Douro.
2.3.1 Delft3D
O Delft3D é um programa de cálculo hidrodinâmico desenvolvido pela WL-Delft
Hydraulics, instituto de pesquisa da Holanda, é composto por um conjunto de
programas, com capacidade de simulação de escoamentos de massas de águas
superficiais. Tem uma estrutura flexível que simula fluxos em duas ou três dimensões,
assim como ondas, qualidade da água, ecologia, transporte de sedimento e morfologia
do fundo, com a capacidade de interação entre estes processos.
Os módulos que compõem o Delft3D são: FLOW (Hidrodinâmico); WAVE
(Ondas); SED (transporte de sedimentos); MOR (Morfodinâmica); WAQ (Qualidade de
água); PART (Traçadores); ECO (Ecologia) e CHEM (Química), estes módulos
possuem ferramentas de pré-processamento, processamento e pós-processamento, o que
facilita o trabalho de implementação de modelos para uma região específica.
Figura 3 - Arquitectura do sistema Delft3D (Delft3D-FLOW, 2011)
Capítulo - 2
16
O módulo hidrodinâmico Delft3D-FLOW é capaz de simular fluxos não
estacionários em duas ou três dimensões, fenómenos de transporte resultantes da maré,
descargas de água e efeitos meteorológicos, incluindo o efeito de diferença de densidade
devido a gradientes horizontais dos campos de temperatura e salinidade. O módulo
hidrodinâmico pode ser usado para efectuar simulações de fluxo em marés e oceanos,
regiões costeiras, estuários, reservatórios e rios.
As condições hidrodinâmicas (velocidade, níveis, densidade, salinidade, etc.)
calculadas pelo módulo Delft3D-Flow são usadas como dados de entrada para outros
módulos do Delft3D (Baptistelli, 2008).
Este modelo utiliza para resolução numérica das equações em que se baseia o
método das diferenças finitas e uma grelha curvilínea. A coordenada vertical usada pelo
modelo é uma coordenada sigma, evitando assim que os elementos da malha
interceptem a topografia do fundo, sendo possível adoptar outras opções em termos de
coordenadas verticais. O modelo tem por hipótese as aproximações usuais para regiões
de águas pouco profundas a variação longitudinal do campo de densidade é considerada
no cálculo da componente baroclínica da força de gradiente de pressão, e utiliza a
aproximação de Booussinesq para determinação dos coeficientes de difusão turbulenta.
O modelo resolve as equações de Navier-Stokes para um fluido incompressível, cuja
aceleração local e advetiva é adicionada ao efeito de Coriollis, e considera como
aproximação águas pouco profundas. Os movimentos verticais são processados com a
equação da continuidade (Andutta, 2011).
O modelo Delft3D-FLOW também tem em conta na sua formulação matemática
os fenómenos físicos, de gradientes de superfície livre (efeitos barotrópicos), fluxos
turbulentos de massa e momento, transporte de substâncias conservativas (sal, calor,
etc.), maré forçando as fronteiras abertas, variação espacial e temporal do atrito do
vento na superfície da água, variação espacial da tensão de atrito de fundo, a variação
espacial e temporal da pressão atmosférica na superfície da água, a variação temporal
nas fontes e sumidouros (ex. nos caudais de rios), efeito cobre-descobre devido à
variação da maré, trocas de calor através da superfície livre, evaporação e transpiração,
efeitos do fluxo secundário sobre as equações de quantidade de movimento, caudal
afluente e efluente (ex. descarga de rios), difusão de quantidade de movimento na
direcção vertical devido a ondas internas, influência das ondas sobre atrito de fundo (2D
e 3D), fluxo através de estruturas hidráulicas, fluxos de vento incluindo ciclone, furacão
e tufão, simulações de descargas térmicas, descarga de efluentes e tomadas de água em
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
17
qualquer localização e em qualquer profundidade da área modelada (módulo
advecção/difusão), cálculo de trajectórias, e simulações que consideram as inundações e
vazantes em planícies de maré (contornos móveis) para casos bidimensionais e
tridimensionais (Baptistelli, 2008).
O módulo Delft3D-MOR incorpora os efeitos das ondas, correntes e transporte
de sedimentos na evolução morfológica. Foi concebido para simular o comportamento
morfodinâmico de rios, estuários e zonas costeiras em escalas de tempo de dias a anos,
devido às complexas interações entre as ondas, correntes, transporte de sedimentos, e
batimetria. Para o cálculo do transporte em suspensão, e transporte de fundo são
utilizadas as equações de Van Rijn, Engelund-Hansen, Meyer-Peter-Muller, Bijker, e
Bailard (Tomlinson, 2006).
2.3.2 TELEMAC
O programa de cálculo TELEMAC foi inicialmente desenvolvido em França,
pelo Laboratoire National d`Hydraulique et Environnement (LNHE), um departamento
de pesquisa da companhia Electricité de France (EDF) em colaboração com outros
institutos de investigação. Está validado em conformidade com as recomendações da
International Association for Hydro-Environment Engineering and Reseacher (IAHR)
(Hervouet, 2000).
O programa TELEMAC-3D resolve as equações tridimensionais de Navier-
Stokes considerando as variações locais na superfície livre do fluido, desprezando as
variações de densidade na equação de conservação da massa, considerando a pressão
hidrostática e a aproximação de Boussinesq para resolver as equações de conservação
da quantidade de movimento. O programa TELEMAC-3D calcula a salinidade baseado
na lei de conservação de massa. A solução das equações é baseada no método dos
elementos finitos, que permite o controlo da distribuição de elementos na malha
utilizada, permitindo a definição da máxima resolução nas áreas de topografia de fundo
complexa, e baixa resolução nas regiões de menor interesse. A discretização vertical do
modelo é feita em coordenadas sigma, favorecendo a representação de variações
batimétricas. O modelo morfológico e de transporte de sedimento em suspensão
SediMorph funciona acoplado ao modelo hidrodinâmico (Peixoto, 2012).
O método de elementos finitos em que o TELEMAC se baseia, associado a uma
malha de cálculo, composta por elementos triangulares de diversos tamanhos e formas,
Capítulo - 2
18
permite que a topografia seja discriminada de forma adequada e, portanto, as geometrias
complexas da área de estudo podem ser tidas em conta. Os principais resultados, em
cada ponto da malha, são a velocidade em todas as três direcções e as concentrações de
quantidades transportadas. A profundidade da água é calculada nos pontos nodais da
malha de elementos finitos. As aplicações do TELEMAC-3D compreendem problemas
de escoamentos com superfície livre de superfície, tanto em massas de água costeiras
como em rios. O software tem em consideração para os processos de cálculo, a
influência da temperatura e / ou salinidade na densidade, o atrito de fundo, influência da
força de Coriollis, influência de factores climáticos (pressão do ar e do vento),
consideração das trocas térmicas com a atmosfera, fontes e sumidouros para o
movimento do fluido dentro do domínio do escoamento, modelos de turbulência
simples ou complexos (k-Epsilon), tendo em conta os efeitos da força de Arquimedes
(flutuabilidade), áreas secas do domínio computacional (planícies de maré).
As principais áreas de aplicação estão relacionadas com ambientes marítimos
através do estudo de correntes induzidas ou pelas marés ou gradientes de densidade,
com ou sem influência de forças externas do vento ou da pressão atmosférica. Pode ser
aplicado a grandes áreas como oceanos, ou a pequenos domínios como estuários e zonas
costeiras, para estudo do impacto de efluentes, plumas térmicas, transporte de
sedimentos, deposição de sedimentos e a sua espessura, representando uma análise de
cariz sedimentológica, e simular a temperatura da água ou salinidade (Mensencal,
2010).
Figura 4 - Ilustração de uma malha 3D (Mensencal, 2010)
O sistema é constituído por pré-processadores para digitalizar os dados e
descrever o problema, por programas de simulação e por pós-processadores para
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
19
representar os dados e analisar os resultados. A estrutura do sistema (Tabela 1)
apresenta os seguintes módulos (Mensencal, 2010):
Tabela 1 - Descrição dos módulos da estrutura do sistema
Estrutura e módulos do Sistema Descrição
Pré-processador
MATISSE Software concebido para gerar uma malha, utilizando dados batimétricos e/ou topográficos.
FUDAA-PREPRO
Interface do utilizador.
STBTEL Adaptação para programas geradores de malha comerciais existentes.
Hidrodinâmica
TELEMAC-2D
Software desenvolvido para realizar simulações hidrodinâmicas em duas dimensões horizontais no espaço.
TELEMAC-3D
Destina-se à realização de simulações hidrodinâmicas em três dimensões no espaço.
SPARTACUS-2D
Este módulo lagrangeano simula em duas dimensões fluxos laminares e turbulentos utilizando o método SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).
Sedimentologia
SISYPHE
Projectado em duas dimensões para simular o transporte de sedimentos através do arrastamento destes no leito e em suspensão.
SEDI-3D Tem a mesma funcionalidade que o módulo SISYPHE mas em três dimensões está integrado no TELEMAC-3D.
Qualidade da água
SUBIEF-2D Simula o transporte de sedimentos suspensos e também traçadores em duas dimensões.
SEDI-3D Simula o transporte de elementos na água, está integrado no TELEMAC-3D.
Ondas
TOMAWAC Software configurado para simular o estado do mar em condições permanentes ou transitório usando um método espectral.
ARTEMIS Projectado para simular as mudanças nas características da agitação marítima quer numa massa de água costeira ou num porto.
Fluxo de águas subterrâneas
ESTEL-2D Fluxos e transporte de poluentes no subsolo médio em duas dimensões.
ESTEL-3D Fluxos e transporte de poluentes no subsolo médio em três dimensões.
Pós-processador
RUBENS FUDAA-PREPRO
POSTEL-3D
Capítulo - 2
20
2.3.3 RMA2
O programa RMA2 é um modelo hidrodinâmico bidimensional no plano
horizontal baseado num método de elementos finitos desenvolvido pelo US Army Corps
of Engineers. O cálculo da solução de elementos finitos é efectuado pela equação de
Reynolds obtida pelas equações de Navier-Stokes para escoamentos turbulentos. O
programa pode ser aplicado para calcular os níveis de água e distribuição de correntes
em torno de ilhas, em pontes, cruzamentos de rios, canais de bombagem, padrões de
correntes em rios, reservatórios e estuários (Donnell, 2011).
O programa RMA2 permite a obtenção de soluções em regime permanente ou
variável, com o estabelecimento de condições de fronteira variáveis ao longo do tempo.
As soluções são obtidas num determinado número de instantes, nos pontos nodais da
malha de elementos finitos. Apresenta como principal limitação a impossibilidade de
resolução de escoamentos supercríticos. Esta limitação advém do método numérico
empregue na resolução das equações de continuidade e conservação da quantidade de
movimento (Pinho, 2000).
O programa RMA2 permite a modelação de regiões que apenas se encontram
inundadas em determinados períodos de tempo, ideal para simulações de cheias. É
baseado nas equações de conservação de massa e quantidade de movimento integradas
segundo a coordenada vertical com as direcções horizontais, que são resolvidas por um
método de elementos finitos usando a técnica dos resíduos pesados de Galerkin. Os
elementos para a discretização espacial poderão ser rectangulares e/ou triangulares de
seis e oito nós, respectivamente.
Figura 5 - Tipos de elementos para a discretização espacial (Donnell, 2011)
O programa utiliza funções de forma quadráticas para velocidades e lineares
para a profundidade, a integração espacial é efectuada pelo método de Gauss, e as
derivadas temporais são discretizadas por uma aproximação de diferenças finitas. O
efeito do atrito no fundo é calculado usando os métodos de Manning ou Chezy, e as
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
21
características turbulentas dos escoamentos são considerados a partir de coeficientes de
viscosidade dinâmica (Peixoto, 2012).
O pré e pós-processamento de dados do programa RMA2 são realizados pelo
programa SMS (Surface-Water Modeling System), que permite criar e analisar resultados
de modelos hidrodinâmicos bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) de águas
superficiais. A partir desta interface é obtida a visualização dos resultados das
simulações, são criadas as condições iniciais das simulações, criados os ficheiros de
dados e as malhas de elementos finitos.
2.3.4 SED2D
O Programa SED2D (WES-HL, 2000) foi desenvolvido pelo US Army Corps of
Engineers. Pode ser aplicado ao estudo de problemas de dinâmica sedimentar em canais
em que o escoamento possa ser considerado bidimensional no plano horizontal, não
calculando problemas de hidrodinâmica como as elevações de água e velocidades do
escoamento que terão que ser calculados num programa auxiliar como o RMA2. Uma
suposição implícita do modelo SED2D é que as alterações na elevação do leito devido a
erosão e/ou deposição não afectam significativamente o campo do escoamento utilizado
no modelo fornecido no programa RMA2, sendo que caso não seja este verificado é
necessário voltar para a resolução da malha de base e se obter uma melhor solução
hidrodinâmica. O programa permite estudar duas categorias de sedimentos, sedimentos
não coesivos, como as areias e sedimentos coesivos como a argila, e analisar problemas
em que o material sedimentar seja constituído por um destes tipos de sedimentos, sendo
que para cada dimensão efectiva do material sedimentar, terá que ser realizado um
cálculo separado. Referente as capacidades do programa o mesmo permite a análise de
problemas em regime permanente ou em regime variado. As trocas de material entre o
fundo e a coluna de água podem ser consideradas ou desprezadas. As tensões
tangenciais no fundo podem ser calculadas a partir da equação de Manning ou de uma
lei de parede logarítmica, podendo ainda ser calculadas tensões tangenciais
considerando o efeito combinando de correntes e ondas (Pinho, 2005) (Donnell, 2006).
O programa é baseado num conjunto de conceitos apresentados em seguida: o
problema de dinâmica sedimentar pode ser agrupado nos processos elementares erosão,
ressuspensão, transporte e sedimentação. O escoamento apresenta um potencial para
erodir, ressuspender e transportar sedimentos independentemente da sua presença nos
domínios modelados. Os sedimentos mantêm-se em repouso no fundo do canal nas
Capítulo - 2
22
situações em que o escoamento apresentar características que originem tensões
tangenciais inferiores ao valor crítico da tensão para início da erosão. Mesmo após o
início do movimento dos sedimentos a batimetria poderá não sofrer qualquer alteração
se a erosão for compensada pela sedimentação que ocorre de forma independente e,
também, de forma contínua. No transporte de sedimentos coesivos estes irão
permanecer em suspensão enquanto a tensão tangencial no fundo for superior ao valor
crítico de deposição. Em geral, a ocorrência simultânea de sedimentação e erosão de
material coesivo não ocorre. A estrutura de fundos formados por materiais coesivos
varia com o tempo e com o estado de tensão. A maior parte dos sedimentos é
transportado em suspensão, mesmo que parte desse material seja transportado junto ao
fundo.
2.3.5 MIKE3
O programa MIKE3 foi desenvolvido pelo (DHI), pode ser aplicado ao estudo de
problemas de simulação hidrodinâmicos tridimensionais de superfície livre, dinâmica
sedimentar e processos de qualidade de água (DHI, 2011). É um sistema de modelação
projectado para o estudo da oceanografia, regiões costeiras, estuários e lagos, com
variações de temperatura e densidades. O sistema é totalmente tridimensional, resolve
equações de impulso e de continuidade nas três direcções cartesianas. Resolve
problemas em regime variável para variações de densidade e batimetria, considerando
também elevações das marés, correntes e outras condições hidrográficas. O cálculo da
solução de elementos finitos é efectuado pela equação de Reynolds obtida pelas
equações de Navier-Stokes incluindo os efeitos de turbulência e de densidade variável,
juntamente com a equação de conservação de massa.
O programa MIKE3 é composto por três módulos fundamentais: O módulo
hidrodinâmico (HD), o módulo de turbulência e o módulo de advecção-dispersão (AD).
No módulo de hidrodinâmica, as variáveis são as componentes de velocidade nas três
direcções e as pressões do fluido. As equações do modelo são discretizadas num
esquema implícito de diferenças finitas. Várias características, tais como descrição de
superfície livre, a descrição de fluxo laminar e variações de densidade são
opcionalmente invocadas nos três módulos fundamentais. Uma série de módulos
encontram-se também implementados no programa, como o módulo de advecção-
dispersão de substâncias conservativas ou linearmente decadente, o módulo de
qualidade da água (WQ), de eutrofização (EU), simulando o crescimento de algas e
Modelação hidrodinâmica e dinâmica sedimentar de sistemas estuarinos
23
produção primária, um módulo de transporte de lodos (MT), simulação de erosão e
deposição de material coesivo, e um módulo de transporte de sedimentos (PA).
O sistema baseia-se na modelação da conservação da massa e da quantidade de
movimento, em três dimensões de um fluido newtoniano, baseando-se no conceito de
viscosidade turbulenta de Boussinesq referente as tensões de Reynolds para o campo de
velocidade média. Para lidar com as variações de densidade, são consideradas as
equações de conservação de salinidade e temperatura.
O transporte de quantidades escalares, tais como a salinidade e temperatura, é
resolvido no módulo advecção-dispersão usando um técnica explícita, de diferenças
finitas baseado na interpolação quadrática a montante em três dimensões. O esquema de
diferenças finitas apresenta características de robustez no que se refere à dispersão
numérica, estabilidade e conservação de massa (Danish Hydraulic Institute, 2001).
Figura 6 - Estrutura do sistema de modelação MIKE 3 adaptado de (Danish Hydraulic
Institute, 2001)
25
3
3. Modelo do estuário do rio Douro
3.1 Bacia hidrográfica e estuário do rio Douro
A bacia hidrográfica do rio Douro tem uma superfície de 97.603 km2 estando
19,1% localizada em território português (cerca de 18.643 km2) e o restante em território
espanhol. É uma das mais extensas e mais pluviosas Baicas hidrográficas da Península
Ibérica. Neste rio estão construídas barragens de “fio de água” com pequena capacidade
de armazenamento. As margens do estuário são elevadas e com pequena secção
transversal. Devido ao conjunto de condições descritas, o rio está sujeito a grandes
cheias tendo as albufeiras construídas no rio, no trecho nacional, pequena capacidade de
as modelar.
O escoamento anual do rio Douro é, em média, de 22 860 hm3, correspondendo
um escoamento de 9 200 hm3 com origem em precipitação na bacia nacional e o
restante em Espanha. Estima-se que a bacia hidrográfica do rio Douro, em território
nacional, apresente uma capacidade total de armazenamento de recursos hídricos de 1
078 hm3, em regime regularizado. A bacia hidrográfica do rio Douro é a bacia nacional
que apresenta o maior valor de escoamento na sua foz, em termos de volume de águas.
Tem numerosos afluentes em território nacional, sendo os mais importantes o Sabor, o
Tua, o Corgo, o Tâmega, o Sousa, o Águeda, o Coa, o Távora, o Varosa, o Paiva e o
Arda (Infopedia, 2013).
