Morfologia

A Ria de Aveiro é uma lagoa costeira de baixa profundidade e extensas zonas entre marés. A Ria estende-se por 45 km ao longo da costa Ocidental de Portugal desde Ovar até Mira (latitude média 38º 5 N). A área total da Ria que está coberta durante a preia-mar varia entre 83 km² em maré viva e 66 km² maré morta (Dias et al, 1999). A profundidade média é de cerca de um metro e a profundidade máxima, é mantida artificialmente nos canais de navegação entre os 4 e os 7 metros. A comunicação com o oceano faz-se através do canal da Barra com 1,3 km de comprimento, 350 m de largura e 20 m de profundidade.

A lagoa pode ser dividida em três zonas principais: A zona Sul inclui os Canais de Ílhavo e Mira, respectivamente com 7 e 14 km de comprimento e 200 e 300 metros de largura máxima. O Canal de S. Jacinto - Ovar na zona norte tem 25 km de comprimento. No seu extremo norte este canal é muito pouco profundo dando origem a uma rede complexa de pequenos canais e bacias. A terceira zona, com uma geografia muito complexa, termina em frente à foz do rio Antuã e é designada por Ria Murtosa.

Até há cerca de 10 séculos a lagoa não existia, desaguando os rios directamente no oceano. Nessa altura, iniciou-se o desenvolvimento de duas línguas de areia, uma a Norte em Espinho e outra a Sul próximo do Cabo Mondego. Ao longo do tempo a localização da barra foi variando entre Torreira e Mira, com períodos em que a lagoa estava completamente isolada do oceano. Em 1808 foi construída a actual barra, fixada por dois molhes.

O caudal médio de água doce que aflui à Ria é cerca de 40 m³/s. Os rios Vouga e Antuã constituem as principais fontes de água doce, com caudais médios anuais de 24 m³/s e 2.4 m³/s, respectivamente (GRIA, 1990;Hall, et al., 1985).

A circulação no interior da lagoa é dominada pela maré, cuja amplitude varia entre 3.3 m em maré viva e 1.0 em maré morta. O prisma de maré para uma amplitude de 2.8 m é 70´10⁶ m³ com um caudal médio na barra de 4700 m³/s. A partir das variações de nível medidas por marégrafos, Vicente (1985), estimou que 20% do prisma de maré é desviado para a Zona Sul (Canais de Mira e Ílhavo) e o resto do volume distribui-se em partes iguais entre a Zona Norte (canal S. Jacinto – Ovar) e a Ria Murtosa, na zona central. Cerca de 2/3 do volume que vai para esta zona escoa-se pelo canal de Espinheiro.

Na costa ocidental de Portugal a onda de maré propaga-se de Sul para Norte. A maré penetra no interior da Ria através do canal da Barra e propaga-se a baixa velocidade ao longo dos canais. A velocidade de propagação é tão baixa que em alguns locais o estado de fase pode ser oposto àquele que se verifica no oceano. Os atrasos de fase são maiores em maré baixa podendo atingir 5 horas, nos extremos dos canais de Mira e de S. Jacinto - Ovar (Vicente, 1985). As velocidades máximas da ordem de 1 m/s ocorrem na zona da barra, nos canais mais estreitos e profundos.

O forçamento do vento é mais importante nas zonas pouco profundas onde as correntes de maré são muito baixas Dias, et al. (1996 ^a).

Dados disponíveis

A batimetria utilizada pelo modelo foi determinada a partir das medições feitas pelo Instituto Hidrográfico entre 1986 e 1990. Durante essas campanhas o Instituto Hidrográfico realizou também medidas do nível do mar em 10 estações e velocidade em 5 estações, nos locais indicados na Figura 1 , cujas designações, coordenadas e períodos de amostragem são apresentadas na Tabela 1 .

Os dados de salinidade e temperatura foram obtidos em perfis verticais durante duas campanhas hidrográficas realizadas em Junho de 1996 e Julho de 1997 em 31 estações distribuídas por 8 secções (Dias et al., 1999). Estes perfis mostram que o canal de Mira é bem misturado e que os canais de S. Jacinto, Espinheiro e Ílhavo são parcialmente misturados ou homogéneos. O nível de estratificação depende do principalmente dos caudais dos rios Vouga, Antuã e Boco (na extremidade sul do canal de Ílhavo).

