ESTUDO DA DINMICA DE SEDIMENTOS FINOS NA PLATAFORMA...

INFLUÊNCIA DA HIDRODINÂMICA SOBRE OS PROCESSOS DE ACUMULAÇÃO DE

SEDIMENTOS FINOS NO ESTUÁRIO DO RIO AMAZONAS.

Carla de Paula Xavier Vilela

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de

Pós-graduação em Engenharia Oceânica,

COPPE, da Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessários

à obtenção do título de Doutor em Engenharia

Oceânica.

Orientadora: Susana Beatriz Vinzón

Rio de Janeiro

Março de 2011




TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-

GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO

DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU

DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA.

Examinada por:

________________________________________________

Profa. Susana Beatriz Vinzón, D.Sc.

________________________________________________ Dr. Hugo Nelson Rodriguez, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Afonso de Moraes Paiva, Ph.D.

________________________________________________ Profª Valéria da Silva Quaresma, Ph.D.

________________________________________________ Profª. Josefa Varela Guerra, Ph.D.

________________________________________________ Dr. Marcos Nicolás Gallo, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARÇO DE 2011

ii

Vilela, Carla de Paula Xavier

Influência da hidrodinâmica sobre os processos de

acumulação de sedimentos finos no estuário do rio

Amazonas / Carla de Paula Xavier Vilela. – Rio de

Janeiro: UFRJ/COPPE, 2011.

XII, 85 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Susana Beatriz Vinzón

Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de

Engenharia Oceânica, 2011.

Referências Bibliográficas: p. 82-85.

1. Estuário amazônico. 2. Sedimentos em suspensão.

3. Hidrodinâmica. I. Vinzón, Susana Beatriz. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,

Programa de Engenharia Oceânica. III. Título.

iii

Em memória do meu pai.

iv

AGRADECIMENTOS

Antes de tudo, gostaria de agradecer à minha orientadora, Susana Vinzón, a quem

muito devo, e quem admiro por sua capacidade empreendedora e modo de se

envolver e de conduzir os diversos projetos de pesquisa de seus alunos. Agradeço por

ter me acolhido no LDSC quando da volta ao Rio, depois de uma temporada no

Amazonas, sem saber por onde começar. Agradeço a oportunidade, sua valiosa

orientação, a paciência e a amizade.

Meu agradecimento aos colegas e amigos do LDSC, em especial a Marcos Gallo,

pela disponibilidade, paciência e boa vontade nas tantas e tantas vezes que precisei

recorrer à sua ajuda, especialmente no que se refere à implementação do modelo

EFDC. Também a Luana Freire Gallo, Rodrigo Fernandes, Iranilson Silva, Débora

Machado, Thiago Leão, Teodózio Nzualo, e demais companheiros do laboratório, pela

amizade e boa companhia.

Ao Prof. Benoit Le Guennec, in memoriam, quem eu muito gostaria que estivesse

presente na defesa desta tese, por todo o interesse que sempre demonstrou por

nosso trabalho, meu e dos demais colegas do LDSC, além do incentivo e da amizade

que sempre nos brindou.

A Cristina Coelho e Marise Cardoso, pela solicitude e boa disposição com que

sempre ajudaram a resolver os problemas e entraves burocráticos no processo de

doutoramento, bem como pelo carinho e amizade.

Aos meus familiares, pela força e carinho com que sempre me brindam. Em

especial à minha mãe e minhas irmãs. Também à Margarida, por todo o apoio.

Ao meu companheiro, Paulo Bruno, pela presença amiga e solidária durante todo o

processo de desenvolvimento da tese, e pelo valioso apoio nos momentos mais

difíceis.

À tripulação do navio hidrográfico Sirius, da Marinha do Brasil, bem como a todos

os pesquisadores e colaboradores que participaram das campanhas de medição do

Projeto Barra Norte, realizadas entre junho de 2006 e outubro de 2008. A Leonardo

Dardengo, in memoriam.