Para a bacia hidrográfica do rio Douro foram projetados diversos
aproveitamentos hidroelétricos, estando implantados no próprio rio Douro a barragem
de Miranda, a barragem do Picote, a barragem de Bemposta, a barragem do Pocinho, a
barragem da Valeira, a barragem da Régua, a barragem do Carrapatelo e a barragem de
Crestuma.
Capítulo - 3
26
Figura 7 - Bacia hidrográfica do Douro
O estuário tem um comprimento de 22 km, estando a propagação da maré
limitada a montante pela barragem de Crestuma. A penetração da cunha salina depende
de factores como o caudal do rio e da amplitude da maré, atingindo apenas a barragem
de Crestuma em condições de caudal do rio excepcionalmente baixo.
O estuário do Douro representado na Figura 8 localiza-se entre as cidades de
Porto e Gaia, respectivamente nas margens norte e sul e é constituído por um vale
estreito, com largura mínima de 135 m na Ponte D. Luís a 6 km da embocadura. A
jusante da Ponte da Arrábida, o estuário alarga atingindo a largura máxima de 1300 m.
O estuário superior é estreito e tem uma profundidade normalmente superior a 10 m. No
estuário inferior a largura aumenta e a profundidade diminui, só ultrapassando os 10 m
excepcionalmente no canal principal, o qual permanece confinado à margem norte.
Modelo do estuário do rio Douro
27
Figura 8 - Estuário do rio Douro (Google Earth, 2013)
Na embocadura, está localizado o banco de areia do Cabedelo disposto
perpendicularmente ao eixo do estuário, confinando o escoamento ao canal estreito
junto à margem norte. O Cabedelo é um banco arenoso sendo a sua forma modulada
pelo regime de agitação e pelo escoamento devido ao rio e à maré. Em situações de
cheia, para caudais da ordem dos 10 000 m3/s o banco é galgado e destruído pelo
escoamento, sendo reconstruído progressivamente pelo escoamento depois de terminada
a cheia. É observável (Figura 9) que ao longo do tempo o banco de areia tem migrado
para montante no estuário.
A instabilidade na parte sudeste do banco de areia pode representar uma ameaça
para uma reserva natural local existente. O tamanho e a forma variável do banco de
areia causaram incómodo frequente para a navegação, afetando a largura e profundidade
do canal de navegação. Com o objetivo de melhorar a segurança da navegação, entre
2004 e 2008 foi construído um quebra-mar para estabilizar o banco de areia,
apresentado na figura 9 (Bastos et al., 2012)
Capítulo - 3
28
Figura 9 - Evolução ao longo do tempo da restinga (Google Earth, 2013)
O caudal médio anual num ano típico na barragem de Crestuma situa-se em
torno dos 450 m3s-1, sendo 700 m3 s-1 e 200 m3 s-1 para anos húmidos e secos,
respectivamente. Este caudal apresenta uma marcada variabilidade entre os meses de
Inverno e os de Verão, podendo em situações de cheia exceder os 10 000 m3s-1 (INAG,
2000).
Em termos de mistura vertical, o estuário pode normalmente ser considerado
como verticalmente homogéneo, apresentando no entanto uma cunha salina em
situações de caudal elevado. Para condições médias, o estuário é parcialmente
misturado com uma modulação na estratificação de marés vivas a mortas
(Bordalo,1991; HIDROMOD, 1995).
3.2 Modelo tridimensional do estuário do rio Douro
A fase inicial do trabalho de modelação consiste na construção de uma grelha
para discretização do domínio espacial do modelo. Para tal, foram definidas as
fronteiras fechadas do estuário do rio Douro, através do programa Google Earth, com a
ferramenta “adicionar caminho” (figura 10) criando um ficheiro do tipo *.kml, e
posteriormente corrigido localmente através da análise dos ortofotomapas.
Para que a construção do modelo fosse toda efectuada no mesmo sistema de
coordenadas, foi utilizado o programa Global Mapper (figura 10) para converter o
ficheiro *.kml, do modelo, como a batimetria do estuário, para o sistema de
07-09-2003 16-05-2004 30-10-2006
26-06-2007 11-10-2009 22-06-2012
Modelo do estuário do rio Douro
29
coordenadas UTM (Universal Transverse Mercator coordinate system), e
transformando os dados do domínio das fronteiras fechadas do modelo do estuário num
ficheiro do tipo *.ldb para que este fosse reconhecido pelo programa Delft3d, programa
que foi utilizado neste trabalho.
Figura 10 - Representação das fronteiras terrestres do estuário no programa Google Earth (esquerda) e Global Mapper (direita)
Na construção da grelha do modelo procurou-se obter um refinamento na zona
da restinga para uma melhor compreensão e estudo desse local relativamente à sua
dinâmica sedimentar e ao mesmo tempo ter uma grelha que permitisse a execução do
programa com tempos CPU aceitáveis. A grelha foi considerada mais larga em locais de
menor interesse para o estudo como é o caso do oceano e parte interior do estuário do
rio Douro. Para se atingirem estes objectivos, estudou-se a construção de grelhas
utilizando diferentes técnicas que são em seguida apresentadas.
A primeira técnica utilizada foi o domain decomposition que consiste na
construção de um modelo dividido em múltiplos domínios (figura 11), o que permite
uma maior flexibilidade relativamente ao domínio e refinamento da grelha, e um
refinamento local acentuado apenas na região de interesse.
Figura 11 - Princípio da técnica domain decomposition (Delft3D-FLOW, 2011)
Capítulo - 3
30
Para esta construção foi utilizado o módulo RFGRID do Delft3D utilizando o
ficheiro do tipo *.ldb, criado para a definição das fronteiras fechadas e gerando uma
grelha rectangular com o respectivo refinamento para cada local de domínio a construir
através da ferramenta create rectangular grid, e posteriormente a eliminação da grelha
fora do domínio do modelo através do comando delete interior or exterior block. Os
múltiplos domínios criados consistem no domínio do rio Douro, no domínio da restinga,
da zona costeira e do oceano, cada um com espaçamentos diferentes, sendo o domínio
da restinga o que apresenta o maior refinamento com uma grelha espaçada de 10 m nas
duas direções horizontais, enquanto a zona do oceano apresenta o menor refinamento
com a grelha espaçada em 200 m. De modo a que os múltiplos domínios comunicassem
entre eles procedeu-se a criação das fronteiras coincidentes de cada subdomínio através
da ferramenta DD Boundaries, que através da delimitação cria um ficheiro do tipo *.ddb
(figura 12). Apos a sua conclusão, a grelha apresenta um total de 42899 células de
cálculo, sendo 972 da grelha do oceano, 3450 da grelha da zona costeira, 36234 da
grelha da restinga, e 2243 da grelha do rio Douro.
Figura 12 - Representação dos múltiplos domínios do estuário (esquerda) e do domínio da restinga (direita)
Uma outra técnica de construção do modelo utilizada foi a técnica de NESTHG,
que consiste na criação de um modelo global do estuário menos refinado e um modelo
local da restinga com maior refinamento, sendo posteriormente sobrepostos os dois
modelos e utilizada a informação do modelo global que transitará para a informação do
modelo local (figura 13), através da interpolação bilinear dos resultados calculados
computacionalmente nas estações definidas no modelo global do estuário.
Modelo do estuário do rio Douro
31
Figura 13 - Principio do modelo NESTHG (Delft3D-FLOW, 2011)
Para a construção do modelo global do estuário e do modelo local da restinga
(figura 14) foi utilizado o modulo RFGRID do Delft3D e utilizado o mesmo método de
criação das grelhas que foi utilizado no método do domain decomposition, apresentado
uma grelha com um espaçamento de 10 m para o modelo local da restinga, enquanto
que para o modelo global do estuário optou-se pela criação de uma grelha através da
opção baseada em splines para delimitar as fonteiras fechadas do modelo definidas no
ficheiro do tipo *.ldb, criado anteriormente, e com um refinamento reduzido visto que
se pretende um cálculo mais rápido neste modelo. Apos a criação do modelo global do
estuário e do modelo local da restinga procedeu-se à criação das estações no modelo
global que transitam informação para as fronteiras do modelo local, através do módulo
NESTHD1 que cria um ficheiro do tipo *.obs. Obtidas as estações procedeu-se ao
cálculo do modelo global, e de seguida à criação de um ficheiro do tipo *.bct através do
modulo NESTHD2, que por interpolação bilinear transfere os dados da altura da água e
da velocidade nas estações definidas no modelo global para as fonteiras do modelo local
da restinga. Após a sua conclusão, a grelha apresenta um total de 37080 células de
cálculo, sendo 846 referentes à grelha do modelo global, e 36234 da grelha do modelo
local.
Figura 14 - Representação do modelo global do estuário (esquerda) e do modelo local da restinga (direita)
Capítulo - 3
32
Por fim utilizou-se o método de criação da grelha utilizando um refinamento
local (figura 15), através do modulo RFGRID do Delft3D, e do ficheiro do tipo *.ldb,
criado anteriormente para a definição das fronteiras fechadas, gerando uma grelha
rectangular com um refinamento homogéneo para todo o domínio a construir através da
ferramenta “create rectangular grid”, e posteriormente a eliminação da grelha fora do
domínio do modelo através do comando “delete interior or exterior block”. De modo a
refinar mais o local da restinga, recorreu-se à opção “Refine grid locally” que permite o
refinamento da grelha para um subdomínio horizontal e vertical, tendo como limitação
este método, o refinamento de todo esse subdomínio, ou seja todo o subdomínio
horizontal e vertical da grelha será refinado, procedendo-se então a um refinamento
local da grelha da restinga definindo-se um espaçamento de 20 m. Para os locais da
grelha em que se pretende um menor refinamento com o objetivo de reduzir o tempo de
cálculo recorreu-se à opção “Derefine grid locally”. Apos a sua conclusão, a grelha
apresenta um total de 12267 células de cálculo, estando 6351 células localizadas na
restinga conforme ilustrado na figura 15.
Figura 15 - Representação da grelha utilizando um refinamento local na restinga
Constatou-se que os dois primeiros modelos em que as grelhas foram criadas
com o Domain Decomposition e o NESTHG revelavam alguma instabilidade numérica
nos processos de cálculo, pelo que se optou por utilizar a grelha em que foi realizado
um refinamento local. O processo de cálculo é efectuado num período de tempo
satisfatório de aproximadamente 3 horas para uma simulação de 48 horas.
3.2.1 Batimetria do modelo do estuário do rio Douro
Para definição da batimetria do modelo foi utilizado o módulo QUICKIN do
Delft3D usando duas batimetrias existentes disponíveis, uma disponibilizada pela
Administração do Porto do Douro e Leixões, referente ao local da restinga com 6 m de
resolução e outra mais abrangente, incluindo parte do trecho do rio Douro e parte do
Modelo do estuário do rio Douro
33
Oceano Atlântico com uma resolução de 100 m, disponibilizada pelo Instituto
Hidrográfico e apresentada na figura 16. De modo a serem utilizadas pelo módulo
QUICKIN para o modelo construído as batimetrias foram convertidas para o mesmo
sistema de coordenadas UTM utilizado para a grelha, pelo pograma Global Mapper e
para o mesmo nível de referência utilizado pelo programa Delft3D que é o zero
hidrográfico. As batimetrias foram introduzidas no modelo através de um ficheiro tipo
*.xyz e interpoladas para as células da grelha através da opção “triangular
interpolation”. Parte do trecho do rio Douro foi introduzida através da opção “depth
linear” uma vez que apenas se conhecia a cota de fundo do estuário na barragem de
Crestuma. Para a definição de camadas segundo a direcção vertical do modelo foi
utilizado o módulo Flow Input onde se utilizara um número de 10 camadas com
espaçamento vertical idêntico (cada camada apresenta uma espessura de 10% da
profundidade local).
Figura 16 - Representação da batimetria do modelo do estuário
3.3 Condições de Fronteira
Foram definidas duas fronteiras abertas no modelo de modo a caracterizar o
escoamento hidrodinâmico e a análise à dinâmica sedimentar no estuário, em função da
variação de maré do oceano e da descarga fluvial no rio Douro, localizada na barragem
de Crestuma. Para tal foram criadas duas fronteiras (boundaries) no módulo Flow input
do Delft3D, como mostra a figura 17.
Capítulo - 3
34
Figura 17 - Fronteiras abertas no modelo
A condição de fronteira criada a montante no estuário do rio Douro, na barragem
de Crestuma, é do tipo Total discharge em combinação com o tipo Time-series com
uma distribuição vertical hidraulicamente uniforme, onde são introduzidos os valores de
caudal descarregados pela barragem e posteriormente os valores de concentração de
sedimentos considerada na água descarregada. A condição de fronteira referente ao
Oceano Atlântico é do tipo Water level em combinação com o tipo Astronomic
requerendo esta condição o conhecimento das componentes astronómicas da maré.
De modo a serem definidos os caudais a utilizar na condição de fronteira
referente às descargas da barragem de Crestuma, foram analisados os dados
disponibilizados pelo SNIRH no período de 01-01-1986 a 03-07-2013, da estação
hidrometria de Crestuma (figura 18). Os dados disponibilizados pelo INAG referem que
o caudal médio anual num ano típico na barragem de Crestuma se situa em torno dos
450 m3/s , sendo 700 m3/s e 200 m3/s em anos húmidos e secos respectivamente,
podendo para situações de cheia exceder os 10 000 m3/s (INAG, 2000).
Figura 18 - Descargas da barragem de Crestuma no período de 01-01-1986 a 03-07-
2013 (SNIRH, 2013)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
01-01-1986 24-06-1991 14-12-1996 06-06-2002 27-11-2007 19-05-2013
Caudal Crestumam3/s
Modelo do estuário do rio Douro
35
Para a fronteira referente ao Oceano Atlântico foram definidos três tipos de
marés distintas, uma maré viva, uma maré morta e uma maré com valores intermédios
aos valores obtidos pelas duas marés anteriores, sendo que para tal recorreu-se ao
instituto hidrográfico para a observação dos valores de maré que seriam relevantes para
este estudo. Sendo esta condição de fronteira do tipo Astronomic as componentes
astronómicas consideradas e respectivas amplitudes e fases são apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 - Componentes astronómicas da maré
Componentes astronómicas Amplitude (m) Fase (graus)
M2 1,0410 73,81590
S2 0,3630 102,40000
N2 0,2220 55,06030
K2 0,1060 100,71790
K1 0,0690 59,05890
O1 0,0600 315,45700
NU2 0,0400 61,18740
MU2 0,0370 32,33180
SA 0,0310 106,65890
2N2 0,0310 38,60460
MSF 0,0270 143,78410
Os valores de concentração de sedimentos na fronteira referente ao rio Douro,
foram considerados tendo em análise os valores de rios portugueses disponibilizados
pelo SNIRH, bem como vários artigos sobre rios internacionais, com características
semelhantes às do rio Douro, visto que esta informação especificamente para o caso do
rio Douro é praticamente nula ou inexistente. Deste modo foram considerados os
valores presentes na tabela 3 (Hickin, 1995).
Tabela 3 - Concentrações de sedimentos consideradas
Frequência Concentração de sedimentos (mg/L)
Muito Alta 0 - 100
Alta 100 - 500
Normal 500 - 1000
Baixa 1000 - 5000
Capítulo - 3
36
3.4 Calibração do modelo do estuário do rio Douro
A calibração do modelo foi realizada utilizando registos de níveis de maré, tendo
em consideração os valores da estação do porto de Leixões, disponibilizado pelo
instituto hidrográfico num período de 48 horas. Comparou-se os três tipos de marés que
serão alvo de estudo, concretamente uma maré viva uma maré morta e um período onde
a maré apresenta uma serie de valores intermédios às marés anteriores visto que esta
será importante para o estudo da dinâmica sedimentar a longo prazo. O ponto de
observação do modelo onde se obterá os valores das marés encontra-se no oceano,
conforme apresentado pela figura 19, sendo que a comparação deveria ter sido realizada
para pontos no interior do estuário, não sendo esta possível devido à falta de registos na
situação de configuração actual das obras da embocadura.
Figura 19 - Localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre.
A maré viva foi comparada com base nos dados obtidos na estação do porto de
Leixões referentes ao período de 29 de Março de 2002 a 31 de Março de 2002 com
início às 00:00 horas (figura 20).
Modelo do estuário do rio Douro
37
Figura 20 - Curvas de elevação de superfície para maré viva
A maré morta foi comparada com base nos dados obtidos na estação do porto de
Leixões referentes ao período de 08 de Janeiro de 2010 a 10 de Janeiro de 2010 com
início às 00:00 horas (figura 21).
Figura 21 - Curvas de elevação de superfície para maré morta
O valor intermédio da maré foi comparado com base nos dados obtidos na
estação do porto de Leixões referentes ao período de 02 de Janeiro de 2000 a 04 de
Janeiro de 2000 com início às 00:00 horas (figura 22).
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Maré Viva de 29-03-2002 a 31-03-2002
Delft3D
Instituto
Hidrográfico
Minutos
Metros
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
0 500 1000 1500 2000 2500
Maré Morta de 08-01-2010 a 10-01-2010
Delft3D
Instituto
Hidrográfico
Metros
Minutos
Capítulo - 3
38
Figura 22 - Curvas de elevação de superfície para o valor intermédio da maré
Ao observar as figuras anteriores pode-se concluir que para maré viva os valores
simulados pelo modelo apresentam um comportamento perfeito em comparação com os
valores reais, enquanto para maré morta e para o valor intermédio de maré o modelo
apresenta um pequeno desvio dos valores reais, com um erro sempre inferior a 0,1 m,
em baixa-mar para a maré morta e em preia-mar para o valor intermédio de maré.
Apesar dos pequenos desvios da curva do modelo simulado, pode-se admitir que esta
apresenta uma boa aproximação aos valores da curva registada no marégrafo do Porto
de Leixões. Conclui-se ainda que dos muitos factores que podem influenciar a elevação
da superfície livre, nesta simulação apenas foram consideradas as componentes
astronómicas expostas na tabela 2, ficando de fora o vento, a pressão e o caudal fluvial
que pode explicar as diferenças verificadas. Foi assumido com valor constante ao longo
das simulações e igual ao valor médio diário registado em Crestuma.
Segundo descrito pelo Instituto Nacional da Água (INAG, 2012) existem dois
vórtices induzidos pelo jacto de saída, um ciclónico a sul (a) e outro anticiclónico a
norte (b), características apresentadas pelo modelo conforme apresentado na figura 23.