Implementação do modelo

Uma vez que a lagoa tem boa mistura vertical, o modelo tridimensional foi implementado com uma única camada vertical, reservando o recursos de cálculo para maximizar a resolução horizontal, de modo a optimizar a resolução dos canais estreitos por onde se faz a generalidade do escoamento na Ria.

Figura 1 : Estações de amostragem do IH, nas campanhas de 1986 a 1989.

Tabela 1 : Estações e períodos de medida do nível do mar e da velocidade.

O modelo cobre todo o interior da Ria e a plataforma continental adjacente. O passo horizontal do modelo é variável para permitir uma melhor resolução no interior da lagoa. O passo espacial horizontal mínimo é 50 m e o máximo é 500 m na plataforma continental. Com esta discretização horizontal o modelo usa uma matriz de cerca de 103000 pontos ( 316 na direcção Este-Oeste e 326 na direcção Norte-Sul).

A viscosidade horizontal foi mantida constante em todo o domínio com o valor de 5.0 m²/s. O coeficiente de atrito no fundo é calculado a partir da rugosidade de Manning:

,

onde C_d é o coeficiente de atrito no fundo, g é a aceleração da gravidade, M é a rugosidade de Manning e H é a profundidade da local. O modelo foi calibrado ajustando a rugosidade de Manning, tendo sido usados valores entre 0.015 e 0.018 m^-1/3s.

Na fronteira com o mar foi imposto o nível de maré. As componentes harmónicas foram obtidas a partir das séries temporais medidas pelo Instituto Hidrográfico junto da barra. Nas fronteiras com os rios foram impostos os respectivos caudais médios. O passo temporal é 15 s.

Validação do Modelo

O modelo foi validado simulando alguns períodos das campanhas do IH de 1987 e 1989. Foram consideradas na fronteira oceânica 25 componentes harmónicas da maré e os caudais dos rios Vouga, Boco, Caster, Antuã e Mira, típicos dos períodos que estavam a ser simulados.

Os resultados do modelo foram também validados por comparação com as simulações Simultaneamente os resultados do modelo foram também comparados com os resultados obtidos por uma modelo 2D da Hidromod (1998).

Nível do mar

A Figura 2 ilustra a comparação entre os níveis simulados pelos dois modelos e observados na Barra. O ajustamento é muito bom nesta estação. A figura também mostra que o modelo 3D aqui usado apresenta um melhor desempenho que o modelo 2D.

Figura 2 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado na Barra para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D, verde para o modelo 2D e azul para observações.

A Figura 3 e a Figura 4 mostram comparações semelhantes em duas outras estações – S. Jacinto e Costa Nova - respectivamente. Os resultados ajustam-se muito bem com os dados particularmente para a fase. As pequenas discrepâncias na amplitude são da ordem de 2% e são maiores na Costa Nova.

Figura 3 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em S. Jacinto para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Figura 4 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Costa Nova para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Ao longo do canal de Ovar existem 3 estações com dados de nível do mar: Miradouro, Moranzel e Torreira. Globalmente, os resultados do modelo e os dados ajustam-se para estas estações, com as maiores discrepâncias observadas em Moranzel (ver Figura 5 a Figura 7 )

Figura 5 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Miradouro para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Figura 6 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Moranzel para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Figura 7 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Torreira para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Finalmente, a Figura 8 e a Figura 9 ilustram as comparações em Cais do Bico e Ponte da Varela. Na Ponte da Varela, como na maior parte das localizações, o ajustamento entre o modelo e as observações é muito bom, ainda mais quando esta estação é a mais distante da barra. No Cais do Bico as diferenças entre o modelo e as observações são maiores do que em qualquer outra estação analisada. Este aspecto é particularmente reforçado na maré vazante onde as diferenças são aproximadamente de 10%. Este resultado foi atribuído a problemas locais da batimetria.

Figura 8 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Cais do Bico para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Figura 9 : Comparação entre o nível do mar simulado e observado em Ponte da Varela para 2 ciclos de maré. Vermelho representa o modelo 3D , verde para o modelo 2D e azul para observações.