À Faperj, pela bolsa de doutorado concedida, viabilizando a elaboração desta

tese.

v

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)




Março/2011

Orientadora: Susana Beatriz Vinzón

Programa: Engenharia Oceânica

Este trabalho contribui para o entendimento dos processos dinâmicos envolvidos

no transporte e acumulação dos sedimentos em suspensão na foz do rio Amazonas,

sobre plataforma continental em frente ao rio. É analisada a ocorrência de processos

estuarinos sobre a plataforma e sua possível conexão com a localização das zonas de

alta turbidez e de formação dos depósitos de lama fluida aí presentes, através de

dados medidos em campo, bem como de resultados de modelagem matemática

hidrodinâmica. Entre os processos incluem-se a circulação gravitacional, devida ao

gradiente horizontal de densidades; a diminuição da turbulência e mistura durante a

vazante da maré; e fluxos residuais convergentes. A circulação gravitacional parece

ser efetiva apenas durante as menores quadraturas do mês, com a baixa energia da

maré favorecendo a estratificação vertical e o aparecimento de correntes residuais

de enchente próximas ao fundo. Observa-se uma diminuição da turbulência durante a

vazante, o que pode contribuir para a retenção de sedimentos junto à foz. Porém, as

análises realizadas sugerem que o principal mecanismo para a acumulação de

sedimentos em suspensão está associado a fluxos residuais laterais, oriundos das

zonas de recirculação geradas na presença dos bancos e de regiões rasas adjacentes

aos canais mais profundos. Quanto à ação do vento, este atua intensificando esses

fluxos residuais laterais e zonas de recirculação junto ao fundo.

vi

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

INFLUENCE OF HYDRODYNAMICS ON FINE SEDIMENT ACCUMULATION AT THE AMAZON

RIVER’S ESTUARY.


March/2011

Advisor: Susana Beatriz Vinzón

Department: Ocean Engineering

This work contributes to the understanding of the dynamic processes in the

Amazon Estuary, concerning to the transport and accumulation of suspended

sediment on the continental shelf in front of the mouth. We analyze the occurrence

of estuarine processes on the shelf, and its possible connection with the location of

high turbidity areas and the formation of fluid mud layers near the bottom. Field

data are utilized, as well as results of mathematical hydrodynamic modeling. The

processes analyzed include the gravitational circulation due to horizontal density

gradient; the decrease of turbulence and mixing during the ebb tide; and the

convergence of tide residual currents. The gravitational circulation seems to be

effective only during the smallest neap tide of the month, with the lower energy

favoring the vertical stratification and the emergence of flood residual currents near-

bottom. There is a reduction in turbulence during ebb tide, which can contribute to

the retention of sediments at the mouth. However, the analysis suggests that the

main mechanism for suspended sediments accumulation at the river mouth is

associated with the presence of lateral residual flows created in the shallow areas

adjacent to the deep channels. The wind acts increasing the magnitude of these

near-bottom residual flows.

vii

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO ................................................................................... 1

2. DINÂMICA DOS SEDIMENTOS FINOS, ZONA DE TURBIDEZ MÁXIMA E FORMAÇÃO DE

DEPÓSITOS DE LAMA – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA DOS PROCESSOS...................... 6

3. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA PLATAFORMA CONTINENTAL AMAZÔNICA: ESTUDOS

PRÉVIOS......................................................................................... 9

3.1. Hidrodinâmica ........................................................................... 10

3.2. Pluma fluvial............................................................................. 11

3.3. Dinâmica dos sedimentos finos ....................................................... 13

3.4. Modelagens hidrodinâmicas antecedentes.......................................... 16

4. MATERIAIS E MÉTODOS....................................................................... 22

4.1. Dados levantados na região de estudo – Projeto Barra Norte.................... 22

4.2. Modelagem hidrodinâmica com o EFDC ............................................. 40

5. RESULTADOS................................................................................... 55

5.1. Circulação gravitacional ............................................................... 57

5.2. Turbulência .............................................................................. 67

5.3. Correntes residuais laterais de fundo ............................................... 70

5.3.1. Efeito do vento .................................................................... 73

5.3.2. Efeito da vazão do rio ............................................................ 76

6. CONCLUSÕES .................................................................................. 78

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................. 82

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Distribuição da lama fluida durante os quatro cruzeiros do projeto Amasseds, conforme resultados de Kineke et al., 1996 (região hachurada)............. 2