Figura 23 - Representação esquemática dos vórtices induzidos pelo jacto de saída
-1,25
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
0 500 1000 1500 2000 2500
Valor Intermédio da Maré 02-01-2000 a
04-01-2000Delft3D
Instituto
Hidrográfico
Metros
Minutos
Modelo do estuário do rio Douro
39
Foi ainda realizada uma análise de sensibilidade dos resultados às variações do
valor do coeficiente de rugosidade de Manning: definiram-se três valores distintos do
coeficiente, um valor para condições de rugosidade baixas, um para condições regulares
e um outro para condições de elevada rugosidade das paredes do canal, simuladas pelo
modelo num período de 48 horas para um valor constante do caudal do rio Douro de
450 ef/N. Constatou-se que a variação do coeficiente apenas afectava de forma
significativa a velocidade horizontal da camada de fundo, enquanto na camada
superficial o valor permanece constante. Pode-se constatar que para coeficientes de
rugosidade de Manning mais elevados o valor da velocidade horizontal na camada de
fundo (figura 24) na Ponte da Arrábida, é mais baixa, comparativamente com valores
mais reduzidos do coeficiente, que implicam velocidades mais altas. Definiu-se para o
modelo um valor constante do coeficiente de rugosidade Manning de 0,033 N ∗ e-�/f,
correspondendo a canais com leito arenoso e lodoso e as paredes laterais em pedra, em
condições regulares, por ser o que mais se aproxima às características gerais do estuário
do rio Douro.
Figura 24 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do coeficiente de rugosidade de Manning
Outro aspeto analisado foi a sensibilidade dos resultados das velocidades em
função do modelo de turbulência adoptado uma vez que o programa Delft3D permite o
cálculo recorrendo a quatro tipos de modelos de turbulência: o k-Epsilon, o k-L, o
Algebric, e Constante. Para tal foi simulado um período de 48 horas para um valor
constante do caudal do rio Douro de 450 ef/N, e comparando-se os resultados obtidos
no local coincidente com a localização da Ponte da Arrábida. Constatou-se que, os
modelos k-Epsilon, k-L e Algebric, apresentam resultados muito semelhantes, com uma
ligeira diferença do modelo k-Epsilon, que apresenta resultados mais estáveis, conforme
se pode ver na figura 25. O modelo do tipo Constante apresenta valores bastante
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 500 1000 1500 2000 2500
Velocidade Horizontal
0,025
0,045
0,033
min
m/s Coeficiente
de
rugosidade
Manning
(N ∗ e−1/3)
Capítulo - 3
40
distintos dos valores reais. Consequentemente o modelo adoptado como referencia para
as simulações é o modelo de turbulência k-Epsilon.
Figura 25 - Velocidade horizontal na camada de fundo junto à Ponte da Arrábida em função do modelo de turbulência tridimensional
,000
,1000
,2000
,3000
,4000
,5000
,6000
,7000
0 500 1000 1500 2000 2500
Velocidade Horizontal
k-Epsilon
k-L
Algebraic
Constant
min
m/s
Modelo de
turbulencia
41
4
4. Análise e discussão dos resultados
4.1 Aspetos gerais
Devido à grande quantidade de resultados obtidos decidiu-se optar por uma
organização deste capítulo em quatro grandes secções: (A) apresentação dos cenários de
modelação alvos de estudo, (B) apresentação dos resultados da análise hidrodinâmica,
(C) dos resultados da análise à dinâmica sedimentar, e (D) dos resultados no caso de
colapso das estruturas de defesa na embocadura do estuário do rio Douro. Consideram-
se os seguintes resultados dentro de cada conjunto:
A – Cenários de modelação
B – Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro
B1 – Análise da maré
B2 – Análise da velocidade do escoamento
C – Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro
C1 – Análise da influência exercida pelo caudal fluvial
C2 – Análise da influência exercida pela maré na morfologia do estuário
C3 – Análise da influência da dimensão dos sedimentos presentes no estuário
C4 – Análise da influência da massa volúmica dos sedimentos
D – Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura
D1 – Impactos na hidrodinâmica
D2 – Impactos na dinâmica sedimentar
Capítulo - 4
42
4.2 Cenários de modelação
Os cenários definidos para modelação apresentados na tabela 4 resultam da
combinação da variação da maré e do caudal de descarga da barragem de Crestuma,
bem como da concentração de sedimentos na água do rio Douro.
A variação das diferentes variáveis em estudo resultou na consideração dos
diferentes cenários que foram organizados em grupos temáticos de análise de problemas
específicos. Visto que a definição de algumas variáveis como a massa volúmica dos
sedimentos presentes no estuário e o seu diâmetro serem de difícil definição, admitiu-se
uma série de valores verossímeis, nas simulações realizadas.
Define-se ainda um cenário acidental, onde é considerada a destruição das
estruturas de defesa existente na restinga, de modo a possibilitar a análise do impacto
desta situação na hidrodinâmica e dinâmica sedimentar do estuário.
.
Capítulo - 4
43
Tabela 4 - Cenários considerados para modelação
Problema em
análise Cenário Tipo de Maré
Caudal
(m3/s)
Coeficiente
de
rugosidade
Manning
(s*m-1/3
)
Coeficiente
de
viscosidade
horizontal
(m2/s)
Coeficiente
de difusão
horizontal
(m2/s)
Modelo de
turbulência
3D
Massa
volúmica dos
sedimentos
(kg/m3)
Diâmetro
médio de
sedimento
D50 (μm)
Concentração
de
sedimentos
Crestuma
(kg/m3)
Tempo de
simulação
0 - Calibração
1 Intermédia 450 0,025 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
2 Intermédia 450 0,045 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
3 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
4 Intermédia 450 0,033 1 1 k-L 2650 200 0,5 2 dias
5 Intermédia 450 0,033 1 1 Algebraic 2650 200 0,5 2 dias
6 Intermédia 450 0,033 1 1 Constant 2650 200 0,5 2 dias
1 - Análise
hidrodinâmica
7 Maré viva 200 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
8 Maré viva 450 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
9 Maré viva 700 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
10 Maré viva 10000 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
11 Maré morta 200 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
12 Maré morta 450 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
13 Maré morta 700 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
14 Maré morta 10000 0,033 1 - k-Epsilon - - - 2 dias
Capítulo - 4
44
Problema em
análise Cenários Tipo de maré
Caudal
(m3/s)
Coeficiente
rugosidade
Manning
(s*m-1/3
)
Coeficiente
viscosidade
horizontal
(m2/s)
Coeficiente
de difusão
horizontal
(m2/s)
Modelo de
turbulência
3D
Massa
volúmica dos
sedimentos
(kg/m3)
Diâmetro
médio de
sedimento
D50 (μm)
Concentração
sedimentos
Crestuma
(kg/m3)
Tempo de
simulação
2 - Análise
morfodinâmica
(caudal)
15 Intermédia 200 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,1 2 dias
16 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
17 Intermédia 700 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 1 2 dias
18 Intermédia 10000 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 5 2 dias
19 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 1 anos
20 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 anos
21 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 4 anos
22 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 6 anos
23 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 8 anos
24 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 10 anos
3 - Análise
morfodinâmica
(maré)
25 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
26 Maré viva 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
27 Maré morta 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
4 - Análise
morfodinâmica
(dimensão de
sedimento)
28 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
29 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 750 0,5 2 dias
30 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 375 0,5 2 dias
5 - Análise
morfodinâmica
(densidade de
sedimentos)
31 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
32 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 1900 200 0,5 2 dias
33 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2800 200 0,5 2 dias
6 - Análise
morfodinâmica
(rutura)
34 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 2 dias
35 Intermédia 10000 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 5 2 dias
36 Intermédia 450 0,033 1 1 k-Epsilon 2650 200 0,5 10 anos
Capítulo - 4
45
4.3 Análise da hidrodinâmica no estuário do rio Douro
4.3.1 Elevação da superfície livre
A figura 26 apresenta o local à saída do estuário onde se efectuou a análise das alturas
da água induzidas pelas marés e pelo caudal do rio Douro, e apresentadas nas figuras 27 a 30,
para um caudal descarregado pela fronteira a montante (Crestuma) de 200 m3/s, 450 m3/s 700
m3/s e 10 000 m3/s, respectivamente.
Figura 26 - Planta do modelo com a localização do ponto escolhido para a obtenção dos valores da elevação da superfície livre.
Figura 27 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 200 m³/s.
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Mare viva Mare Morta
minutos
Ele
vaçã
o(m
etr
os)
Capítulo - 4
46
Figura 28 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 450 m³/s.
Figura 29 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 700 m³/s.
Figura 30 - Gráfico com a elevação da superfície ao longo do tempo para o caudal de 10 000 m³/s.
Na análise dos gráficos de elevação de superfície, os aspetos que mais se destacam,
são a diferença de amplitudes entre os dois tipos de marés, apresentando a maré morta uma
diferença de amplitude de aproximadamente um metro menor que os valores da maré viva, e a
diferença de valores, na situação de cheia (caudal de 10 000 m3/s) para os resultados obtidos
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Mare viva Mare morta
minutos
Ele
vaçã
o (
me
tro
s)
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Mare viva Mare morta
Ele
vaçã
o(m
etr
os)
minutos
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Mare viva Mare morta
minutos
Ele
vaçã
o (
me
tro
s)
Análise e discussão dos resultados
47
para caudais de 200 m3/s, 450 m3/s, e 700 m3/s, que apresentam valores bastante análogos,
conforme é apresentado na tabela 5.
Tabela 5 - Valores de amplitude para os diferentes cenários
Amplitude (metros)
Maré viva Maré morta
Tempo
(min) Q200 Q450 Q700 Q10000 Q200 Q450 Q700 Q10000
180 1,90383 1,91341 1,91451 2,24200 0,91310 0,91212 0,91282 1,46005
560 -1,91054 -1,91000 -1,90845 -0,68879 -0,88037 -0,87874 -0,87715 -0,02181
930 1,74516 1,74946 1,74712 2,20881 0,76584 0,76584 0,76535 1,33557
1290 -1,80106 -1,79932 -1,79755 -0,63110 -0,75773 -0,75557 -0,75277 0,07362
1660 1,87938 1,88465 1,88339 2,33201 0,71353 0,71464 0,71475 1,28748
2030 -1,86279 -1,86151 -1,85939 -0,66411 -0,72269 -0,72045 -0,71741 0,10118
2410 1,73115 1,73499 1,73369 2,19476 0,65652 0,65820 0,65831 1,23466
Na tabela 5 os valores em preia-mar e baixa-mar são sempre máximos para o caudal
de cheia de 10 000 m3/s, como seria de esperar, devido a localização da estação de observação
se localizar à saída do estuário conforme identificado anteriormente na figura 26. Para caudais
de cheia o nível da água é agravado até à embocadura.
No restante estuário, a quando a baixa-mar é exposta uma grande área da restinga
sendo esta maior ou menor conforme seja maré viva ou maré morta, criando assim um grande
banco de areia na parte sul do estuário, sendo posteriormente coberta parcialmente na
transição para preia-mar, mas não totalmente coberta criando assim uma barreira ao
escoamento da água do rio Douro para o oceano, que se processa sempre na parte norte do
estuário, aumentado a altura da água no interior do estuário.
No caso de cheia, para um caudal de 10 000 m3/s, escoado pelo rio Douro, a restinga é
submersa quase na sua totalidade, apresentando uma grande altura de água para montante do
quebra-mar aumentando o seu valor à medida que se desloca para o interior do estuário. A
maré também tem uma grande influência no interior do estuário para qualquer tipo de caudal
do rio Douro, apresentando em preia-mar um valor de 4,418 metros (m) na Ponte da Arrábida
para maré viva e de 3,922 m para maré morta, em relação ao zero hidrográfico. Observa-se
ainda que para os caudais de 200 m3/s, 450 m3/s e 700 m3/s esta diferença de altura de água é
aproximadamente de um metro sendo maior do que no caso da situação de cheia.
Estas características são apresentadas nas figuras 31 e 32 obtidas para os cenários 7 a
14 apresentados na tabela 4.
Capítulo - 4
48
Figura 31 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário para os cenários de maré viva
Simulação 7 – baixa-mar (200 m3/s) Simulação 7 – preia-mar (200 m3/s)
Simulação 8 – baixa-mar (450 m3/s)
Simulação 8 – preia-mar (450 m3/s)
Simulação 9 – baixa-mar (700 m3/s)
Simulação 9 – preia-mar (700 m3/s)
Simulação 10 – baixa-mar (10000 m3/s)
Simulação 10 – preia-mar (10000 m3/s)
Análise e discussão dos resultados
49
Figura 32 - Nível da superfície da água em baixa-mar (esquerda) e preia-mar (direita) no estuário
para os cenários de maré morta
Simulação 11 – baixa-mar (200 m3/s)
Simulação 11 – preia-mar (200 m3/s)
Simulação 12 – baixa-mar (450 m3/s)
Simulação 12 – preia-mar (450 m3/s)
Simulação 13 – baixa-mar (700 m3/s)
Simulação 13 – preia-mar (700 m3/s)
Simulação 14 – baixa-mar (10000 m3/s)
Simulação 14 – preia-mar (10000 m3/s)
Capítulo - 4
50
4.3.2 Velocidade das correntes
Na análise dos resultados das velocidades no estuário, serão identificadas as zonas de
velocidade máxima e o tipo de escoamento ocorrido, assim como a variação da velocidade em
profundidade nas zonas de maior interesse e os valores de velocidade à saída do estuário ao
longo do tempo.
Os valores da velocidade horizontal máxima na camada superficial são apresentados
na figura 33, assim como os vectores de velocidade correspondentes, para o cenário 8, com
um caudal fluvial de 450 m3/s, com maré viva, que ocorre a 28,17 horas apos início da
simulação, e corresponde à vazante do estuário apos a preia-mar ter ocorrido. É identificável
que para este cenário a velocidade máxima ocorre na saída do estuário com um valor máximo
de aproximadamente 1,579 m/s, devido ao estreitamento da seção transversal gerado pela
presença do quebra-mar. Os valores mais elevados de velocidade acontecem na parte norte da
embocadura do estuário, enquanto na zona sul da embocadura a velocidade é muito próxima
do valor nulo, devido ao escoamento ser processado pela parte norte do estuário como é
demostrado pelos vectores de velocidade do escoamento (figura 33).
A influência da velocidade do escoamento proveniente do rio Douro no oceano vai
diminuindo à medida que se desloca para jusante da embocadura, conforme é observável pela
pluma formada na figura 33, que apresenta um valor nulo a aproximadamente 3200 m de
distância da saída do estuário para este cenário. Como já referido anteriormente no capítulo
3.4, são visíveis dois vórtices em zonas adjacentes à embocadura do estuário, que resultam da
circulação do escoamento para o oceano formando um jacto de água na direcção do oceano,
no momento da vazante do estuário. Os vórtices formados são de dois tipos, sendo um na
direcção anti-horária e outro na direcção horária a sul e a norte do jacto de água,
respectivamente.
Análise e discussão dos resultados
51
Figura 33 - Representação da velocidade superficial máxima (superior) e dos vectores velocidade
(inferior) para o cenário 8.
São apresentados nas figuras 34 e 35, os valores de velocidade superficial ao longo de
um eixo longitudinal do estuário do rio Douro, compreendido entre o oceano e a Ponte do
Freixo, para o momento de ocorrência da máxima velocidade correspondente à vazante do
estuário após a preia-mar, para os cenários da análise hidrodinâmica de maré viva (cenário 7 a
10) e de maré morta (cenário 11 a 14), respectivamente. Nas figuras 34 e 35 estão ilustradas
as localizações da entrada do estuário (EE), ermida de São Miguel-o-Anjo (SM), da Ponte da
Arrábida (PA), da Ponte do Infante (PI) e da Ponte do Freixo (PF).
Através da comparação dos gráficos apresentados, pode-se concluir que as velocidades
obtidas a quando da maré viva são maiores do que as de maré morta, como seria esperado
devido às enchentes e vazantes do estuário deslocarem maiores volumes de água,
apresentando a maré viva um máximo de velocidade de 5,91 m/s enquanto para o cenário de
maré morta esse valor é de 5,65 m/s, localizado na entrada do estuário. É também patente que
quanto maior for o caudal maior será a velocidade de escoamento, destacando-se os valores de
cheia (caudal de 10 000 m3/s) dos valores correspondentes aos caudais de 200 m3/s, 450 m3/s
e 700 m3/s, que se mantêm próximos em todo o desenvolvimento do perfil longitudinal
analisado. O valor de velocidade do escoamento para o cenário de cheia chega a um máximo
de 5,91 m/s, enquanto para os caudais 200 m3/s, 450 m3/s e 700 m3/s os valores de
escoamento apresentam um máximo de 1,46 m/s, 1,54 m/s e 1,66 m/s, respectivamente para a
Capítulo - 4
52
situação de maré viva, na zona de entrada do estuário o que evidencia a elevada diferença da
velocidade na situação de cheia.
Nas figuras 34 e 35 são evidenciadas quatro zonas onde a velocidade atinge valores
mais elevados. A principal zona ocorre na entrada do estuário devido ao estreitamento da
seção gerado pela presença do quebra-mar, o segundo pico de velocidade ocorre na zona mais
profunda do estuário que se situa perto da ermida de São Miguel-o-Anjo (na coordenada x
527844), o terceiro pico encontra-se junto à Ponte da Arrábida (na coordenada x 530067),
com a característica de apenas se evidenciar para o caudal de cheia, enquanto para caudais
mais reduzidos este valor não ultrapassa os valores que ocorrem na ermida de São Miguel-o-
Anjo. O quarto pico ocorre entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo (na coordenada x
534467), sendo o segundo maior valor de velocidade para os caudais de 200 m3/s, 450 m3/s e
700 m3/s com os valores de 1,14 m/s, 1,30 m/s e 1,48 m/s em maré viva e de 0,67 m/s, 0,90
m/s e 1,15 m/s para maré morta, respectivamente.
Figura 34 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 7 (Q200), 8 (Q450),
9 (Q700) e 10 (Q10000).
0
1
2
3
4
5
6
525309 527309 529309 531309 533309 535309
Q200 Q450 Q700 Q10000
Ve
loci
da
de
(m
/s)
Cordenada x (metros)
EE
|
|
PA
|
|
|
|
PI
|
|
PF
|
SM
|
Análise e discussão dos resultados
53
Figura 35 - Velocidade superficial ao longo do perfil longitudinal para os cenários 11 (Q200), 12
(Q450), 13 (Q700) e 14 (Q10000).
Da análise dos resultados apresentados nas figuras 34 e 35 verifica-se a existência de
variações de velocidade com maior ênfase na parte interior do estuário (parte fluvial), no
instante de vazante a quando da obtenção do máximo valor de velocidade de escoamento na
camada superficial. É visível ainda na figura 36, correspondente ao cenário 10 (cenário mais
desfavorável), que o número de Froude (obtido através da expressão Fr = U/√(gh)) é superior
a um, na zona interior do banco de areia, ocorrendo apenas no mesmo instante que é
representado nas figuras 34 e 35, não voltando a ultrapassar esse valor, no restante tempo de
simulação, nem nos outros cenários considerados na análise hidrodinâmica.