Correntes

As correntes foram analisadas em 5 estações distribuídas ao longo dos principais canais da Ria de Aveiro: Vista Alegre, Cais do Bico, Ponte da Varela, S. Jacinto e Sacor. Tal como nos níveis, as correntes simuladas são comparadas as correntes observadas e em alguns casos com os resultados obtidos com o modelo 2D da Hidromod (1988) já mencionado.

A comparação das correntes obtidas com o modelo e os dados de campo  não é tão simples como a comparação de níveis. O modelo foi forçado impondo as componentes harmónicas da maré no oceano. As séries temporais nos locais dos marégrafos foram reconstituídas utilizando as mesmas componentes harmónicas impostas na fronteira. Por outro lado os níveis não apresentam variações locais importantes. Deste modo a comparação de níveis obtidos a partir do modelo e a partir das observações é um problema objectivo.

Pelo contrário, as correntes calculadas pelo modelo são comparadas com os valores medidos, sem qualquer filtragem. Assim, o vento é responsável por parte dos eventuais desvios entre os valores medidos e os observados. Por outro lado a velocidade tem variabilidade espacial em escalas muito menores que os níveis. Com efeito a velocidade numa secção depende essencialmente do caudal e da área da secção. Entre duas secções contíguas, o caudal mantém-se aproximadamente constante, mas velocidade pode apresentar variação importantes, se variar a profundidade, ou a largura do canal. Os correntómetros medem as velocidades num ponto. Pelo contrário os resultados do modelo são a velocidade média numa face cuja área é o passo local do modelo vezes a profundidade local. A aumentar a estas dificuldades acrescem ainda as devidas ao perfil vertical de velocidades. Melhor que a comparação das velocidades medidas e calculadas seria a comparação de caudais. Estes não são no entanto fáceis de medir.

O volume de água que entra numa zona da Ria e a taxa a que entra afecta directamente as amplitudes e as fases da maré. Se os níveis medidos e calculados comparam bem em amplitude e fase, isso significa que os caudais estão a ser bem calculados.

A Figura 10 e a Figura 11 ilustram a comparação entre as correntes simuladas e observadas em Vista Alegre em dois períodos diferentes. Globalmente, o ajustamento pode ser considerado bom se tivermos em mente as considerações prévias. O mesmo tipo de resultados é obtido em Cais do Bico, Ponte da Varela e Sacor (Figura 12 a Figura 14 ). Em ambos os casos a tendência simulada com o modelo 3D acompanha os dados e também as correntes do modelo 2D.

Figura 10 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em Vista Alegre. Vermelho representa o modelo 3D, verde o modelo 2D e azul as observações.

Figura 11 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em Vista Alegre. Vermelho representa o modelo 3D e azul as observações.

Figura 12 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em Cais do Bico entre 4 e 5 de Abril 1989. Vermelho representa o modelo 3D, verde o modelo 2D e azul as observações.

Figura 13 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em Ponte da Varela entre 6 e 7 de Abril 1989. Vermelho representa o modelo 3D, verde o modelo 2D e azul as observações.

Figura 14 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em Sacor entre 4 e 5 de Setembro 1990. Vermelho representa o modelo 3D, verde o modelo 2D e azul as observações.

Finalmente para S. Jacinto (Figura 15 ) as correntes simuladas são substancialmente diferentes dos dados. Suspeita-se que o efeito das dragagens próximas da barra entretanto efectuadas seja muito significativo para a explicação das discrepâncias encontradas nas correntes.

Figura 15 : Comparação entre velocidades simuladas e observadas em S. Jacinto para 3 ciclos de maré entre 4 e 5 de Setembro 1990. Vermelho representa o modelo 3D, verde o modelo 2D e azul as observações.

Salinidade

Como mencionado atrás, a maior fonte de água doce para a Ria de Aveiro é o Rio Vouga. As contribuições dos rios Antuã, Caster, Mira e Boco são no entanto essenciais para a simulação da salinidade na Ria. A condição de fronteira com o oceano é imposta usando dados climatológicos de salinidade. As trocas com a atmosfera (evaporação e precipitação) são estimadas usando os dados disponíveis para a região. Os resultados do modelo foram validados com dados de Julho de 1996.