Figura 2. Estações de fundeio do projeto Amasseds na plataforma continental amazônica. ......................................................................................... 3

Figura 3. Taxa de acumulação de sedimentos na plataforma amazônica, segundo Kuehl et al. (1986, linhas pretas, contornos em cm/ano) e região de lama fluida, combinados os resultados dos quatro cruzeiros do projeto Amasseds, segundo Kineke e Sternberg, (1995, área hachurada)......................................................... 14

Figura 4. Domínio de cálculo de Gabioux et al. (2005) (acima, à direita), resultados (à esquerda) e estações maregráficas consideradas pelos autores para comparação das amplitudes e fases de M2.................................................................. 17

Figura 5. Resultados de Gallo e Vinzon (2005) sobre a contribuição do atrito, da advecção e da continuidade na amplitude relativa, com respeito ao valor máximo observado, das componentes M4 (painel a) e Msf (painel b) da maré, ao longo do estuário amazônico. (Retirado de Gallo e Vinzon, 2005). ................................ 18

Figura 6. Hidrograma para a estação de Óbidos localizado à aproximadamente 800 Km da foz do rio Amazonas, indicando os períodos das campanhas do projeto Barra Norte, em junho de 2006, julho de 2007, e outubro de 2008 (dados de vazão da Agência Nacional de Águas/ANA). ............................................................ 22

Figura 7. Mapa de localização das estações de medição das campanhas do Projeto Barra Norte (estações P1 a P9), e aquelas do Projeto Amasseds. A região em tons de cinza possui profundidades de até 20 m. .................................................... 23

Figura 8. Maré prevista em Ponta do Céu, na margem norte da foz do Amazonas, durante os três cruzeiros do Projeto Barra Norte: (a) junho de 2006; (b) julho de 2007; e (c) outubro de 2008. O retângulo em vermelho delimita o período das medições em cada campanha. (fonte: DHN/Marinha do Brasil).......................... 25

Figura 9. Perfis de velocidades instantâneas (linhas coloridas) e filtradas (linhas negras) medidos no ponto P6 em outubro de 2008. Em ambos quadros, os perfis correspondem a aproximadamente uma hora de medições, (a) na enchente e (b) na vazante. A linha vermelha tracejada representa a média de cada registro horário. No quadro menor, a direção da corrente (0° a 360°, com zero alinhado ao Norte)...... 27

Figura 10. Evolução temporal da turbidez e velocidades medidas em junho de 2006, nos pontos (a) P3, (b) P5 e (c) P6, sendo P6 a estação onde aparece a frente salina nas medições. .................................................................................... 29

Figura 11. Perfis de salinidade medidos na estação P6 em junho de 2006............. 30

Figura 12. Evolução temporal da turbidez da água e das velocidades em julho de 2007, nas estações (a) P3, (b) P5, (c) P6 e (d) P8.......................................... 32

Figura 13. Perfis de salinidade medidos próximo à estação P8 em julho de 2007. ... 32

Figura 14. Evolução temporal da turbidez (NTU), velocidades e salinidades medidas em outubro de 2008, nos pontos (a) P1, (b) P3, (c) P5, (d) P6 e (e) P8. Os dados correspondem a aproximadamente 13 horas de fundeio em cada ponto............... 35

Figura 15. Evolução temporal das salinidades medidas em outubro de 2008, nos pontos (a) P6 e (b) P8. Os dados correspondem a aproximadamente 13 horas de fundeio em cada ponto. ........................................................................ 36

ix

Figura 16. Perfil longitudinal em frente à foz do rio Amazonas, com a posição inferida da frente salina na campanha de medições de outubro de 2008. ....................... 36