Com isto conclui-se que mesmo no pior cenário possível de caudal de cheia e
considerando uma maré viva, na secção de descarga superior ao quebra-mar o regime de
escoamento, segundo o número de Froude é fluvial para todo o tempo de simulação, com um
valor máximo próximo de 0,30, enquanto no banco de areia o regime de escoamento é
torrencial nesse mesmo instante de tempo, com um numero de Froude próximo de 1,01 que
ocorre numa pequena região da restinga, local este que é submerso pela água proveniente do
rio Douro, como demostrado pela simulação 10 da figura 31.
As forças de inércia nesta região adquirem preponderância relativamente às forças
gravíticas pelas velocidades atingidas pelo que trata-se de uma zona especialmente sensível.
Contudo, estes resultados deverão ser encarados com prudência dadas as limitações
resultantes da resolução espacial adoptada para o modelo.
0
1
2
3
4
5
6
525309 527309 529309 531309 533309 535309
Q200 Q450 Q700 Q10000
Ve
loci
da
de
(m/s
)
Cordenada x (metros)
EE
|
|
PA
|
|
|
PI
|
PF
|
|
|
|
SM
Capítulo - 4
54
Figura 36 - Número de Froude no estuário do rio Douro para o cenário 10 (Q10000).
Os gráficos das figuras 37 a 40 apresentam os resultados da velocidade superficial à
saída do estuário, na estação de observação representada na figura 26, para os cenários de
análise hidrodinâmica 7 a 14, ao longo de um período de tempo com 2360 minutos de
simulação, combinando dois tipos de maré para cada caudal.
A principal característica que se pode constatar pela análise aos gráficos é a
velocidade do escoamento aumentar com o caudal, visto que quanto maior for o volume de
água descarregado à saída do estuário maior será a velocidade de escoamento, sendo esta
característica notória na diferença de valores entre as curvas de maré morta e de maré viva,
evidenciando que o estado da maré também é um factor a ter em conta a quando da análise à
variação de velocidade neste sistema.
Nos gráficos das figuras 37 a 39, estão representados dois tipos de curvas: uma curva
(1) e uma curva (2), presentes para os cenários de maré viva e de maré morta. Estas curvas
representam a mudança no sentido do escoamento, ou seja o pico da curva (1) ocorre quando
há uma enchente do estuário com a água proveniente do oceano a escoar para o seu interior
até se dar a ocorrência da preia-mar, e o pico da curva (2) ocorre quando acontece o refluxo
da água, ou seja a água que outrora tinha transposto a foz do estuário, volta a sair em direcção
ao oceano até ao ponto da baixa-mar, ocorrendo estes dois tipos de curvas de forma alternada
em conformidade com o ciclo da maré. O gráfico da figura 40, relativo ao caudal de cheia de
10 000 m3/s, apresenta apenas um tipo de curva devido a não ocorrer nenhuma inversão no
escoamento, encontrando-se a água proveniente do rio Douro sempre a sair do estuário em
direcção ao oceano, apenas aumentando e diminuindo a sua velocidade consoante a
ocorrência do ciclo da maré, ocorrendo o mesmo no cenário de maré morta com um caudal
Análise e discussão dos resultados
55
fluvial de 700 m3/s visível na figura 39. Constatou-se que para o modelo de cálculo, não
ocorre a inversão do sentido de escoamento na situação de maré viva, para caudais fluviais
superiores a 1 200 m3/s.
Nas figuras 39 e 40 é notório que a curva de maré morta não apresenta mudanças no
sentido do escoamento na camada superficial, sendo que esta situação poderá ocorrer apenas
nas camadas mais profundas, devido à mudança de direcção de escoamento ocorrer primeiro
nas camadas inferiores, propagando-se posteriormente para as camadas superiores.
Figura 37 - Velocidade superficial para o caudal de 200 m³/s com maré morta e maré viva na entrada
do estuário.
Figura 38 - Velocidade superficial para o caudal de 450 m³/s com maré morta e maré viva na entrada
do estuário.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 500 1000 1500 2000
Maré viva Maré morta
Ve
loci
da
de
(m
/s)
minutos
(1)
(2)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 500 1000 1500 2000
Maré viva Maré morta
minutos
Ve
loci
da
de
(m
/s)
(2)
(1)
Capítulo - 4
56
Figura 39 - Velocidade superficial para o caudal de 700 m³/s com maré morta e maré viva na entrada
do estuário.
Figura 40 - Velocidade superficial para o caudal de 10000 m³/s com maré morta e maré viva na
entrada do estuário.
Nas Figuras 42 a 45 são apresentados os gráficos correspondentes à variação da
velocidade horizontal com a profundidade no momento da ocorrência da velocidade máxima
na camada superficial, para cada caudal fluvial e para cada tipo de maré considerado na
análise hidrodinâmica, correspondendo cada curva a estações de observação representadas na
figura 41, posicionadas nos locais onde ocorrem os principais picos de velocidade
identificados anteriormente.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 500 1000 1500 2000
Maré viva Maré morta
minutos
Ve
loci
da
de
(m/s
)
(2)
(1)
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
0 500 1000 1500 2000
Maré viva Maré morta
minutos
Ve
loci
da
de
(m
/s)
Análise e discussão dos resultados
57
Figura 41 - Localização das estações de observação para o estudo dos perfis verticais de velocidade
As curvas apresentadas nas figuras 42 a 45 apresentam todas valores superiores para a
velocidade na camada superficial, devido ao instante de tempo corresponder à vazante da
água contida no estuário, e não ter sido considerado no cálculo o efeito do vento que poderia
de alguma forma alterar esses valores. Os valores das camadas superficiais vão diminuindo
com a profundidade, de uma forma menos acentuada até aproximadamente metade da altura
da coluna de água, acentuando-se essa diminuição cada vez mais à medida que a profundidade
aumenta. Em todos os cenários hidrográficos a curva correspondente à saída do estuário
(estação 2) é a que apresenta uma curvatura superior na passagem da penúltima camada para a
ultima, devido à acção da maré que se desloca na mesma direcção ao do escoamento fluvial
para este instante de tempo. A estação de observação 1 apesar de estar colocada na saída do
estuário apresenta valores redúzios, isto deve-se ao facto de esta estar na imediação da pluma
formada pelo jacto de água descarregada do estuário e não no seu interior, o que em
concordância com a figura 33, é bastante significativo.
Figura 42 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e
450 m³/s (direita) em maré viva
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0,5 1 1,5
Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Ca
ma
da
s
Camadas
123456789
10
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75
Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
Capítulo - 4
58
Figura 43 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e
10000 m³/s (direita) em maré viva
Figura 44 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 200 m³/s (esquerda) e
450 m³/s (direita) em maré morta
Figura 45 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 700 m³/s (esquerda) e
10000 m³/s (direita) em maré morta
123456789
10
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75
Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 1 2 3 4 5 6Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
123456789
10
0 0,2 0,4 0,6 0,8Estação1 Estação2 Estação3Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
123456789
10
0 0,25 0,5 0,75 1
Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
123456789
10
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25
Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
1234567
89
10
0 2 4 6Estação1 Estação2 Estação3
Estação4 Estação5
(m/s)
Camadas
Análise e discussão dos resultados
59
4.4 Análise da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro
4.4.1 Acção do caudal fluvial
Nas figuras 46 a 49 apresenta-se os valores da erosão e sedimentação no estuário para
sedimentos não coesivos, ao fim de 36 horas de simulação, e com caudais fluviais de 200
m3/s, 450 m3/s, 700 m3/s e 10 000 m3/s, sendo também apresentado o perfil longitudinal dos
mesmos valores referente à zona central do leito do rio desde o oceano ate à Ponte do Freixo.
Figura 46 - Valor de erosão e sedimentação em planta (superior) e em perfil longitudinal (inferior)
do estuário para o cenário 15
-6,000E-03
-4,000E-03
-2,000E-03
0,000E+00
2,000E-03
4,000E-03
526000 527000 528000 529000 530000 531000 532000 533000 534000 535000 536000
Q200
Ero
são
/Se
dim
en
taçã
o (
m)
Cordenada x (metros)
PA PI PF SM
Capítulo - 4
60
Figura 47 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do
estuário para o cenário 16
Figura 48 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do
estuário para o cenário 17
-1,000E-02
-5,000E-03
0,000E+00
5,000E-03
1,000E-02
526000 527000 528000 529000 530000 531000 532000 533000 534000 535000 536000
Q450Cordenada x (metros)
Ero
são
/ S
ed
ime
nta
ção
(m
)
-0,03
-0,02
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
526000 527000 528000 529000 530000 531000 532000 533000 534000 535000 536000
Q700
Ero
são
/ S
ed
ime
nta
ção
(m
)
Cordenada x (metros)
SM PA PI PF
SM PA PI PF
Análise e discussão dos resultados
61
Figura 49 - Valor de erosão e sedimentação em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do
estuário para o cenário 18
As principais zonas com valores de erosão e sedimentação mais significativas estão
localizadas junto à embocadura (sendo esta a zona que apresenta valores mais elevados), a
jusante da Ponte da Arrábida e ente a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo, correspondendo
aos locais onde se registam os valores mais elevados de velocidade, identificados
anteriormente no capítulo 4.3.2.
O transporte de sedimentos é feito predominantemente em direcção ao mar para todos
os cenários considerados, e é visível a existência de erosão localizada no início do quebra-
mar, seguido de uma pequena deposição de sedimentos que forma um banco de areia a jusante
deste, que vai reduzindo de valor à medida que se desloca para o oceano devido as correntes
tenderem a ser de menor intensidade.
Como seria de esperar há uma forte relação entre os valores de erosão e sedimentação
com os valores do caudal fluvial do rio Douro, apresentando um valor máximo de erosão e de
sedimentação de sedimentos junto à embocadura de 0,00401 m e 0,00285 m respectivamente,
em relação ao valor inicial, para um caudal fluvial de 200 m3/s. Estes valores aumentam caso
-15
-10
-5
0
5
526000 527000 528000 529000 530000 531000 532000 533000 534000 535000 536000
10000Cordenada x (metros)
Ero
são
/ Se
dim
en
taçã
o (
m)
SM PA PI PF
Capítulo - 4
62
o caudal também aumente, apresentando resultados de 0,00881 m e 0,00650 m para um
caudal fluvial de 450 m3/s e 0,02073 m e 0,01470 m, para um caudal fluvial de 700 m3/s para
erosão e sedimentação respectivamente, atingindo o valor de 0,02250 m de deposição junto às
margens do quebra-mar norte para este mesmo caudal. Observam-se nesse caso valores
máximos 2 vezes superiores para caudais de 450 m3/s em comparação com o de caudal de 200
m3/s, e 5 vezes superiores comparado com o caudal de 700 m3/s.
Relativamente à zona entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo é visível um
aumento da erosão e da sedimentação ainda mais acentuado quando se aumenta o valor do
caudal fluvial, atingindo um valor máximo de erosão e sedimentação de sedimentos de
0,00015 m e 0,00119 m para um caudal fluvial de 200 m3/s, 0,00594 m e 0,00593 m para um
caudal fluvial de 450 m3/s, e 0,02309 m e 0,02350 m para um caudal fluvial de 700 m3/s,
respectivamente.
No cenário de cheia (figura 49), considerando um caudal fluvial de 10 000 m3/s existe
uma grande alteração da configuração de fundo do estuário, apresentando grandes valores de
erosão e de sedimentação principalmente na zona da embocadura e junto a Ponte da Arrábida.
Os valores mais elevados de erosão estão predominantemente situados no meio do canal onde
se desloca a maior parte do volume de água e a maiores velocidades, arrastando consigo os
sedimentos do leito, enquanto os valores mais elevados de sedimentação encontram-se
localizados nas margens, onde o escoamento se efectua a velocidades menores. Os valores de
erosão máximos são de 11,55 m junto à embocadura e de 10,27 m junto a Ponte da Arrábida,
enquanto os valores máximos de sedimentação são de aproximadamente 4 m nas margens da
embocadura e junto à Ponte da Arrábida.
Na figura 50 é apresentado o nível do fundo em relação ao zero hidrográfico em perfil
longitudinal referente à zona central do leito para o cenário de cheia, no início e no final da
simulação. Constata-se a criação de duas zonas profundas que chegam aos 20 m e 18 m de
profundidade localizadas na embocadura e junto à Ponte da Arrábida, resultantes da grande
erosão que ocorreu nessas zonas durante a simulação, enquanto nas margens do leito o terreno
aumentou o seu valor inicial em 4 m, o que poderá ser desfavorável para a circulação de
grandes embarcações na zona e deverá ser sujeito a dragagens.
Análise e discussão dos resultados
63
Figura 50 - Nível do leito inicial e final para o cenário 18 em relação ao zero hidrográfico
A figura 51 apresenta a localização de 6 pontos no estuário que serão alvo do estudo
da dinâmica sedimentar. A selecção de cada localização foi estabelecida nas zonas da
embocadura do estuário, onde ocorrem os valores mais elevados de erosão e sedimentação
para o caso mais genérico de ocorrência, que é apresentado pelo cenário 16. Os pontos
escolhidos serão denominados como estações de observação.
Figura 51 - Localização das estações de observação para o estudo da dinâmica sedimentar no
estuário
-25
-20
-15
-10
-5
0
526000 527000 528000 529000 530000 531000 532000 533000 534000 535000 536000
Nível inicial Nível final Cordenada x (metros)
Pro
fun
did
ad
ee
m r
ela
ção
ao
ze
ro
hid
rog
ráfi
co (
m)
SMEE PA PI PF
Capítulo - 4
64
O caudal fluvial influencia muito os valores da erosão e sedimentação dos sedimentos
não coesivos, sendo exemplo dessa influência os resultados apresentados nas figuras 52 e 53,
que representam os valores de velocidade directamente relacionadas com o caudal fluvial, e
os valores da erosão na embocadura do estuário (estação de observação 3 da figura 51), ao
longo de um período de simulação com 2 000 minutos.
Figura 52 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do
estuário para o cenário 15 (esquerda) e para o cenário 16 (direita)
Figura 53 - Valor da velocidade de fundo tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do
estuário para o cenário 17 (esquerda) e para o cenário 18 (direita)
Da análise da figura 52, é visível que os valores da erosão e sedimentação apenas se
alteram a quando da vazante do estuário, e mantêm-se constantes no momento da enchente
proporcionado pelo ciclo das marés, devendo-se ao facto de as velocidades serem superiores
no caso da vazante e por se ter considerado nula a concentração de sedimentos na fronteira
oceânica. É também evidente que quanto maior for o caudal fluvial maior será a erosão
provocada nesse local no momento da vazante. Nos gráficos da figura 53 são apresentadas as
simulações para um caudal fluvial igual a 700 m3/s e 10 000 m3/s, respectivamente,
-0,0045-0,004-0,0035-0,003-0,0025-0,002-0,0015-0,001-0,00050
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 500 1000 1500 2000
Velocidade Erosão / Sedimentação
m/s m
min
-0,012
-0,01
-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 500 1000 1500 2000
Velocidade Erosão / Sedimentação
m/s m
min
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 500 1000 1500 2000
Velocidade Erosão / Sedimentaçãomin
mm/s
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 500 1000 1500 2000
Velocidade Erosão / Sedimentação
min
mm/s
Análise e discussão dos resultados
65
observando-se em ambos os casos que a água do rio Douro encontra-se ao longo de toda a
simulação a ser descarregada para o oceano. Porém no cenário 17 (Q700), é visível que a
erosão não é sempre constante ao longo da simulação, devendo-se ao facto de no momento da
transição de preia-mar para baixa-mar as velocidades aumentarem devido ao caudal
descarregado ser maior na embocadura e diminuírem para valores inferiores na transição de
baixa-mar para preia-mar, sendo estes valores de velocidade demasiado baixos para
arrastarem as partículas de areia, provocando assim um período de tempo onde o nível do
fundo se mantém constante. É visível no gráfico da figura 53 que o valor da velocidade
necessária para arrastar as partículas de areia com as características descritas para o cenário
17, localizadas na estação de observação 3, é aproximadamente 0,3 m/s. Relativamente à
situação de cheia (Q10000) são obtidos grandes valores de velocidade devido ao grande
volume de água descarregado pelo estuário para o oceano, o que provoca constantemente
grandes erosões na embocadura do estuário.
Os gráficos das figuras 54 a 59 apresentam os valores da erosão e sedimentação para
as 6 estacoes de observação evidenciadas na figura 51, em função dos vários valores de
caudal fluvial analisados (200 m3/s, 450 m3/s, 700 m3/s e 10 000 m3/s) ao longo de um
período de simulação de 2 000 minutos.
Figura 54 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 relativos a cada caudal
fluvial
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700 min
metros
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 500 1000 1500 2000
Q10000 min
metros
Capítulo - 4
66
Figura 55 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 2 relativos a cada caudal
fluvial
Figura 56 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 relativos a cada caudal
fluvial
Figura 57 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 4 relativos a cada caudal
fluvial
0,000E+00
2,000E-03
4,000E-03
6,000E-03
8,000E-03
1,000E-02
1,200E-02
1,400E-02
1,600E-02
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700
metros
min
0
0,5
1
1,5
2
0 500 1000 1500 2000
Q10000 min
metros
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700
minmetros
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 500 1000 1500 2000
Q10000
minmetros
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700
metros
min
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 500 1000 1500 2000
Q10000
metros min
Análise e discussão dos resultados
67
Figura 58 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 relativos a cada caudal
fluvial
Figura 59 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 6 relativos a cada caudal
fluvial
Algo comum a todos os gráficos são os valores de erosão e sedimentação serem
maiores para caudais superiores, o que seria de esperar, como observado anteriormente. O
ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período de simulação
foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um valor de 0,00410 m,
0,00954 m e 0,02239 m para os caudais 200 m3/s, 450 m3/s e 700 m3/s respectivamente, e o
maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 1 a jusante da
entrada do estuário, com um valor de 0,00038 m, 0,00126 m e 0,00440 m para os caudais 200
m3/s, 450 m3/s e 700 m3/s, respectivamente, sendo estes sedimentos depositados oriundos da
erosão existente a montante.
Na figura 56 exemplo onde se obteve os maiores valores de erosão, pode-se observar
que para cada ciclo de maré no local onde se situa o ponto de observação 3 há uma erosão de
0,00159 m para um caudal fluvial de 200 m3/s, enquanto para 450 m3/s há uma erosão de
0,00348 m, sendo 2 vezes superior ao exemplo anterior, e para 700 m3/s há uma erosão de
0,00797 m, 5 vezes superior ao primeiro exemplo.