As fontes de água doce e o caudal correspondente são as seguintes (ver também Figura 16 ): Vouga, 10 m³/s; Antuã, 2 m³/s; Caster, 1 m³/s; Boco, 1 m³/s; Mira, 1 m³/s. A distribuição inicial de salinidade foi obtida por interpolação espacial das médias temporais medidas por Dias et al. (1998) em Julho de 1996.

Os resultados do modelo apresentam boa concordância na fase (ver Figura 17 a Figura 21 ). As diferenças nos valores obtidos são também pequenas. Em S. Jacinto o valor médio do desvio entre as observações e o modelo é 1 psu, enquanto que em Moranzel é 0.25 psu e em Parrachil é 0.5 psu. Os desvios aumentam ao longo do canal de Ílhavo, em Vista Alegre e Ponte da FrioPesca. Estes desvios são presumivelmente causados por incertezas nas condições de fronteira. De facto é muito difícil estimar a quantidade de água doce que entra no sistema e consequentemente impor correctamente a condição de fronteira. Com efeito os erros produzidos numericamente produzem difusão numérica, diminuindo a amplitude das oscilações simuladas. Ora, nestes resultados a diferença é exactamente ao contrário. Os resultados das simulações apresentam amplitudes menores do que as calculadas.

Figura 16 : Localização das estações de salinidade: 1- Monrazel, 2- Parrachil, 3 – São Jacinto, 4-Ponte da FrioPesca, 5- Vista Alegre. Os valores e localização de fontes de água doce estão também representados.

Figura 17 : Séries temporais de salinidade em S. Jacinto in Julho 1996. Azul representa os resultados do modelo e vermelho as observações. A linha ponteada representa o nível do mar.

Figura 18 : Séries temporais de salinidade em Julho 1996. Azul representa os resultados do modelo e vermelho as observações. A linha ponteada representa o nível do mar.

Figura 19 : Séries temporais de salinidade em Parrachil em Julho 1996. Azul representa os resultados do modelo e vermelho as observações. A linha ponteada representa o nível do mar.

Figura 20 : Séries temporais de salinidade em Ponte da FrioPesca em Julho 1996. Azul representa os resultados do modelo e vermelho as observações. A linha ponteada representa o nível do mar.

Figura 21 : Séries temporais de salinidade em Vista Alegre em Julho 1996. Azul representa os resultados do modelo e vermelho as observações. A linha ponteada representa o nível do mar.

Circulação média na Ria de Aveiro – a aproximação da maré M₂ e dos caudais médios

A análise dos campos de velocidade horizontal revela dois aspectos da circulação na Ria de Aveiro: As velocidades máximas são registadas na zona da barra, e no interior da Ria as velocidades são baixas, distribuindo-se o caudal por uma rede complexa de canais (ver Figura 22 à Figura 24 ).

Os resultados apresentados acima, para calibração e validação do modelo foram obtidos considerando 25 componentes harmónicas de maré. No entanto, para estabelecer os limites do estuário, as condições médias são mais objectivas. Assim, adiante serão descritos os resultados obtidos usando apenas a componente M₂ da maré na fronteira com o oceano e os caudais médios anuais dos rios– Vouga, 24 m³s^-1; Antuã, 4.0 m³s^-1; Mira, 2.0 m³s^-1; Caster, 2.0 m³s^-1, Boco, 2.0 m³s^-1.

Figura 22 : Campo de velocidades próximo da barra durante a vazante. A velocidade está em ms^-1.

Figura 23 : Campo de velocidades no interior da ria durante a enchente. A velocidade está em ms^-1.

Figura 24 : Campo de velocidades próximo do Cais do Bico durante a enchente. A velocidade está em ms^-1.

A comparação de resultados obtidos com a maré real e com a maré média mostra os mesmos padrões de circulação e por isso que as conclusões a retirar da hidrodinâmica são as mesmas. A Figura 25 mostra os resultados para a estação próxima da Barra e  a Figura 26 na Costa Nova, no canal de Mira. A maré média mostra evolução com a mesma forma, estando naturalmente os valores compreendidos entre os obtidos em maré morta e maré viva.

Figura 25 : Comparação de resultados (níveis e velocidades) na Barra obtidos com a maré real e com a maré média. A curva a vermelho representa a simulação usando apenas a M2.