Figura 17. Evolução temporal das concentrações de sedimento em suspensão, velocidades e salinidade nas estações Amasseds (a) 2444/P6, (b) 3454/P6, (c) 3455/P9 e (d) 4413/P5.......................................................................... 39

Figura 18. Perfis horários das concentrações de sedimento em suspensão (linhas azuis) e gradiente vertical de densidade (círculos negros), nas estações Amasseds (a) 2444/P6, (b) 3454/P6, (c) 3455/P9, e (d) 4413/P5. ....................................... 40

Figura 19. (a) Primeira malha de cálculo utilizada para a modelagem hidrodinâmica da plataforma amazônica com o modelo EFDC 3D e (b) isolinhas batimétricas no domínio da modelagem (em metros). ........................................................ 43

Figura 20. Comparação das (a) elevações e (b) velocidades médias calculadas com o módulo hidrodinâmico 3D do EFDC (malha 1) no ponto de fundeio P5, e os dados coletados em campo durante a campanha Barra Norte I (2006). ........................ 44

Figura 21. Velocidades residuais de maré na zona da desembocadura, calculadas utilizando a malha da Figura 19, uma vazão de 274600 m3/s a montante, e maré prevista do dia 15/6/2006 na fronteira aberta ao mar. As estrelas indicam as estações de medição P1, P3, P5, P6, P8 e P9, da Figura 7. .............................. 45

Figura 22. Detalhe da primeira malha de cálculo, na região dos pontos de fundeio Barra Norte. ...................................................................................... 46

Figura 23. Domínio e segunda malha de cálculo para a modelagem hidrodinâmica com o EFDC 3D. As estações em vermelho correspondem a estações maregráficas, e as estrelas negras representam pontos para comparação com os dados de campo disponíveis. No detalhe à direita, ao alto, a segunda malha (em azul) e a primeira malha sobrepostas; e abaixo, detalhe da malha na zona da desembocadura, na região dos pontos de fundeio Barra Norte. .......................................................... 46

Figura 24. (a) Alturas e (b) velocidades médias, calculadas pelo modelo no ponto P8 (linhas tracejadas) utilizando um mapa de rugosidade interpolado daquele utilizado na malha 1; e valores medidos (linhas cheias) no ponto P8, em outubro de 2008.... 47

Figura 25. (a) Mapa faciológico da plataforma amazônica (Piatam-Oceano, 2008); e (b) alturas equivalentes das rugosidades de fundo (ε) utilizadas na modelagem matemática (escala da legenda em metros). No painel (b), os círculos azuis ao longo do canal correspondem aos pontos de medição do Projeto Barra Norte. .............. 49

Figura 26. (a) Alturas e (b) velocidades médias calculadas pelo modelo (linhas tracejadas), utilizando o mapa de rugosidade de fundo da Figura 25; e valores medidos (linhas cheias) no ponto P8, em outubro de 2008. Sem vento. ............... 50

Figura 27. Salinidade superficial calculada pelo modelo para o dia 23 de outubro de 2008 (simulação padrão). ...................................................................... 51

Figura 28. Comparação entre as velocidades médias em P8, medidas em outubro de 2008, e aquelas calculadas pelo modelo considerando um vento leste de 10 m/s, além de vazão e maré. ......................................................................... 52

Figura 29. Salinidade superficial calculada pelo modelo, considerando um vento vindo de NE de 10 m/s. ................................................................................ 53

Figura 30. Isolinhas de salinidade (2, 20 e 34), (a) na superfície e (b) no fundo, para rugosidade de fundo variável (incluído o efeito da lama fluida, isolinhas negras) e rugosidade de fundo constante (ε=0,001 m, isolinhas vermelhas). Os círculos azuis indicam as estações de medição P1, P3, P5, P6, P8 e P9, das campanhas Barra Norte...................................................................................................... 54

x

Figura 31. Perfis horários de concentração de sedimentos em suspensão, medidos ao longo de 13 horas em cada ponto de fundeio, nas estações da campanha Barra Norte de outubro de 2008 (P1, em negro, a P9, em celeste). Concentrações em escala logarítmica). ..................................................................................... 55