-0,0001
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
0,0008
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700 min
metros
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0 500 1000 1500 2000
Q10000
metros min
-0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,0035
0 500 1000 1500 2000
Q200 Q450 Q700
metros
min-5
-4
-3
-2
-1
0
0 500 1000 1500 2000
Q10000
minmetros
Capítulo - 4
68
Relativamente à figura 54 onde se obteve os valores de maior sedimentação, em cada
ciclo de maré há uma sedimentação de areia de 0,000153 m para um caudal fluvial de 200
m3/s, enquanto para 450 m3/s há uma erosão de 0,000485 m, sendo 3 vezes superior ao
exemplo anterior, e para 700 m3/s há uma erosão de 0,001635 m, 11 vezes superior ao
primeiro exemplo.
No caso do caudal de cheia (Q10000) apenas nas estações de observação 1 e 2 se
registam valores de sedimentação no final da simulação, com valor de 2,74 m e 1,73 m,
respectivamente, estando estas localizadas no oceano, fora do estuário do rio Douro, enquanto
para as restantes estações, todas localizadas no interior do estuário, onde outrora havia valores
de deposição dos sedimentos de areia, apenas se registam valores de erosão devido às
elevadas velocidades de escoamento que se fazem sentir na camada de fundo do rio Douro,
fazendo com que as partículas de areia sejam arrastadas em grande quantidade tanto para fora
do estuário como para as margens do leito do rio. O valor mais elevado de erosão é registado
na estação de observação numero 3 localizado na embocadura do estuário, como seria de
esperar devido ao estreitamento da seção do leito do rio proporcionado pelo quebra-mar, que
impõe um aumento da velocidade nesse local, apresentado um valor de erosão de 12,095 m,
com velocidade que variam ente os 2,8 m/s e 2,0 m/s na camada de fundo.
A figura 60 apresenta a evolução dos valores da erosão e sedimentação na foz do
estuário ao longo de um período de 10 anos, considerando um caudal fluvial de 450 m3/s,
constantes durante toda a simulação.
Observa-se um deslocamento progressivo para jusante em direcção ao oceano da
sedimentação e erosão após o quebra-mar, com um valor máximo próximo dos 5,0 m e dos
4,5 m, respectivamente, ao fim da simulação com um período de 10 anos. Estes valores
máximos não apresentam um crescimento linear ao longo do tempo, obtendo uma
sedimentação ao fim de um ano um máximo de 2,5 m, enquanto para os anos seguintes este
valor cresce para 3,5 m ao fim de 2 anos, sendo 1,4 vezes superior, 4 m ao fim de 4 anos,
sendo 1,6 vezes superior, 4,5 m ao fim de 6 anos sendo 4,9 vezes superior, 2,3 m ao fim de 8
anos, sendo 2,5 vezes superior e 5,3 m ao fim de 10 anos sendo 2,7 vezes superior ao valor
obtido no primeiro ano, apresentando assim um crescimento menor a cada ano que passa.
Análise e discussão dos resultados
69
Figura 60 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro ao longo de 10 anos
Relativamente ao nível de fundo em relação ao zero hidrográfico (figura 61) no final
do período dos 10 anos, há uma alteração significativa a jusante do quebra-mar, com uma
deposição de areia localizada que passa da cota -11,9 m para a cota -7,9 m e uma escavação
de 10,2 m para 12,5 m. No interior do estuário, apesar de haver uma sedimentação ao longo
dos 10 anos de 2 m junto a Ponte da Arrábida, a cota de fundo não sofre grandes alterações
enquanto na zona entre a Ponte da Arrábida e do quebra-mar coordenadas x 527333 m a
527800 m há uma acumulação de sedimentos que altera a cota de -7,86 m para -6,95 m.
Comparando os valores obtidos ao fim de 10 anos com um caudal constante de 450
m3/s, e os valores obtidos ao fim de 36 horas de simulação para um caudal de cheia de 10 000
m3/s (figura 49) conclui-se que o valor máximo de erosão obtido na embocadura do estuário
ao fim das 36 horas é aproximadamente 3 vezes superior ao valor obtido ao fim de 10 anos
sendo 11,55 m e 4,50 m respectivamente, o que demostra bem a grande influência que o valor
do caudal fluvial tem no valor da erosão e da sedimentação.
Simulação 19 – 1 ano Simulação 20 – 2 anos
Simulação 21 – 4 anos Simulação 22 – 6 anos
Simulação 23 – 8 anos Simulação 24 – 10 anos
Capítulo - 4
70
Figura 61 - Nível futuro do fundo em relação ao zero hidrográfico
A figura 62 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos em planta e
em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo da concentração de sedimentos
no estuário, em função dos caudais fluviais 200 m3/s, 450 m3/s, 700 m3/s e 10 000 m3/s. Estes
valores máximos de concentração de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente
ao momento da vazante com maior velocidade.
A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao
caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de
sedimentos em suspensão e sobre o fundo, e a velocidade de descarga podendo indicar que a
carga suspensa é originada do arrastamento provocado pelo escoamento.
Como seria de esperar os maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos
com caudas fluviais maiores, ocorrendo a máxima concentração no local onde se localizam os
valores de máxima velocidade próximos do quebra-mar. Os valores máximos localizados na
camada de fundo, obtidos para o caudal de 200 m3/s foram de 0,024 kg/m3, para 450 m3/s
foram de 0,047 kg/m3, para 700 m3/s, foram de 0,090 kg/m3 e para o caudal de cheia de 10
000 m3/s foram de 4,250 kg/m3 sendo este um valor bastante elevado devido ao facto de
grande quantidade dos sedimentos de areia serem arrastados pelo escoamento alterando de
forma significativa a morfologia do fundo do canal conforme observado na figura 62.
Como se pode constatar nos perfis transversais da figura 62, na superfície e no fundo o
valor da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme, aliás
o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, tendo nos
casos dos caudais de 200 m3/s, 450 m3/s e 700 m3/s um valor nulo na camada superficial,
enquanto para o caudal de cheia de 10 000 m3/s a camada superficial apresenta um valor de
0,8 kg/m3. Esta distribuição de valores da concentração deve-se essencialmente às
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
526000 526500 527000 527500 528000 528500 529000 529500 530000
Inicial 2 ano 4 ano 6 ano 8 ano 10 ano
Cordenada x (metros)
Pro
fun
did
ad
ee
m r
ela
ção
ao
ze
ro h
idro
grá
fico
(m
)
EE SM
Análise e discussão dos resultados
71
características dos sedimentos, para além das diferenças nas velocidades da corrente (sentido,
direcção e valor).
Figura 62 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal
(direita) no estuário em função do caudal fluvial
Simulação 15 - 200 m3/s Perfil transversal
Simulação 16 - 450 m3/s Perfil transversal
Simulação 17 - 700 m3/s Perfil transversal
Simulação 18 – 10000 m3/s Perfil transversal
Capítulo - 4
72
4.4.2 Acção da maré
Para se quantificar os impactos que os diferentes tipos de maré provocam no estuário,
são apresentados na figura 63 os valores da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro
para sedimentos não coesivos, ao fim de uma simulação com 36 horas, para os casos de maré
viva, maré morta e um valor intermédio da maré, com um caudal fluvial constante de 450
m3/s, sendo também apresentado uma simulação com os valores intermédios da maré ao fim
de um período de simulação com 10 anos.
Figura 63 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de maré e
valor ao fim de 10 anos
Através da análise da figura 63 é visível que quanto maior for o valor da amplitude de
maré maior será o valor da erosão e sedimentação, concluindo-se que o tipo de maré
influencia consideravelmente estes valores. A diferença de valores deve-se ao facto de que
quanto maior for a amplitude da maré maior será o volume de água que entra e é
posteriormente descarregado do estuário durante os ciclos de preia-mar e baixa-mar,
ocorrendo velocidades de escoamento maiores para marés vivas e velocidades menores para
marés mortas, provocando um maior ou menor transporte dos sedimentos.
Observa-se que os valores máximos de erosão e de sedimentação ocorrem junto ao
quebra-mar, local onde se obtêm os máximos valores de velocidade de escoamento,
registando-se 0,0640 m e 0,0064 m de sedimentação para maré viva e maré morta,
Simulação 26 - maré viva Simulação 27 - maré morta
Simulação 25 – maré intermédia Simulação 24 - maré intermédia 10 anos
Análise e discussão dos resultados
73
respectivamente, e 0,0910 m e 0,0072 m de erosão para maré viva e maré morta,
respectivamente. Conclui-se, assim, que o valor de sedimentação máximo em maré viva é 10
vezes superior ao registado em maré morta e que o valor de erosão máximo em maré viva é
13 vezes superior ao registado em maré morta, o que é bastante significativo e evidencia a
importância que o tipo de maré pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário.
Como analisado o valor de amplitude da maré influencia muito os valores da erosão e
sedimentação dos sedimentos não coesivos, sendo exemplo dessa influência os gráficos
apresentados na figura 64, que representam os valores da amplitude da maré viva e maré
morta, em correspondência com os valores da erosão na embocadura do estuário (estação de
observação 3 da figura 51), ao longo de um período de simulação com 2120 minutos.
Figura 64 - Valor da amplitude de maré tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do estuário
para o cenário 26 (esquerda) e para o cenário 27 (direita)
Nos dois gráficos da figura 64, é visível que grande parte da erosão ocorre no período
de transição de preia-mar para baixa-mar, ou seja no momento da vazante do estuário, pois é
neste momento que a velocidade do escoamento é suficientemente elevada para mobilizar os
sedimentos, como analisado anteriormente através da figura 53, e mantendo-se constante no
momento da enchente do estuário no caso de maré morta enquanto para o gráfico da maré
viva sofre uma ligeira erosão neste período, devido ao volume de água que transita para o
interior do estuário ser maior do que no caso de maré morta, o que corresponde a velocidades
mais elevadas.
É visível a diferença de valores da erosão no caso da simulação com maré viva e no
caso de maré morta, havendo uma erosão para cada ciclo de maré de aproximadamente
0,0297 m no caso de maré viva, enquanto a erosão em cada ciclo de maré é de 0,0025 m no
-0,09
-0,08
-0,07
-0,06
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 500 1000 1500 2000
Maré Viva
Erosão / Sedimentação
metros (maré) metros (E/S)
minutos-0,008
-0,007
-0,006
-0,005
-0,004
-0,003
-0,002
-0,001
0
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
0 500 1000 1500 2000
Maré MortaErosão / Sedimentação
metros (maré) metros (E/S)
minutos
Capítulo - 4
74
caso de actuar a maré morta na embocadura do estuário (estação de observação 3), o que
evidencia uma diferença 12 vezes superior na erosão na simulação de maré viva para a de
maré morta, nessa zona.
Os gráficos das figuras 65, 66 e 67 apresentam os valores da erosão e sedimentação
para as 6 estações de observação indicadas na figura 51, em função das várias amplitudes de
maré analisadas (maré viva, maré morta e valor intermédio de maré) ao longo de um período
que engloba três ciclos de maré.
Figura 65 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de
observação 2 (direita) relativo a cada tipo de maré
Figura 66 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de
observação 4 (direita) relativo a cada tipo de maré
0,000E+00
2,000E-03
4,000E-03
6,000E-03
8,000E-03
1,000E-02
1,200E-02
1,400E-02
1,600E-02
1,800E-02
0 500 1000 1500
Valor médio Maré viva Maré morta
metros
min
0,000E+00
1,000E-02
2,000E-02
3,000E-02
4,000E-02
5,000E-02
0 500 1000 1500
Valor médio Maré viva Maré morta
metros
min
-9,000E-02
-8,000E-02
-7,000E-02
-6,000E-02
-5,000E-02
-4,000E-02
-3,000E-02
-2,000E-02
-1,000E-02
0,000E+00
0 500 1000 1500 2000
Valor médio Maré viva Maré morta
metros min
-2,000E-03
0,000E+00
2,000E-03
4,000E-03
6,000E-03
8,000E-03
1,000E-02
1,200E-02
1,400E-02
1,600E-02
0 500 1000 1500 2000
Valor médio Maré viva Maré morta
metros min
Análise e discussão dos resultados
75
Figura 67 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de
observação 6 (direita) relativo a cada tipo de maré
Algo comum a todos os gráficos apresentados é a discrepância entre os valores das
simulações com maré viva e com maré morta, sendo que nas simulações que utilizam a maré
viva os valores são muito superiores em relação aos de maré morta tanto no caso de
sedimentação como no de erosão.
Segundo os resultados obtidos nas figuras anteriores é notório que os valores de erosão
e de sedimentação são similares para o caso de maré morta e para o caso do valor intermédio
da maré, podendo-se concluir que mesmo com maior velocidade na maré intermédia, essa não
é suficiente para mobilizar os sedimentos.
O ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período de
simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um valor de
0,0814 m, 0,0074 m e 0,0095 m para os casos de maré viva, maré morta, e valor intermédio
da maré, respectivamente, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de
observação número 2 a jusante da entrada do estuário, com um valor de 0,0469 m, 0,0048 m e
0,0059 m para os casos de maré viva, maré morta, e valor intermédio da maré
respectivamente, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante.
Na figura 65 estação de observação 2, exemplo onde se obteve os valores de maior
sedimentação, em cada ciclo de maré, há uma sedimentação de areia de 0,0469 m para o caso
de maré viva, enquanto para o caso de maré morta há uma sedimentação de 0,0048 m, sendo
10 vezes superior ao exemplo anterior, e para o caso do valor intermédio da maré há uma
sedimentação de 0,0059 m, 8 vezes superior ao primeiro caso.
-1,000E-03
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
6,000E-03
7,000E-03
8,000E-03
0 500 1000 1500
Valor médio Maré viva Maré morta
metros
min0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
6,000E-03
7,000E-03
8,000E-03
0 500 1000 1500Valor médio Maré viva Maré morta
min
metros
Capítulo - 4
76
A figura 68 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos de areia em
planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de concentração no
estuário, em função dos tipos de maré analisados, valor intermédio da maré, maré viva e maré
morta, correspondendo às simulações 25, 26 e 27, respectivamente. Estes valores máximos de
concentração de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da
vazante do estuário, correspondendo ao instante que se regista o maior valor da velocidade do
escoamento.
Figura 68 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal
(direita) no estuário em função do tipo de maré
Simulação 25 - valor intermédio da maré Perfil transversal
Simulação 26 - maré viva Perfil transversal
Simulação 27 - maré morta Perfil transversal
Análise e discussão dos resultados
77
Deduz-se que, os maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos com
amplitudes de maré maiores, ocorrendo a máxima concentração de sedimentos nas
proximidades do quebra-mar, onde se localizam os valores de máxima velocidade de
escoamento. Os valores máximos localizados na camada de fundo, obtidos para o caso de
maré viva foram de 0,334 kg/m3, para o caso de maré morta foram 0,0436 kg/m3, e para o
caso do valor intermédio da maré foram 0,0458 kg/m3.
Através da análise dos perfis transversais da figura 68, na superfície e no fundo o valor
da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme, ou seja o
valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, possuindo
nos casos de maré viva, maré morta e valor intermédio da maré um valor nulo na camada
superficial. Esta distribuição de valores da concentração deve-se às características dos
sedimentos, e das diferenças nas velocidades da corrente (sentido, direcção e valor), havendo
uma maior variação dos valores da concentração com o tipo de maré que atua no estuário do
que a ocorrida pela variação dos caudais fluviais, exceptuando o caso de cheia. As variações
na concentração nas seções transversais, entre as margens e o meio do canal, são também
devidas às variações de velocidade de escoamento.
As tabelas 6 e 7 representam os valores máximos da concentração de sedimentos
registados nas seis estações de observação identificadas na figura 51, para as camadas
superiores, inferiores e intermédias (camada 6), bem como o respectivo instante de tempo em
que os valores máximos ocorrem desde o início da simulação.
Os valores correspondentes às primeiras 12 horas de simulação não foram
considerados validos, devido à instabilidade dos resultados que ocorre no modelo no início da
simulação (transição de situação estática para situação dinâmica). Analisando de uma forma
geral as seis estações de observação, observa-se que os valores da camada inferior são
sensivelmente 2,4 vezes superiores aos da camada intermédia e 12,4 vezes superiores aos da
camada superior para o caso de maré viva, e os valores da camada inferior são sensivelmente
3,4 vezes superiores aos da camada intermédia e 10,1 vezes superiores aos da camada
superior para o caso de maré morta. É também observado que o instante de tempo em que os
valores máximos da concentração de sedimentos ocorrem, é sensivelmente próxima, o que
indica a ocorrência de picos de valores, em um determinado momento específico do ciclo da
maré (período de vazante ou de enchente do estuário).
Capítulo - 4
78
Tabela 6 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 1, 2 e 3
Local Maré
Estação 1 Estação 2 Estação 3
Valor
(kg/m3)
Instante Valor
(kg/m3)
Instante Valor
(kg/m3)
Instante
(h:m:s) (h:m:s) (h:m:s)
Superfície
Maré media 0,000676 28:00:00 0,000552 41:20:00 0,000135 40:40:00
Maré viva 0,011500 31:20:00 0,013100 32:00:00 0,004269 32:00:00
Maré morta 0,000328 24:40:00 0,000310 24:40:00 0,000065 25:20:00
Intermédio
Maré media 0,004211 40:40:00 0,004810 41:20:00 0,003005 40:40:00
Maré viva 0,067200 31:20:00 0,069900 32:00:00 0,041300 32:00:00
Maré morta 0,002291 25:20:00 0,003027 24:40:00 0,001842 25:20:00
Fundo
Maré media 0,009284 40:40:00 0,011700 40:40:00 0,023600 40:40:00
Maré viva 0,138600 31:20:00 0,137200 32:00:00 0,204100 32:00:00
Maré morta 0,005092 25:20:00 0,007469 25:20:00 0,015900 25:20:00
Tabela 7 - Valores máximos da concentração de sedimentos para a estação 4, 5 e 6
Local Maré
Estação 4 Estação 5 Estação 6
Valor
(kg/m3)
Instante Valor
(kg/m3)
Instante Valor
(kg/m3)
Instante
(h:m:s) (h:m:s) (h:m:s)
Superfície
Maré media 0,000687 40:40:00 0,000710 41:20:00 0,000287 40:40:00
Maré viva 0,013900 32:00:00 0,021800 32:40:00 0,005180 31:20:00
Maré morta 0,003351 25:20:00 0,000288 26:00:00 0,000144 25:20:00
Intermédio
Maré media 0,000495 40:40:00 0,005421 41:20:00 0,001601 40:40:00
Maré viva 0,066300 32:00:00 0,098200 32:40:00 0,020800 31:20:00
Maré morta 0,002754 25:20:00 0,002576 26:00:00 0,000848 25:20:00
Fundo
Maré media 0,013200 40:40:00 0,014500 41:20:00 0,003258 40:40:00
Maré viva 0,142800 32:00:00 0,199800 32:40:00 0,039100 31:20:00
Maré morta 0,007799 25:20:00 0,007377 26:00:00 0,001674 25:20:00
4.4.3 Influência da dimensão dos sedimentos
De modo a avaliar o impacto que a dimensão dos sedimentos presentes no estuário do
rio Douro têm nos valores da erosão e sedimentação, foram seleccionados três valores de
diâmetro médio dos sedimentos (D50) não coesivos, pertencentes à subclasse das areias, uma
areia grosseira (D50 igual a 750 µm), uma areia média (D50 igual a 375 µm), e uma areia fina
(D50 igual a 200 µm), e feita a simulação num período de 36 horas com uma maré de valor
intermédio e um caudal fluvial constante de 450 m3/s, estando os resultados da erosão e
sedimentação apresentados na figura 69 sendo também apresentado o valor para uma
simulação ao fim de um período de 10 anos com uma areia fina.