Figura 26 : Comparação de resultados (níveis e velocidades) na Costa Nova obtidos com a maré real e com a maré média. A curva a vermelho representa a simulação usando apenas a M2.

Em Torreira – no canal de Ovar – a diferença no nível médio é de cerca de 4% e a diferença das velocidades é de cerca de 8% (ver também Figura 27 ). No Cais do Bico (Figura 27 ) as diferenças nos valores médios de cerca de 5% para o nível do mar e para a velocidade.

Figura 27 : Comparação de resultados (níveis e velocidades) na Torreira obtidos com a maré real e com a maré média. A curva a vermelho representa a simulação usando apenas a M₂.

Figura 28 : Comparação de resultados (níveis e velocidades) no Cais do Bico obtidos com a maré real e com a maré média. A curva a vermelho representa a simulação usando apenas a M₂.

Destas comparações pode concluir-se que as diferenças entre as simulações com maré média e com as 25 componentes de maré são pequenas e que as conclusões a extrair de qualquer das simulações são idênticas. A consideração de uma maré média torna a análise mais objectiva uma vez que evita a subjectividade associada à “quási -periodicidade” do ciclo maré - morta maré - viva. Assim, pode também concluir-se que a abordagem é válida para o objectivo deste estudo que é o de estabelecer os limites de jusante do estuário, cuja definição depende da capacidade de definir a zona de mistura da água do estuário e do oceano costeiro.

Distribuições espaciais

O modelo é corrido nas condições de maré e caudais médios descritos acima durante 4 dias para se obter uma circulação periódica, a partir da qual foi calculada a circulação residual. O escoamento e os processos de mistura foram visualizados a partir do deslocamento de traçadores lagrangeanos, cujo deslocamento foi seguido durante 2 dias. Estes traçadores facilitam a visualização das trocas entre as diferentes regiões da Ria e o oceano. Para simular as distribuições de salinidade o modelo foi executado a partir do memo ponto durante 30 dias, período suficientemente longo para garantir uma solução independente das condições iniciais. Os resultados são apresentados nas secções que se seguem.

Hidrodinâmica

As velocidades são máximas nos canais principais, nomeadamente no canal de S. Jacinto - Ovar, no canal da cidade e na extremidade norte do canal de Ílhavo. Nestes canais assim como no canal da barra as velocidades instantâneas durante a vazante podem ser superiores a 1 ms^-1. Na restante área da Ria as velocidades são em geral muito baixas. Na região costeira as correntes de maré são também relativamente baixas, excepto na região muito próxima da embocadura, onde as velocidades aumentam por acção do jacto de vazante. Em enchente o cenário é muito semelhante ao descrito para a vazante, circulando a água em sentido contrário.

A velocidade residual calculada integrando as velocidades instantâneas no tempo, não tem divergência nula. Ela dá o sentido preferencial do deslocamento dos sedimentos sobre o fundo. Os valores máximos ocorrem nos canais mais profundos, onde as velocidades instantâneas são também máximas. Duma forma geral as velocidades residuais são no sentido do oceano mostrando que a assimetria da maré é essencial em termos de transporte de sedimentos sobre o fundo. Junto à embocadura existem pequenos vórtices, mas o escoamento é preferencialmente de saída. São apresentados também os fluxos residuais. Estes resultados põe em evidência o papel dos canais no transporte de massa. Embora as velocidades residuais possam ser elevadas nas zonas de baixa profundidade, os fluxos residuais nessas zonas são baixos.

Salinidade

O facto de os rios que desaguam na Ria de Aveiro possuírem caudais relativamente baixos implica que a distribuição de salinidade na Ria tenha gradientes baixos, com excepção das zonas próximas das desembocaduras dos rios. De facto os resultados da salinidade, mostram que somente o Vouga faz sentir a sua influência a alguma distância do seu ponto de encontro com a Ria. O Mira e o Boco fazem sentir a sua influência ao longo dos canais de Mira e Ílhavo, respectivamente, mas não atingem o corpo central da Ria. Nas zonas próximas da embocadura as salinidades sofrem oscilações muito num ciclo de maré (~0.5 psu).

Traçadores Lagrangeanos

Para obter uma melhor visualização dos movimentos das massas de água bem como das trocas entre a ria e o oceano, utilizaram-se traçadores lagrangeanos.