Figura 32. Perfis de concentração de sedimentos em suspensão medidos na estação P6 em julho de 2007, ao longo de um ciclo de maré. ..................................... 56

Figura 33. Perfis horários de velocidade medidos com um ADCP de 600 kHz nas estações P5 (a) e P8 (b) em outubro de 2008 (velocidades positivas para a vazante da maré e negativas para a enchente). A estação P5 situa-se antes da frente salina, em água doce, e a estação P8 na região da frente. ............................................ 58

Figura 34. Módulo das velocidades (a) na estação P6 em junho de 2006, (b) estação P8 em outubro de 2008 e, (c) estação P5 em outubro de 2008. As estações em (a) e (b) encontram-se na região da frente salina, enquanto que a estação (c) encontra-se antes da frente, em região de água doce. (100% da profundidade = fundo)........... 59

Figura 35. Correntes residuais de maré ao longo da desembocadura do rio Amazonas em outubro de 2008: (a) P3; (b) P5; (c) P6 e (d) P8 (100% da profundidade = fundo). O norte está alinhado a 90º (0º=leste). ......................................................... 60

Figura 36. Correntes residuais de maré ao longo da desembocadura do rio Amazonas em junho de 2006: (a) P3 e (b) P5 e (c) P6 (100% da profundidade = fundo). O norte está alinhado a 90º (0º=leste). ................................................................ 61

Figura 37. Vazões sólidas ao longo de um ciclo de maré, na direção do canal (positivo rumo ao mar), para as estações (a) P1, (b) P3, (c) P5, (d) P6 e (e) P8, de outubro de 2008................................................................................................ 63

Figura 38. Vazões sólidas residuais na direção do canal, calculadas para outubro de 2008. Valores positivos são para fora, em direção ao mar. Cabe ressaltar que a vazão máxima em P6 e P8 está subestimada, devido à saturação do OBS. .................... 63

Figura 39. Vazões sólidas nas estações Amasseds RMc, Rmi e Rmo (positivo rumo ao mar). A linha mais grossa, em negro, indica a vazão sólida residual no período da maré. .............................................................................................. 64

Figura 40. Salinidades, na superfície (em azul) e no fundo (em vermelho), calculadas pelo modelo no ponto P3. No detalhe acima, à esquerda, as alturas da maré em P3 no mesmo período............................................................................... 65

Figura 41. Velocidades residuais calculadas pelo modelo na região da foz para a quadratura, (a) no caso hipotético de água doce em todo o domínio e (b) para as mesmas condições anteriores, porém com sal (simulação padrão). Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz. ............................... 66

Figura 42. Módulo das velocidades (filtradas) e tensões de fundo calculadas ao longo do ciclo de maré nos pontos (a) P5 e (b) P6, para os dados de outubro de 2008. .... 68

Figura 43. Evolução temporal da turbidez e das tensões nos pontos de fundeio (a) P5 e (b) P6, para os dados de outubro de 2008. Nessa ocasião, P5 encontrava-se no limite da frente salina no fundo, e P6 já na região da frente............................ 69

Figura 44. Velocidades residuais de maré ao longo da plataforma, calculados pelo modelo (simulação padrão), para valores de vazão e maré correspondentes a 25 de outubro de 2008. Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.............................................................................................. 71

xi

Figura 45. Velocidades residuais calculadas pelo modelo (simulação padrão) na região da desembocadura para (a) sizígia e (b) quadratura. Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.................................................... 72

Figura 46. Velocidades residuais de maré, para rugosidade de fundo constante (simulação 5). A escala dos vetores é distinta daquela da Figura 44, sendo lá 50 cm/s e aqui 25 cm/s. Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.............................................................................................. 73