Análise e discussão dos resultados
79
Figura 69 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para os vários tipos de D50 e
valor ao fim de 10 anos
Através da análise da figura 69 é visível que os valores da erosão e sedimentação estão
directamente relacionados com a dimensão dos sedimentos de areia, variando consoante a
dimensão dos mesmos, ou seja valores de D50 elevados originam valores de erosão e
sedimentação baixos, enquanto valores de D50 baixos originam valores de erosão e
sedimentação elevados, devendo-se ao facto de quanto menor for a dimensão das partículas
mais facilmente são arrastadas para uma dada velocidade de escoamento.
Nas simulações realizadas (cenários 28, 29 e 30), deduz-se que os valores máximos de
erosão e de sedimentação ocorrem na proximidade do quebra-mar, local onde se obtêm os
máximos valores de velocidade de escoamento, arrastando assim maior quantidade de
sedimentos consoante a sua dimensão, registando-se um valor máximo de erosão de 0,0096 m
para um D50 igual a 200 µm, 0,0086 m para um D50 igual a 375 µm, e 0,0067 m para um D50
igual a 750 µm, enquanto para a sedimentação máxima obteve-se também na zona junto ao
quebra-mar, seguidamente à zona de máxima erosão, com um valor de 0,0060 m para um D50
igual a 200 µm, 0,0053 m para um D50 igual a 375 µm, e 0,0045 m para um D50 igual a 750
µm. Conclui-se assim que aumentando em 1,88 vezes o valor de D50 (200 µm para 375 µm),
obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão aproximadamente 1,13 e 1,12 vezes
superiores respectivamente, e que aumentando em 3,75 vezes o valor de D50 (200 µm para
750 µm), obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão 1,33 e 1,43 vezes superiores
Simulação 29 - 750 µm Simulação 30 - 375 µm
Simulação 28 - 200 µm Simulação 24 -200 µm 10 anos
Capítulo - 4
80
respectivamente, o que é bastante significativo e evidencia a importância que a dimensão dos
sedimentos pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário.
Os gráficos apresentados nas figuras 70, 71 e 72 exibem os valores da erosão e
sedimentação que ocorreram no local das 6 estações de observação evidenciadas na figura 51,
em função do diâmetro médio dos sedimentos (D50) seleccionados para uma areia grosseira,
uma areia media e uma areia fina ao longo de um período de simulação com 2 000 minutos,
que engloba três ciclos de maré.
Figura 70 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na estação de
observação 2 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos
Figura 71 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na estação de
observação 4 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0 500 1000 1500 2000
750 375 200D50 (μm) min
metros
-1,000E-03
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
6,000E-03
7,000E-03
0 500 1000 1500 2000
200 750 375D50 (μm)min
metros
-1,200E-02
-1,000E-02
-8,000E-03
-6,000E-03
-4,000E-03
-2,000E-03
0,000E+00
0 500 1000 1500 2000
200 750 375
minmetros
D50 (μm)
0,000E+00
2,000E-04
4,000E-04
6,000E-04
8,000E-04
1,000E-03
1,200E-03
1,400E-03
1,600E-03
0 500 1000 1500 2000
200 750 375
metros
D50 (μm) min
Análise e discussão dos resultados
81
Figura 72 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na estação de
observação 6 (direita) relativo a cada diâmetro médio dos sedimentos
A principal conclusão a evidenciar é que os valores de erosão e sedimentação são
maiores para dimensões de sedimentos menores, o que seria de esperar, como observado
anteriormente.
Apos a análise de todos os pontos de observação registou-se que o maior valor de
erosão ao fim do período de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do
estuário, e o maior valor de sedimentação obtido, foi na estação de observação número 2 a
jusante da entrada do estuário, sendo estes sedimentos depositados oriundos da erosão
existente a montante.
Através da análise aos dados da figura 70, referente à estação de observação 2,
exemplo onde se obteve os valores de maior sedimentação, depreende-se que em cada ciclo de
maré há uma sedimentação de 0,00217 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para o
caso de D50 igual a 375 µm há uma sedimentação de 0,00193 m, sendo 1,2 vezes inferior ao
exemplo anterior, e para o caso de D50 igual a 750 µm há uma sedimentação de 0,00155 m,
1,4 vezes inferior ao primeiro caso. Relativamente há estação de observação 3 exemplo onde
se obteve os valores de maior erosão, depreende-se que em cada ciclo de maré há uma erosão
de 0,0095 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para o caso de D50 igual a 375 µm
há uma erosão de 0,00860 m, sendo 1,1 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de
D50 igual a 750 µm há uma erosão de 0,00670 m, 1,4 vezes inferior ao primeiro caso.
É também visível na estação de observação numero 1 e na figura 69 que o valor de
sedimentação para cada ciclo de maré apresenta uma grande discrepância de valores no caso
de D50 igual a 200 µm em comparação com os outros dois diâmetros analisados, o que indica
que a pluma de sedimentação formada à saída do estuário é sensivelmente maior para o caso
-3,000E-04
-2,000E-04
-1,000E-04
0,000E+00
1,000E-04
2,000E-04
3,000E-04
0 500 1000 1500 2000
200 750 375
metros
minD50 (μm)
-1,000E-04
0,000E+00
1,000E-04
2,000E-04
3,000E-04
4,000E-04
5,000E-04
6,000E-04
7,000E-04
8,000E-04
0 500 1000 1500 2000
200 750 375D50 (μm) min
metros
Capítulo - 4
82
de D50 igual a 200 µm, ou seja quando menor for a dimensão dos sedimentos maior será o
alcance da pluma de sedimentação formada á saída da embocadura do estuário.
Na estação de observação numero 5 foram obtidos valores de sedimentação de
0,00024 m para o caso de D50 igual a 200 µm, enquanto para os casos de D50 igual a 375 µm,
e a 750 µm, ocorre erosão de 0,00015 m e 0,00025 m respectivamente, o que evidencia que a
sedimentação se efectua mais a jusante para estes dois casos, e a montante dessa zona apenas
ocorre erosão no fundo do rio.
Na figura 73 é apresentada uma comparação em planta da embocadura do estuário do rio
Douro entre a erosão/sedimentação e concentração de sedimentos do cenário 28. Na figura 74 são
apresentados os valores da concentração de sedimentos sincronizado com a erosão/sedimentação à
saída do estuário referente ao ponto de observação 3 da figura 51 para o cenário 28 e para o cenário
de cheia 18 durante um período de simulação de 2080 minutos.
Figura 73 - Comparação entre erosão/sedimentação (esquerda) e concentração de sedimentos
(direita)
Figura 74 - Valor da concentração de sedimentos tautócrono com a erosão/sedimentação à saída do
estuário para o cenário 28 (esquerda) e para o cenário 18 (direita)
-1,200E-02
-1,000E-02
-8,000E-03
-6,000E-03
-4,000E-03
-2,000E-03
0,000E+00
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0 500 1000 1500 2000
Concentração de sedimentosErosão / Sedimentação
kg/m³ metros
min
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0123456789
0 500 1000 1500 2000
Concentração de sedimentos
Erosão / Sedimentação
min
metroskg/m³
Análise e discussão dos resultados
83
Os valores de erosão/sedimentação estão directamente associados aos da concentração
de sedimentos, como se pode observar pelas figuras 73 e 74, que evidenciam que as
localizações dos valores significativos de erosão/sedimentação ocorrem nos mesmos locais do
estuário que ocorrem os valores significativos da concentração de sedimentos, e que estes
também ocorrem nos mesmos intervalos de tempo durante a simulação. A figura 73
representada em planta corresponde ao instante de tempo da vazante do estuário, minuto1640,
onde se obtém o máximo valor da concentração de sedimentos. É visível pela figura 74, no
gráfico correspondente ao cenário 28, que em ambos os casos apenas há variação dos valores
no momento da vazante do estuário período de transição de preia-mar para baixa-mar, o que
se deve à elevada velocidade de escoamento que ocorre nesse período de tempo, como visto
anteriormente, enquanto no caso de cheia há uma variação contínua dos valores para ambos os
casos devido ao elevado volume de água fluvial que é descarregada para o oceano
continuamente durante todo o período da simulação.
A figura 75 apresenta os valores da concentração máxima de sedimentos de areia em
planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de concentração no
estuário, em função do diâmetro médio dos sedimentos (D50) analisados, 200 µm, 375 µm e
750 µm, correspondendo às simulações 28, 30 e 29, respectivamente. Estes valores máximos
de concentrarão de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da
vazante do estuário, correspondendo ao minuto 1640, instante que se regista o maior valor da
velocidade do escoamento.
A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma semelhante ao
caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação entre a concentração de
sedimentos em suspensão e sobre o fundo com a velocidade de descarga e o diâmetros médios
dos sedimentos, podendo indicar que a carga suspensa é originária do arrastamento provocado
pelo escoamento.
Como seria de esperar maiores valores de concentração de sedimentos são obtidos
para diâmetros médios dos sedimentos (D50) menores, ocorrendo a máxima concentração no
local onde se localizam os valores de máxima velocidade próximos do quebra-mar. Os valores
máximos localizados na camada de fundo, obtidos para o caso de D50 igual a 200 µm foram
de 0,047 kg/m3, para o caso de D50 igual a 375 µm foram 0,025 kg/m3, e para o caso de D50
igual a 750 µm foram 0,004 kg/m3.
Capítulo - 4
84
Figura 75 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil transversal
(direita) no estuário em função da dimensão dos sedimentos
Como se pode constatar nos perfis transversais da figura 75, na superfície e no fundo
os valores da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é uniforme,
aliás o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da superfície, tendo
nos casos de D50 iguais a 200 µm, 375 µm e 750 µm um valor nulo na camada superficial,
sendo este valor nulo atingido em camadas mais profundas á medida que o diâmetro médio
dos sedimentos é maior, ou seja no caso de D50 igual a 200 µm, o valor nulo é atingido a
aproximadamente 2,5 m da superfície, enquanto no caso de D50 igual a 375 µm, o valor nulo
é atingido a aproximadamente 3,9 m da superfície, e no caso de D50 igual a 750 µm, o valor
nulo é atingido a aproximadamente 4,8 m da superfície no local referente a embocadura do
estuário (perfis transversais da figura 75). Esta distribuição de valores da concentração deve-
Simulação 28 - 200 µm Perfil transversal
Simulação 29 - 750 µm Perfil transversal
Simulação 30 - 375 µm Perfil transversal
Análise e discussão dos resultados
85
se essencialmente às características dos sedimentos de areia, como o diâmetro médio dos
sedimentos, para além da diferença do vector da velocidade (sentido, direcção e valor). As
variações na concentração nas seções transversais, entre as margens e o meio do canal, são
também devidas à velocidade de escoamento ser maior.
As figuras 77, 79 e 81, mostram os resultados obtidos para o transporte de sedimentos
no fundo e em suspensão em função do diâmetro médio dos sedimentos 200 µm, 375 µm e
750 µm respectivamente, localizados à saída do estuário, no ponto de observação apresentado
na figura 26, durante um período de simulação com 2160 minutos que engloba três ciclos de
maré. As figuras 78, 80 e 82, mostram os mesmos dados em função do diâmetro médio dos
sedimentos 200 µm, 375 µm e 750 µm, respectivamente, em planta na zona de embocadura do
estuário, no instante de tempo em que se obtêm os valores máximos durante toda a simulação,
e que corresponde à terceira vazante que ocorre no estuário durante a simulação.
Figura 76 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para
o cenário 28
Figura 77 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 28
0,00
3,00
6,00
9,00
12,00
15,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
Simulação 28 - fundo Simulação 28 - suspensão
Capítulo - 4
86
Figura 78 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para
o cenário 29
Figura 79 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 29
Figura 80 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para
o cenário 30
Figura 81 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 30
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
Simulação 29 - fundo
Simulação 29 - suspensão
Simulação 30 - fundo
Simulação 30 - suspensão
Análise e discussão dos resultados
87
Como seria de esperar o transporte mais significativo de sedimentos ocorreu na
embocadura do estuário, próximo do quebra-mar onde se encontram os valores de velocidade
de escoamento mais elevados. O segundo maior valor encontra-se junto à ermida de São
Miguel-o-Anjo, na zona mais profunda do estuário.
Através da análise das figuras 76, 78 e 80, observa-se que à medida que o diâmetro
médio dos sedimentos aumenta os valores de transporte dos sedimentos no fundo vai subindo,
e em contrapartida os valores de transporte dos sedimentos em suspensão vai baixando, o que
é compreensível pois como analisado anteriormente, a concentração de sedimentos nas
camadas superiores é menor para valores de D50 maiores. Observa-se também pelas figuras
77, 79 e 81, que apenas nos períodos de maior velocidade de escoamento, devido ao
fenómeno de vazante do estuário, os valores de transporte de sedimentos não são nulos.
4.4.4 Influência da massa volúmica dos sedimentos
Com o intuito de avaliar o impacto que a massa volúmica que os sedimentos de areia
presentes no estuário do rio Douro têm nos valores da erosão e sedimentação, foram
seleccionados três valores distintos de massa volúmica verossímeis que os sedimentos não
coesivos de areia podem apresentar, com 1900 kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800 kg/m3. Foi
posteriormente realizada uma simulação num perdido de 36 horas com uma maré de valor
intermédio, um caudal fluvial constante de 450 m3/s e um valor de diâmetro médio dos
sedimentos (D50) igual a 200 µm, correspondendo a uma areia fina, estando os resultados da
erosão e sedimentação apresentados na figura 82 sendo também apresentado o valor para uma
simulação ao fim de um período de 10 anos com uma massa volúmica de 2650 kg/m3.
Através da análise da figura 82 é visível que os valores da erosão e sedimentação estão
directamente relacionados com a massa volúmica dos sedimentos de areia, variando
consoante a densidade dos mesmos, ou seja valores de massa volúmica elevados originam
valores de erosão e sedimentação baixos, enquanto valores de massa volúmica baixos
originam valores de erosão e sedimentação elevados, devendo-se ao facto de quanto menor
for a peso das partículas mais facilmente são arrastadas para uma dada velocidade de
escoamento originada pelo volume de água circundante, do que seria para partículas de maior
dimensão, devido ao seu peso ser mais elevado.
Capítulo - 4
88
Figura 82 - Valor da erosão e sedimentação no estuário do rio Douro para as várias massas
volúmicas dos sedimentos e valor ao fim de 10 anos
É descrito e analisado mais pormenorizadamente no capítulo A do anexo, os valores
da erosão/sedimentação apresentados pela figura 82 e nas estações de observação, bem como
a concentração de sedimentos nos cenários analisados neste capítulo (cenários 31, 32 e 33).
As figuras 84, 86 e 88, mostram os dados obtidos sobre o transporte de sedimentos no
fundo e em suspensão em função da massa volúmica dos sedimentos de areia com 1900
kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800 kg/m3 respectivamente, localizados à saída do estuário, no ponto de
observação apresentado anteriormente na figura 26, durante um período de simulação com
2160 minutos que engloba três ciclos de maré. As figuras 83, 85 e 87, mostram os mesmos
dados em função da massa volúmica dos sedimentos de areia com 1900 kg/m3, 2650 kg/m3 e
2800 kg/m3 respectivamente, em planta da zona de embocadura do estuário do rio Douro, no
instante de tempo que se obtêm os valores máximos durante toda a simulação, e que
corresponde à terceira vazante que ocorre no estuário durante a simulação. Nestas simulações
foi considerado um valor de D50 igual a 200 µm.
Simulação 32 - 1900 kg/m3 Simulação 33 - 2800 kg/m3
Simulação 31 - 2650 kg/m3 Simulação 24 - 2650 kg/m3 10 anos
Análise e discussão dos resultados
89
Figura 83 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o
cenário 31
Figura 84 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 31
Figura 85 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para o cenário 32
Figura 86 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 32
0,00
3,00
6,00
9,00
12,00
15,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
Simulação 31 - fundo
Simulação 31 - suspensão
Simulação 32 - fundo
Simulação 32 - suspensão
Capítulo - 4
90
Figura 87 - Transporte de sedimentos no fundo (esquerda) e em suspensão (direita) no estuário para
o cenário 33
Figura 88 - Valor do transporte de sedimentos no fundo e em suspensão à saída do estuário para o
cenário 33
Como seria de esperar o maior transporte de sedimentos ocorreu na embocadura do
estuário, próximo do quebra-mar onde se encontram os valores de velocidade de escoamento
mais elevados. O segundo maior valor encontrasse junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, na
zona mais profunda do estuário.
Através da análise das figuras 83, 85 e 87, observa-se que à medida que o valor da
massa volúmica dos sedimentos de areia aumenta os valores de transporte de sedimentos no
fundo e em suspensa vão diminuindo de valor, o que é compreensível visto que com o
aumento da massa volúmica as partículas de sedimentos exigem maior esforço para passaram
de um estado estático para um estado dinâmico. Observa-se também pelas figuras 84, 86 e 88,
que apenas nos períodos de maior velocidade de escoamento, devido ao fenómeno de vazante
do estuário, os valores de transporte de sedimentos não são nulos.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
0 500 1000 1500 2000
Transporte
de
sedimentos
no fundo
Transporte
de
sedimentos
em
suspensão
cm3/s/m
minutos
Simulação 33 - fundo
Simulação 33 - suspensão
Análise e discussão dos resultados
91
4.5 Análise no caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura
De modo a analisar o comportamento do escoamento e da dinâmica sedimentar no
estuário do rio Douro sem as estruturas de defesa na embocadura (quebra-mar e molho norte),
para um caso hipotético de colapso das estruturas ou com o objetivo de efectuar uma análise
ao historial destes comportamentos antes da construção recente do quebra-mar (2004 a 2008),
foram retirados do modelo os molhes norte e sul da embocadura, e mantido todas as restantes
características do modelo do estuário, descritas anteriormente no capitulo 3 referente à
construção do modelo.
4.5.1 Análise Hidrodinâmica
As figuras 89 (caudal fluvial de 450 m3/s) e 90 (caudal fluvial de 10000 m3/s)
apresentam as elevação da superfície ao longo do tempo de simulação, em relação ao zero
hidrográfico, na estação de observação localizada à saída do estuário (figura 26), para os
casos de ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa, atuado no estuário um valor
intermédio de maré.
Figura 89 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 34 e 16
Figura 90 - Elevação da superfície ao longo do tempo para o para os cenários 35 e 18
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
0 500 1000 1500 2000 2500
Com
quebra-mar
Sem
quebra-mar
metros
minutos
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
0 500 1000 1500 2000 2500
Com
quebra-mar
Sem
quebra-mar
metros
minutos
Capítulo - 4
92
O principal aspecto a reter na análise dos gráficos de elevação de superfície, é a
diferença de amplitudes entre os dois tipos de cenários com estruturas e sem estruturas de
defesa no local de observação, para o caso de caudal de cheia de 10 000 m3/s, apresentando
uma diminuição de aproximadamente 0,5 m nos instantes de preia-mar e baixa-mar no caso de
ruptura em comparação ao caso da estrutura se manter intacta, pelo que indicia uma maior
resistência ao escoamento neste ultimo caso, provocando um aumento do nível da água no
interior do estuário. Para um caudal fluvial médio anual de 450 m3/s os valores da elevação da
superfície mantêm-se análogos para os dois casos de estudo ao longo de todo o período de
simulação.
Na comparação entre os dois cenários analisados, com ruptura e sem ruptura das
estruturas de defesa, para os restantes locais do estuário, no caso de um caudal fluvial médio
anual de 450 m3/s, os valores do nível de água mantêm-se análogos no momento de baixa-
mar, e sofrem uma ligeira diminuição no caso da ausência das estruturas a quando do
momento de preia-mar, para montante da embocadura. No caso de cheia, para um caudal de
10 000 m3/s, escoado pelo rio Douro, os valores de nível de água sofrem uma moderada
diminuição no caso da ausência das estruturas de defesa para montante da embocadura, em
todos os instantes da simulação (baixa-mar e preia mar).
Estas características estão esplanadas na figura 91 que representa em planta a altura da
superfície de água no estuário em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de caudal fluvial
médio anual e caudal de cheia com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa em relação
ao zero hidrográfico.
Análise e discussão dos resultados
93
Figura 91 - Nível de água em baixa-mar e em preia-mar para os cenários de ruptura (esquerda) e
sem ruptura (direita) das estruturas de defesa
Na figura 92 são apresentados os valores da velocidade superficial em planta no caso
de ruptura das estruturas de defesa, e em perfil longitudinal para os dois casos de ruptura e
sem ruptura, compreendidos entre o oceano e a Ponte do Freixo, para o momento de
ocorrência da máxima velocidade correspondente à vazante do estuário após a preia-mar,
considerando um caudal fluvial de 450 m3/s.
Simulação 34 – baixa-mar - 450 m3/s Simulação 16 – baixa-mar - 450 m3/s
Simulação 34 – preia-mar - 450 m3/s Simulação 16 – preia-mar - 450 m3/s
Simulação 35 – baixa-mar - 10000 m3/s Simulação 18 – baixa-mar - 10000 m3/s
Simulação 35 – preia-mar - 10000 m3/s Simulação 18 – preia-mar - 10000 m3/s
Capítulo - 4
94
Figura 92 - Velocidade superficial em planta (cima) e em perfil longitudinal (baixo) do estuário
para um caudal fluvial de 450 m³/s (cenário 34)
Neste cenário a remoção das estruturas de defesa, provoca uma diminuição acentuada
de velocidade localizada à entrada do estuário, com o valor máximo da velocidade de 0,93
m/s a diminuir para 0,59 m/s, ou seja 1,6 vezes inferior, devido ao alargamento da seção do
rio. Deste modo a velocidade máxima localizada no estuário encontra-se entre a Ponte do
Infante e a Ponte do Freixo (na coordenada x 534466), com um valor de 0,78 m/s, e a
velocidade máxima junto à embocadura encontra-se mais a montante que no cenário de não
ruptura das estruturas, na zona mais profunda do estuário junto à ermida de São Miguel-o-
Anjo (na coordenada x 527911), com um valor de 0,73 m/s. Para montante do quebra-mar ate
à Ponte do Freixo os valores da velocidade superficial são análogos em ambas as situações de
ruptura e de não ruptura das estruturas de defesa. Verifica-se também que a direcção do jacto
e consequentemente a forma como este se dispersa no oceano, é fortemente influenciada pelas
estruturas de defesa, sendo que no caso de ruptura o jacto é desviado para oeste em forma de
pluma alongada.
No capítulo B do anexo são apresentados pormenores relativos à análise
hidrodinâmica da velocidade horizontal na embocadura e em profundidade em maior
pormenor para o caso de ruptura das estruturas de defesa.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
526000 528000 530000 532000 534000
Com
quebra-mar
Sem
quebra-mar
Ve
loci
da
de
(m
/s)
Cordenada x(m)
SM PA PI PF
Análise e discussão dos resultados
95
4.5.2 Análise à dinâmica sedimentar
Para se quantificar os impactos que a ruptura das estruturas de defesa na embocadura
provocam nos valores da erosão e sedimentação relativos ao estuário do rio Douro, são
apresentados na figura 93 os referidos valores, para sedimentos não coesivos, ao fim de um
período de simulação com 36 horas, para os casos de caudal médio anual de 450 m3/s e para o
caudal de cheia de 10 000 m3/s, comparando os cenários com ruptura e sem ruptura das
estruturas de defesa. São também apresentados os valores finais da erosão e sedimentação ao
fim de um período de simulação com 10 anos, com um caudal fluvial médio anual constante
de 450 m3/s para os cenários com ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa. Em todas as
simulações em análise é aplicado o valor intermédio da maré.
Figura 93 - Valor da erosão e sedimentação no estuário para os cenários de ruptura e sem ruptura
das estruturas de defesa e ao fim de 10 anos
Simulação 34 – sem estruturas (450 m3/s) Simulação 16 – com estruturas (450 m3/s)
Simulação 35 – sem estruturas (10000 m3/s) Simulação 18 – com estruturas (10000 m3/s)
Simulação 36 – sem estruturas (10 anos) Simulação 24 – com estruturas (10 anos)
Capítulo - 4
96
Através da análise da figura 93 é visível que para os cenários de ruptura das estruturas
de defesa, os valores da erosão e sedimentação são menores, o que seria de esperar uma vez
que esta situação reduz a velocidade de escoamento na embocadura do estuário.
Os valores máximos de erosão e sedimentação apos ruptura ocorrem mais a montante
do quebra-mar, na zona mais profunda do estuário junto à ermida de São Miguel-o-Anjo,
enquanto para o caso de não ruptura os valores máximos ocorrem mais a jusante que a
situação anterior, junto ao quebra-mar no local onde se obtêm os valores de máxima
velocidade. Sendo um dos principais objectivos que levaram à construção do quebra-mar a
redução dos valores da erosão e sedimentação no interior do estuário, de modo a reduzir a
necessidade de futuras dragagens, é apurado pelos resultados obtidos que esta intenção é
obtida com sucesso a longo prazo.
A figura 94 apresenta os valores de concentração máxima de sedimentos de areia na
camada de fundo, localizados na foz do estuário, para os casos de ruptura e sem ruptura das
estruturas de defesa na embocadura, em função do caudal médio anual de 450 m3/s e do
caudal de cheia de 10 000 m3/s, considerando um valor intermédio da maré. Estes valores
máximos de concentrarão de sedimentos foram obtidos no instante de tempo referente ao
momento da vazante do estuário, correspondendo ao instante que se regista o maior valor da
velocidade do escoamento.
Figura 94 - Concentração máxima de sedimentos no estuário para os cenários de ruptura e sem
ruptura das estruturas de defesa
Simulação 34 – sem estruturas (450 m3/s)
Simulação 16 – com estruturas (450 m3/s)
Simulação 35 – sem estruturas (10000 m3/s) Simulação 18 – com estruturas (10000 m3/s)
Análise e discussão dos resultados
97
Através da análise da figura 94 é visível que o valor mais elevado da concentração de
sedimentos para o caudal médio anual de 450 m3/s, é obtido na situação de não ruptura das
estruturas de defesa, e contrariamente, no caso de caudal de cheia de 10 000 m3/s, o valor
mais elevado de concentração de sedimentos ocorre na situação de ruptura das estruturas de
defesa localizando-se junto ao quebra-mar.
Verifica-se também que a direcção do jacto de concentração de sedimentos e
consequentemente a forma como este se dispersa no oceano, é fortemente influenciada pelas
estruturas de defesa, sendo que no caso de ruptura o jacto é desviado para oeste em forma de
pluma alongada, enquanto no caso de não ruptura este é desviado para sudoeste.
No capítulo B do anexo é descrito mais pormenorizadamente os valores da
erosão/sedimentação e concentração de sedimentos nos cenários de ruptura e não ruptura das
estruturas de defesa analisados anteriormente.
99
5
5. Conclusões e sugestões para trabalhos futuros
5.1 Conclusões
Este trabalho teve como objectivo principal a análise da hidrodinâmica,
recorrendo a um modelo de circulação tridimensional em situações normais e
excepcionais, e a caracterização da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro,
suportadas por ferramentas de modelação matemática.
Para cumprir estes objectivos houve a necessidade de aprendizagem e de
desenvolver uma caracterização pormenorizada das ferramentas de modelação
hidrodinâmicas e de dinâmica sedimentar. Foram concebidos uma série de cenários,
possíveis de ocorrerem com interesse para uma análise e investigação das características
hidrodinâmicas e de sedimentação erosão no estuário do rio Douro.
Perante os resultados obtidos e analisados, este estudo possibilitou retirar as
seguintes conclusões:
Retiram-se as seguintes conclusões gerais do trabalho desenvolvido:
� A aplicação de modelos matemáticos ao estudo da hidrodinâmica e da
dinâmica sedimentar em zonas estuarinas, demonstrou que esta
ferramenta de modelação matemática (Delft3D) é particularmente útil
para a análise destes sistemas aquáticos. A calibração e validação destes
modelos através de dados obtidos por medições, e de características e
comportamentos das massas de água intrínsecas ao estuário, permite
construir poderosos meios informáticos de grande utilidade na análise e
investigação relativamente às áreas da hidrodinâmica e da dinâmica
sedimentar nos sistemas estuarinos.
� Através da análise hidrodinâmica pode-se deduzir que a velocidade do
escoamento no estuário do rio Douro depende com maior importância e
Capítulo - 5
100
relevância de dois factores que são o caudal descarregado pela barragem
de Crestuma, e o tipo de maré que actua no estuário. O caudal porque
quanto maior o volume de água descarregado pela barragem de Crestuma
num dado intervalo de tempo, maior será a velocidade de escoamento
numa dada secção do canal do rio Douro. A maré porque quanto maior
for a amplitude de maré maior será o volume de água oceânica que é
deslocada durante o período de enchente e de vazante do estuário,
gerando velocidades de escoamento mais elevadas. Os valores máximos
da velocidade de escoamento localizam-se na zona junto ao quebra-mar,
devido à redução da secção transversal.
� Os valores associados à dinâmica sedimentar estão inteiramente
dependentes das condicionantes hidrodinâmicas anteriormente referidas
como o caudal fluvial e a amplitude da maré, registando-se durante o
período da vazante uma maior concentração de sedimentos relativamente
à enchente, o que sugere que nem toda a quantidade de sedimentos volta
com a enchente da maré, uma grande parte parece capaz de avançar em
direcção à embocadura. A descarga fluvial apresenta-se como factor
chave para os sedimentos saírem do estuário para o oceano, sendo que
nos cenários de cheia a morfologia de fundo do rio é completamente
alterada, devido à descarga de grandes quantidades de água em tempo
reduzido. Os resultados da erosão, sedimentação e concentração de
sedimentos são também amplamente condicionados pelas características
dos sedimentos não coesivos, como o diâmetro médio dos sedimentos e a
sua massa volúmica. Os valores mais elevados de erosão e sedimentação
ocorrem na mesma zona que os valores mais elevados da concentração
de sedimentos, junto ao quebra-mar, onde se registam os valores
máximos da velocidade de escoamento, estando directamente
relacionados.
� Da análise de ruptura das estruturas de defesa, podemos afirmar que o
seu colapso origina velocidades de escoamento, erosões/sedimentações e
consequentemente valores da concentração de sedimentos menores no
estuário do rio Douro, alterando a localização onde estes valores
máximos ocorrem para a zona mais profunda do estuário junto à ermida
de São Miguel-o-Anjo ao invés de ocorrerem mais a jusante na zona
junto ao quebra-mar. Para situações de cheia, observa-se uma diminuição
Conclusões
101
considerável dos valores de nível da água junto à embocadura do estuário
em relação ao cenário de não ruptura.
Salientam-se as seguintes conclusões específicas relativamente à análise
hidrodinâmica:
� À saída do estuário do rio Douro, registou-se uma diferença de amplitude
da maré de aproximadamente um metro em relação à maré morta e maré
viva.
� Relativamente à altura da água, é exposta uma grande área da restinga no
momento de baixa-mar, sendo esta maior ou menor conforme seja maré
viva ou maré morta criando assim um grande banco de areia na parte sul
do estuário, sendo posteriormente coberta parcialmente na transição para
preia-mar, mas não totalmente coberta criando assim uma barreira ao
escoamento da água do rio Douro para o oceano, que se processa sempre
na parte norte do estuário para as situações de caudal médio anual, em
anos húmidos e em anos secos, que são descarregados pela barragem de
Crestuma. No caso de caudal de cheia, de 10 000 m3/s, escoado pelo rio
Douro, a restinga é submersa quase na sua totalidade.
� Os valores mais elevados da velocidade ocorrem na parte superior da
embocadura do estuário devido ao estreitamento da seção transversal
gerado pela presença do quebra-mar, enquanto na parte inferior da
embocadura no interior do estuário a velocidade é muito próxima do
valor nulo.
� São visíveis dois vórtices posteriores à embocadura do estuário, um na
direcção anti-horária e outro na direcção horaria a sul e a norte do jacto
de água, respectivamente.
� Em todo o desenvolvimento do estuário do rio Douro, desde o oceano até
à barragem de Crestuma, são evidenciadas quatro zonas onde a
velocidade atinge picos. A principal zona onde este fenómeno acontece é
na entrada do estuário devido ao estreitamento da seção gerada pela
presença do quebra-mar, e onde ocorrem os valores mais elevados da
velocidade de escoamento, o segundo pico de velocidade ocorre na zona
mais profunda do estuário que se situa perto da ermida de São Miguel-o-
Anjo, o terceiro pico ocorre junto à Ponte da Arrábida e o quarto pico
ocorre entre a Ponte do Infante e a Ponte do Freixo.
Capítulo - 5
102
� Constatou-se que não ocorre a inversão do sentido de escoamento na
situação de maré viva, para caudais fluviais superiores a 1200 m3/s, e em
mare morta para caudais fluviais igual ou superiores a 700 m3/s.
� Os valores superiores da velocidade ocorrem à superfície, e vão
diminuindo com a profundidade, de uma forma menos acentuada até
aproximadamente metade da altura da coluna de água, acentuando-se
cada vez mais à medida que a profundidade aumenta
Salientam-se as seguintes conclusões específicas relativamente à análise da
dinâmica sedimentar:
� As zonas que apresentam maiores valores de erosão e sedimentação estão
localizadas junto à embocadura (sendo esta a que apresenta valores mais
elevados), a jusante da Ponte da Arrábida e ente a Ponte do Infante e a
Ponte do Freixo.
� O transporte de sedimentos é feito predominantemente em direcção ao
mar para todos os cenários considerados, e é visível a existência de
erosão localizada no início do quebra-mar, seguido de uma deposição de
sedimentos formando um banco de areia a jusante deste, que vai
reduzindo de valor à medida que se desloca para o oceano devido as
correntes tenderem a ser de menor intensidade.
� No cenário de cheia com caudal de 10 000 m3/s existe uma grande
alteração da configuração de fundo do estuário, apresentando grandes
valores de erosão e de sedimentação principalmente na zona da
embocadura e junto a Ponte da Arrábida. Os valores mais elevados de
erosão estão predominantemente situados no meio do canal onde se
desloca a maior parte do volume de água e a maiores velocidades,
arrastando consigo os sedimentos do leito, enquanto os valores mais
elevados de sedimentação encontra-se localizado nas margens.
� Relativamente à profundidade em relação ao zero hidrográfico do leito
do rio referente à zona central do leito para o cenário de cheia constata-se
a criação de duas zonas profundas que chegam aos 20 m e 18 m de
profundidade localizadas na embocadura e junto à Ponte da Arrábida,
oriundas da grande erosão que ocorreu nessas zonas durante a simulação,
enquanto nas margens do leito o fundo eleva-se em 4 m relativamente à
Conclusões
103
posição inicial, o que poderá ser desfavorável para as condições de
navegabilidade.
� É conclusivo que os valores da erosão, sedimentação e concentração de
sedimentos apenas se alteram a quando da vazante do estuário, e
mantêm-se constantes no momento da enchente proporcionado pelo ciclo
das marés, devendo-se ao facto de as velocidades de escoamento serem
superiores no período da vazante.
� Os valores de velocidade são demasiado baixos no momento da enchente
do estuário, para arrastarem as partículas de areia na zona do quebra-mar,
provocando assim um período de tempo onde o fundo se mantém
constante. É perceptível que o valor da velocidade necessária para
arrastar as partículas de areia com as características descritas para o
cenário 17, localizadas à saída do estuário junto ao quebra-mar (estação
de observação 3), é aproximadamente 0,3 m/s. Relativamente ao caudal
de cheia, de 10 000 m3/s são obtidos grandes valores de velocidade
devido ao grande volume de água descarregado pelo estuário para o
oceano, o que provoca constantemente grandes erosões na embocadura
do estuário.
� A concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de forma
semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte
relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o
fundo e a velocidade de descarga.
� O valor da concentração de sedimentos divergem da superfície para o
fundo do canal do rio, e a sua distribuição não é uniforme, aliás o valor
vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da
superfície, tendo nos casos de caudal médio anual, em anos húmidos e
em anos secos um valor próximo de nulo na camada superficial,
enquanto para o caudal de cheia de 10 000 m3/s a camada superficial
apresenta um valor de aproximadamente 0,8 kg/m3. Esta distribuição de
valores da concentração deve-se essencialmente às características dos
sedimentos, para além das diferenças nas correntes (sentido, direcção e
valor das velocidades).