Figura 47. Velocidades residuais próximo ao fundo (a) na quadratura e (b) sizígia da maré, considerando além da vazão do rio, a atuação de um vento E de 10 m/s em todo o domínio (simulação 2). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz. .................... 75

Figura 48. Velocidades residuais próximo ao fundo (a) na quadratura e (b) sizígia da maré, considerando além da vazão do rio, a atuação de um vento NE de 10 m/s (simulação 3). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz. ......................................... 76

Figura 49. Velocidades residuais, considerando vazão máxima do rio (simulação 4): (a) durante a quadratura da maré e (b) durante a sizígia. Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.............................................................................................. 77

Figura 50. Velocidades residuais de maré na região canal, calculadas a partir dos resultados do modelo (simulação padrão); e região de lama fluida (círculos beges vazados). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz............................................... 80

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1. Comparação entre os diferentes modelos apresentados, com respeito à dimensão; objetivo da modelagem; se considera o efeito da lama; se modela o transporte de sal. Leva em consideração o vento? A Corrente Norte do Brasil (CNB)? Quais as constantes harmônicas (CH) consideradas? Finalmente, se calcula as velocidades residuais (VR). .................................................................... 21

Tabela 2. Localização e profundidade média dos pontos de fundeio do projeto Barra Norte. ............................................................................................. 24

Tabela 3. Vazão do rio, altura da maré e estratificação salina, nas estações de fundeio em frente à foz do rio Amazonas (Projetos Barra Norte e Amasseds). ....... 26

Tabela 4. Resumo das simulações implementadas com o EFDC 3D...................... 54

xii

1. INTRODUÇÃO

O rio Amazonas despeja por ano na plataforma continental mais de um bilhão de

toneladas de sedimentos em suspensão (Kuehl et al.,1986). Isto combinado à alta

descarga de água doce do rio nas águas da plataforma – ocasionando o aparecimento

de processos estuarinos em plena plataforma - e sua localização em região equatorial

de regime físico altamente energético, torna bastante relevante o entendimento

integrado dos diversos processos envolvidos na dinâmica dos sedimentos oriundos do

rio após sua desembocadura e a formação dos depósitos lamosos na plataforma

adjacente ao rio.

A presença de depósitos de lama em áreas costeiras é relevante em vários

aspectos. Na região amazônica, seu conhecimento é importante para a navegação,

mas também por sua interferência na própria hidrodinâmica, afetando a propagação

da maré e a dispersão de nutrientes e matérias em suspensão, provenientes da bacia

continental para o oceano. Além disso, poluentes tais como óleo e metais pesados

tendem a agregar-se às argilas e a outros materiais característicos dos depósitos

lamosos, fazendo com que o destino desses poluentes, principalmente em longo

prazo, dependa do destino do material lamoso que os contém. Assim, a dinâmica

envolvida na formação, transporte e destino da lama fluida é um aspecto

fundamental para o entendimento e previsão do destino de uma serie de

contaminantes. No caso da foz amazônica, isto se aplica particularmente àqueles

contaminantes associados ao petróleo, já que o tráfego de navios petroleiros é

comum na região, com riscos de encalhes devido às baixas profundidades e migração

de bancos de areia na região do canal, onde a posição dos depósitos lamosos coincide

com a região de menores profundidades.

Assim, o entendimento da dinâmica e destino dos sedimentos finos, não só no

estuário amazônico como na maioria dos estuários e regiões costeiras, é requisito

básico para o controle da saúde ambiental e em consequência, daquela de suas

diversas populações. No caso do Amazonas, houve um grande esforço de medições,

planejadas de forma a entender a dinâmica dos sedimentos despejados pelo rio na

plataforma. Foram realizadas quatro campanhas de medições entre os anos de 1989 a

1991, no âmbito do Projeto Amasseds (Amazon Shelf Sediment Study, na sigla em

inglês), visando o entendimento da dinâmica dos sedimentos amazônicos na

plataforma (Nittrouer e DeMaster 1996, Alessi et al. 1992; Limeburner e Beardsley

1

1991, Limeburner et al. 1992) – notadamente a dinâmica dos sedimentos em

suspensão (Kineke e Sternberg, 1995; Kineke et al., 1996). Durante essas campanhas,

foram identificados extensos depósitos de lama fluida junto ao fundo, nas

plataformas interna e média (Figura 1).