� Algo comum aos cenários da maré analisados é a discrepância entre os
valores das simulações com maré viva e com maré morta, sendo que nas
simulações que utilizam a maré viva os valores são muito superiores em
Capítulo - 5
104
relação aos de maré morta tanto no caso de sedimentação como no de
erosão.
� Registou-se que à medida que o diâmetro médio dos sedimentos aumenta
os valores de transporte de sedimentos no fundo vão subindo de valor, e
em contrapartida os valores de transporte de sedimentos em suspensão
vão baixando de valor, enquanto no caso da alteração da massa volúmica
os valores de transporte de sedimentos no fundo e em suspensão vão
diminuindo de valor à medida que o valor da massa volúmica dos
sedimentos aumenta. Apenas nos períodos de maior velocidade de
escoamento, devido ao fenómeno da vazante do estuário, os valores de
transporte de sedimentos não são nulos.
5.2 Sugestões para trabalhos futuros
Como sugestões para trabalhos futuros, salienta-se a realização de análises às
condições hidrodinâmicas e de dinâmica sedimentar para um período de tempo maior.
Seria interessante fazer a conceção de um modelo local do estuário, sendo o seu
domínio meramente a região da restinga, com objetivo de construir uma grelha onde se
obtivesse um grande refinamento desse local, permitindo deste modo uma análise
mais pormenorizada à dinâmica sedimentar do banco de areia do cabedelo.
Uma outra sugestão passa por fazer o mesmo estudo implementando no modelo,
a acção de correntes termohalinas e de estratificação térmica, a acção das ondas, e do
vento, que provocam movimentos das massas de água importantes para o estudo da
hidrodinâmica e da dinâmica sedimentar no estuário do rio Douro.
Relativamente ao tipo de sedimentos analisados, era importante ser feito um
estudo mais abrangente, contemplando sedimentos coesivos, possibilitando o estudo da
floculação, para a determinação de tamanho e densidade dos flocos, em condições
hidrodinâmicas diversas, o estudo de deposição de sedimentos coesivos no estuário, e a
determinação das propriedades de erosão de sedimentos coesivos quando submetidos a
diversos tipos de escoamentos.
Sugere-se também que se faça uma previsão do aumento que o nível médio da
água do mar poderá alcançar no futuro, devido às alterações climáticas, e aplicar os
Conclusões
105
resultados dessa previsão no modelo, tendo como objetivo saber quais as zonas
inundadas do estuário, o desempenho que o quebra-mar apresentará, e o comportamento
que o banco de areia do cabedelo irá ter em diferentes condições hidrodinâmicas.
Por fim, teria interesse ainda a criação de uma plataforma de modelação
operacional em ambiente Web suportada no modelo implementado que permita a
visualização dos resultados de simulações em ambiente Web e a interação com o
modelo instalado num servidor remoto, definindo-se e accionando-se a execução remota
de novas simulações o que permitiria a partilha e divulgação dos resultados obtidos.
106
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Anexo
111
Anexo
Anexo
A. Influência da massa volúmica dos sedimentos na análise da dinâmica sedimentar
Nas simulações realizadas (cenários 31, 32 e 33), apresentados anteriormente na
figura 82, observa-se que os valores máximos de erosão e de sedimentação ocorrem
junto ao quebra-mar, local onde se obtêm os valores máximos da velocidade de
escoamento, arrastando assim maior quantidade de sedimentos de areia consoante a sua
massa volúmica, registando-se um valor máximo de erosão de 0,0290 m para uma
massa volúmica igual a 1900 kg/m3, 0,0095 m para uma massa volúmica igual a 2650
kg/m3, e 0,0082 m para uma massa volúmica igual a 2800 kg/m3, enquanto para a
sedimentação obteve-se também na zona do junto ao quebra-mar a jusante dos valores
máximos de erosão, com um valor máximo de 0,016 m para uma massa volúmica igual
a 1900 kg/m3, 0,006 m para uma massa volúmica igual a 2650 kg/m3, e 0,005 m para uma
massa volúmica igual a 2800 kg/m3. Concluísse assim que aumentando em 1,4 vezes o
valor da massa volúmica (1900 kg/m3 para 2650 kg/m3), obteve-se um valor máximo de
sedimentação e erosão são 2,7 e 3,1 vezes superiores respectivamente, e que
aumentando em 1,5 vezes o valor da massa volúmica (1900 kg/m3 para 2800 kg/m3),
obteve-se um valor máximo de sedimentação e erosão 3,2 e 3,5 vezes superiores
respectivamente, o que é bastante significativo e evidencia a importância que a massa
volúmica dos sedimentos pode exercer sobre a erosão e sedimentação no estuário.
Os gráficos apresentados nas figuras 95, 96 e 97 exibem os valores da erosão e
sedimentação que ocorreram no local das 6 estacoes de observação evidenciadas na
figura 51, em função da massa volúmica dos sedimentos de areia seleccionadas (1900
kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800 kg/m3) ao longo de um período de simulação com 2000
minutos, que engloba três ciclos de maré.
Anexo
112
Figura 95 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 1 (esquerda) e na
estação de observação 2 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos
Figura 96 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 3 (esquerda) e na
estação de observação 4 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos
Figura 97 - Valor da erosão/sedimentação na estação de observação 5 (esquerda) e na
estação de observação 6 (direita) relativo a cada massa volúmica dos sedimentos
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
6,000E-03
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800 min
metros
0,000E+00
2,000E-03
4,000E-03
6,000E-03
8,000E-03
1,000E-02
1,200E-02
1,400E-02
1,600E-02
1,800E-02
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800 min
metros
-3,500E-02
-3,000E-02
-2,500E-02
-2,000E-02
-1,500E-02
-1,000E-02
-5,000E-03
0,000E+00
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800
minmetros
0,000E+00
1,000E-03
2,000E-03
3,000E-03
4,000E-03
5,000E-03
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800 min
metros
-2,000E-04
-1,000E-04
0,000E+00
1,000E-04
2,000E-04
3,000E-04
4,000E-04
5,000E-04
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800 min
metros
0,000E+00
5,000E-04
1,000E-03
1,500E-03
2,000E-03
2,500E-03
3,000E-03
3,500E-03
0 500 1000 1500 2000
d2650 d1900 d2800 min
metros
Anexo
113
Algo comum a todos os gráficos apresentados são os valores de erosão e
sedimentação serem maiores para massas volúmicas de sedimentos de areia menores, o
que seria de esperar, como observado anteriormente.
O ponto de observação onde se obteve o maior valor de erosão ao fim do período
de simulação foi na estação de observação 3 localizada à entrada do estuário com um
valor de 0,02898 m, 0,00954 m e 0,00818 m para os casos de massa volúmica igual a
1900 kg/m3, 2650 kg/m3, e 2800 kg/m3 respectivamente, e o maior valor de sedimentação
obtido, foi na estação de observação número 2 a jusante da entrada do estuário, com um
valor de 0,01598 m, 0,00592 m e 0,00507 m para os casos de massa volúmica dos
sedimentos igual a 1900 kg/m3, 2650 kg/m3, e 2800 kg/m3 respectivamente, sendo estes
sedimentos depositados oriundos da erosão existente a montante.
Na figura 95 estação de observação 2, exemplo onde se obteve os valores de
maior sedimentação, em cada ciclo de maré, há uma sedimentação de areia de 0,00593
m para o caso de massa volúmica igual a 1900 kg/m3, enquanto para o caso de massa
volúmica igual a 2650 kg/m3 há uma sedimentação de 0,00217 m, sendo 2,7 vezes
inferior ao exemplo anterior, e para o caso de massa volúmica igual a 2800 kg/m3 há uma
sedimentação de 0,00187 m, 3,2 vezes inferior ao primeiro caso. Relativamente há
estação de observação 3 exemplo onde se obteve os valores de maior erosão, em cada
ciclo de maré, há uma erosão de 0,01063 m para o caso de massa volúmica igual a 1900
kg/m3, enquanto para o caso de massa volúmica igual a 2650 kg/m3 há uma erosão de
0,00348 m, sendo 3,1 vezes inferior ao exemplo anterior, e para o caso de massa
volúmica igual a 2800 kg/m3 há uma erosão de 0,00299 m, 3,6 vezes inferior ao primeiro
caso.
Na estação de observação número 5 ocorre uma erosão seguida de sedimentação
em cada ciclo de maré, obtendo-se valores de erosão de aproximadamente 0,000098 m,
0,000020 m e 0,000017 m, e valores de sedimentação de aproximadamente 0,000230 m,
0,000120 m e 0,000095 m para as massas volúmicas dos sedimentos de valor igual a
1900 kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800 kg/m3 respectivamente, durante cada ciclo de maré.
A figura 98 apresenta os valores da concentração máxima de sedimentos de areia
em planta e em perfil transversal da zona onde se registou o valor máximo de
concentração no estuário do rio Douro, em função da massa volúmica dos sedimentos
de areia analisados, 1900 kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800 kg/m3, correspondendo às simulações
Anexo
114
32, 31 e 33 respectivamente. Estes valores máximos de concentrarão de sedimentos
foram obtidos no instante de tempo referente ao momento da vazante do estuário,
instante que se regista o maior valor da velocidade do escoamento.
Figura 98 - Concentração máxima de sedimentos em planta (esquerda) e em perfil
transversal (direita) no estuário em função da massa volúmica dos sedimentos
Verificou-se que a concentração de sedimentos variou ao longo do tempo de
forma semelhante ao caudal descarregado na embocadura, havendo uma forte relação
entre a concentração de sedimentos em suspensão e sobre o fundo com a velocidade de
descarga e a massa volúmica dos sedimentos, podendo indicar que a carga suspensa é
originária do arrastamento provocado pelo escoamento.
Simulação 31 - 2650 kg/m3 Perfil transversal
Simulação 32 - 1900 kg/m3 Perfil transversal
Simulação 33 - 2800 kg/m3 Perfil transversal
Anexo
115
Como seria de esperar maiores valores de concentração de sedimentos são
obtidos para massas volúmicas dos sedimentos menores, ocorrendo o valor de máxima
concentração no local onde se localizam os valores de velocidade máxima próximos do
quebra-mar. Os valores máximos de concentração de sedimentos localizados na camada
de fundo, obtidos para o caso de massa volúmica igual a 1900 kg/m3 foram de 0,092
kg/m3, para o caso de massa volúmica igual a 2650 kg/m3 foram 0,046 kg/m3, e para o
caso de massa volúmica igual a 2800 kg/m3 foram 0,041 kg/m3.
Como se pode constatar nos perfis transversais da figura 98, na superfície e no
fundo o valor da concentração de sedimentos são diferentes e a sua distribuição não é
uniforme, aliás o valor vai diminuindo consideravelmente à medida que se aproxima da
superfície, tendo nos casos de massa volúmica iguais a 1900 kg/m3, 2650 kg/m3 e 2800
kg/m3 um valor nulo na camada superficial, sendo este valor nulo atingido em camadas
mais profundas á medida que a massa volúmica dos sedimentos é maior. Esta
distribuição de valores da concentração deve-se essencialmente às características dos
sedimentos de areia, como a massa volúmica dos sedimentos, para além da diferença do
vector da velocidade (sentido, direcção e valor). As variações na concentração nas
seções transversais, entre as margens e o meio do canal, são também devidas à
velocidade de escoamento ser maior.
B. Análise ao caso de ruptura das estruturas de defesa na embocadura
Os gráficos das figuras 99 a 100 apresentam os resultados da velocidade
superficial à saída do estuário, na estação de observação representada na figura 26, para
os caudais fluviais de 450 m3/s e 10 000 m3/s, ao longo de um período de tempo com
2870 minutos de simulação, combinando os dois tipos de situação em análise, com
ruptura e sem ruptura das estruturas de defesa.
A principal característica que se pode constatar pela análise aos gráficos é a
velocidade do escoamento diminuir após a ruptura das estruturas de defesa, visto que
quanto maior for a secção transversal da embocadura do estuário, menor será a
velocidade de escoamento, sendo esta característica notória na diferença de valores
entre as curvas sem ruptura e com ruptura das estruturas de defesa, chegando a uma
diferença máxima de 0,33 m/s e 1,33 m/s, para os caudais fluviais de 450 m3/s e 10 000
m3/s respectivamente, ocorrendo em instantes de tempo diferentes, em preia-mar para o
Anexo
116
caudal médio anual e em baixa-mar para o caudal de cheia. À semelhança do que
acontecia nos cenários sem ruptura das estruturas de defesa apenas no cenário de caudal
de cheia é que não existe mudança na direcção do escoamento.
Figura 99 - Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de 450 m³/s sem
ruptura e com ruptura das estruturas de defesa
Figura 100 - Velocidade superficial na entrada do estuário para o caudal de 10000 m³/s sem
ruptura e com ruptura das estruturas de defesa
Na figura 101 são apresentados os gráficos correspondentes à variação da
velocidade horizontal com a profundidade no instante de ocorrência da velocidade
máxima na camada superficial, para o caudal médio anual e para o caudal de cheia,
considerando o cenário de ruptura das estruturas de defesa, correspondendo cada curva
às estações de observação representadas na figura 41.
As curvas expostas em ambos os gráficos apresentam todas valores superiores
para a velocidade na camada superficial, devido ao instante de tempo corresponder à
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 500 1000 1500 2000 2500
Sem quebra-mar Com quebra-mar
minutos
Ve
loci
da
de
(m
/s)
0
1
2
3
4
5
6
0 500 1000 1500 2000 2500
Sem quebra-mar Com quebra-mar
Ve
loci
da
de
(m
/s)
minutos
Anexo
117
vazante da água contida no estuário, e não ter sido considerado no cálculo o efeito do
vento que poderia de alguma forma transmutar os valores das curvas.
Com a excepção da estação 5 os valores das curvas à medida que se aproximam
do oceano vão diminuindo, contrariamente ao que ocorria no caso de não ruptura,
devido à velocidade máxima na embocadura se encontrar mais para jusante, próximo da
estação de observação 4, sendo por este motivo esta a curva que apresenta uma
curvatura superior na passagem da penúltima camada para a ultima, com o atenuante da
acção da maré que se desloca na mesma direcção ao do escoamento fluvial para este
instante de tempo, e sendo que este será introduzindo no estuário pelas camadas mais
profundas.
Figura 101 - Perfil vertical de velocidade em cada estação para o caudal de 450 m³/s
(esquerda) e 10000 m³/s (direita) relativo aos cenários 34 e 35
Relativamente à análise da dinâmica sedimentar com e sem rotura das estruturas
de defesa pode-se concluir o seguinte sobre a erosão/sedimentação apresentada
anteriormente na figura 93, e sobre a concentração de sedimentos apresentada
anteriormente na figura 94:
Analisando as simulações da figura 93 com um período de 36 horas e um caudal
fluvial médio anual de 450 m3/s, os valores máximos de erosão e sedimentação apos
ruptura, ocorrem mais a montante do quebra-mar, na zona mais profunda do estuário
junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, com um valor máximo de erosão e sedimentação
de 0,0020 m e 0,0018 m respectivamente, enquanto para o caso de não ruptura os
valores máximos ocorrem mais a jusante que a situação anterior, junto ao quebra-mar no
local onde se obtêm os valores de máxima velocidade, e que vão reduzindo de valor à
123
456789
10
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Estação1 Estação2 Estação3Estação4 Estação5
m/s
Camadas
123456789
10
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Estação1 Estação2 Estação3Estação4 Estação5
m/s
Camadas
Anexo
118
medida que se deslocam para o oceano devido as correntes tenderem a ser de menor
intercidade
No caso das simulações com caudal de cheia de 10 000 m3/s, e para um período
de 36 horas, os valores máximos de erosão obtidos são muito superiores no caso de não
ruptura das estruturas de defesa, apresentando um valor máximo junto ao quebra-mar de
11,55 m, sendo aproximadamente 2 vezes mais elevados em comparação com o caso de
ruptura, que apresenta um valor máximo de erosão de 5 m. Os valores de sedimentação
também são superiores para o caso de não ruptura das estruturas de defesa, com um
valor aproximadamente de 4,6 m e um valor de 4,1 m para o caso de ruptura, a jusante
do cabedelo, com a direcção do jacto de sedimentação influenciada pelo quebra-mar
desviado para sudoeste em forma de pluma, enquanto no caso de ruptura este é desviado
na direcção oeste.
Para uma simulação com um período de 10 anos, com um caudal fluvial médio
anual constante de 450 m3/s, os valores máximos da erosão e sedimentação obtidos no
cenário de ruptura das estruturas de defesa são deslocados para montante do quebra-
mar, junto à ermida de São Miguel-o-Anjo, em comparação com o caso de não ruptura
das estruturas de defesa, apresentando um valor máximo de erosão de 4,0 m situado no
meio do canal onde se desloca a maior parte do volume de água, arrastando consigo os
sedimentos do leito, e um valor máximo de sedimentação de 2,9 m localizado junto às
margens.
Fazendo uma comparação ente o cenário de cheia de caudal igual a 10 000 m3/s
com um período de simulação de 36 horas, com o cenário de caudal fluvial médio anual
de 450 m3/s com um período de simulação de 10 anos, para o caso de rotura das
estruturas de defesa na embocadura (simulação 35 e simulação 36), concluísse que
apesar de o cenário de cheia ocorrer em um curto intervalo de tempo, obtêm-se valores
máximos superiores de erosão e sedimentação de aproximadamente 1,3 e 1,4 vezes
superiores, respectivamente, o que evidencia a grande influencia do caudal fluvial. Um
outro facto que se retém, é a obtenção de valores elevados de sedimentação a jusante da
embocadura para o caso de cheia, o que não ocorre no caso de caudal médio anual.
Através da análise da figura 94 apresentada anteriormente é visível que o valor
maios elevado da concentração de sedimentos para o caudal médio anual de 450 m3/s, é
obtido na situação de não ruptura das estruturas de defesa, localizando-se junto ao
Anexo
119
quebra-mar, com um valor de 0,047 kg/m3, enquanto para o caso de ruptura das
estruturas de defesa o valor da concentração de sedimentos é de 0,019 kg/m3, sendo 2,5
vezes inferior, estando localizado junto à ermida de São Miguel-o-Anjo onde se
registam os valores de máxima velocidade de escoamento.
Para o caso de caudal de cheia de 10 000 m3/s, contrariamente ao que ocorre
para o caudal médio anual, o valor mais elevado de concentração de sedimentos é
obtido na situação de ruptura das estruturas de defesa, com um valor de 5,1 kg/m3,
estando localizado a jusante do cabedelo. No caso de não haver ruptura das estruturas de
defesa o valor da concentração de sedimentos é de 4,25 kg/m3, sendo 1,2 vezes inferior,
localizado junto ao quebra-mar, onde se registam os valores de máxima velocidade de
escoamento devido ao estreitamento da seção transversal, proporcionado pelo quebra-
mar.
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