-52 -51 -50 -49 -48 -47Longitude (°)

-1

0

1

2

3

4

Latit

ude

(°)

Cabo Norte

Figura 1. Distribuição da lama fluida durante os quatro cruzeiros do projeto Amasseds, conforme resultados de Kineke et al., 1996 (região hachurada).

Durante as campanhas do Amasseds, foram medidos perfis horários de velocidade

da corrente, salinidade, temperatura e concentração de sedimentos em suspensão

em sete pontos de fundeio, três deles em frente à desembocadura do rio e os outros

na plataforma a noroeste.

Cabe destacar que a presença dessas camadas de lama fluida na plataforma

amazônica tem consequências importantes sobre a hidrodinâmica. Vinzon e Mehta

(2001) e Gabioux et al. (2005) investigaram o efeito da lama fluida na propagação da

maré na plataforma continental, demonstrando o papel da redução do atrito devido à

presença destes depósitos de lama junto ao fundo, diminuindo a dissipação de

2

energia, promovendo assim um aumento das amplitudes de maré ao longo da costa

norte.

-52 -51 -50 -49 -48 -47Longitude (°)

-1

0

1

2

3

4

Latit

ude

(°)

RMo

RMiRMc

CN

OS1OS2

OS3

Figura 2. Estações de fundeio do projeto Amasseds na plataforma continental amazônica.

Os principais processos envolvidos na formação de zonas de máxima turbidez em

estuários geralmente concorrem também para a formação de depósitos lamosos, uma

vez que permitem a captura de sedimentos que, de outra forma, tenderiam a deixar

o sistema levados pelas fortes correntes locais. Entre estes processos incluem-se

fluxos residuais convergentes, decorrentes de assimetrias da maré (Jay e Musiak,

1994) devido ao efeito da topografia e forma da costa sobre o escoamento, bem

como da vazão do rio (Gallo e Vinzón, 2005); a floculação do material em suspensão,

ocasionando a deposição de parte do material transportado pelas correntes (Geyer et

al., 2004; Manning et al., 2006); a circulação gravitacional, devida ao gradiente

horizontal de densidade, e padrões estuarinos de circulação (Cancino e Neves, 1999;

Jay e Musiak, 1994), além dos efeitos da estratificação vertical na captura de

sedimentos (Geyer, 1993).

3

Os dados coletados durante o Projeto Amasseds estão localizados na região onde

se encontram os depósitos de lama fluida na plataforma amazônica e não fornecem

informação sobre o comportamento dos sedimentos na região anterior à frente

salina, na desembocadura do rio, entre a foz e a zona do depósito. No entanto,

medições posteriores, aqui apresentadas, demonstraram serem importantes os

mecanismos responsáveis pela acumulação de sedimentos ainda na foz, antes da

frente salina.

Entre os anos de 2006 e 2008 foram realizadas três campanhas de medição, com

estações de fundeio a partir da foz até a região da frente salina, sendo duas durante

a cheia do rio (em junho de 2006 e julho de 2007), e a última durante o período da

seca (em outubro de 2008). As campanhas ocorreram no âmbito do projeto Barra

Norte, sendo parte de uma parceria entre a Universidade Federal do Rio de Janeiro

(COPPE/UFRJ) e a Marinha do Brasil, visando a melhoria do monitoramento ambiental

e das condições da navegabilidade na região da Barra Norte do rio Amazonas. Esses

dados são, em sua maioria, ainda inéditos, e foram utilizados na construção da

presente tese, juntamente com dados do Projeto Amasseds. Um modelo

hidrodinâmico foi também implementado, visando complementar a informação

obtida através da análise dos dados - principalmente no que se refere à observação

do campo de velocidades residuais – possibilitando uma avaliação espacial mais

abrangente das correntes. Além disso, permitiu isolar as forçantes, de modo a poder

avaliar a influência de cada uma em separado, ou em combinações não encontradas

na natureza, e assim melhor avaliar a contribuição relativa das mesmas nos processos

analisados.

Nesta tese são investigados os mecanismos hidrodinâmicos responsáveis pela

formação das zonas de alta turbidez e dos depósitos de lama na plataforma

amazônica, tendo como guia os processos estuarinos mencionados anteriormente,

determinando, quando possível, a contribuição de cada um deles. Realiza-se um

estudo da hidrodinâmica do estuário amazônico, particularmente na região da foz,

visando identificar os processos responsáveis pelo transporte e acumulação de

sedimentos finos ao longo do canal da Barra Norte, e a formação dos depósitos

lamosos aí presentes. Para abordar o objetivo proposto, foram analisados perfis de

concentração medidos ao longo do canal de navegação, bem como perfis de

velocidade e de salinidade medidos simultaneamente àqueles, avaliando seu

comportamento tanto ao longo do ciclo de maré como espacialmente. Além disso,

incluiu-se o cálculo das correntes residuais de maré, tanto para os dados de campo

como, de forma mais abrangente, para as velocidades modeladas, com foco na

4

identificação de padrões estuarinos de correntes residuais, como a convergência de

fluxos próximo ao fundo (“ponto nulo” da frente salina de fundo) e a circulação

gravitacional. Foram também calculadas e analisadas as vazões sólidas ao longo do

canal, bem como as tensões ao longo da coluna de água. As análises foram realizadas

visando a elaboração de um modelo conceitual da dinâmica dos sedimentos finos na

desembocadura do rio e no estuário amazônico, em particular dos mecanismos de

acumulação de sedimentos a partir da foz, ao longo do canal de navegação.

Entre as perguntas que as análises e simulações adotadas visam responder estão:

(i) Qual é o comportamento dos sedimentos da foz do rio até a frente salina?

(ii) Quais são os mecanismos mais relevantes que promovem a acumulação dos

sedimentos a partir da foz?

(iii) Até que ponto podem ser observados, na plataforma amazônica, processos

estuarinos normalmente associados à formação de alta turbidez em outros estuários?

(iv) Por que não há lama em frente ao Cabo Norte, se há ao lado, tanto ao norte

quanto ao sul deste, como pode ser visto na Figura 1?

O capítulo 2 traz uma revisão bibliográfica dos principais processos envolvidos na

captura de sedimentos finos e de formação de zonas de turbidez máxima em

estuários, uma vez serem tais processos norteadores das análises aqui realizadas,

tanto dos dados de campo como dos resultados da modelagem hidrodinâmica. No

capítulo 3, é feita a caracterização da região de estudo, em termos de sua

hidrodinâmica, do comportamento da pluma de água doce do rio e da dinâmica dos

sedimentos em suspensão, trazendo também uma revisão das modelagens

hidrodinâmicas já realizadas na região e principais resultados. No capítulo 4, são

descritos os materiais e métodos utilizados e, no capítulo 5, os resultados obtidos.

Finalmente, o capítulo 6 traz as conclusões desta tese, apresentando um modelo

conceitual da dinâmica dos sedimentos finos na foz amazônica, bem como sugestões

para aprofundar as análises realizadas.

5

2. DINÂMICA DOS SEDIMENTOS FINOS, ZONA DE TURBIDEZ MÁXIMA E FORMAÇÃO DE

DEPÓSITOS DE LAMA – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA DOS PROCESSOS.

A localização de áreas de deposição de sedimentos finos em estuários e zonas

costeiras pode estar associada a diferentes mecanismos de captura, entre os quais se

incluem a floculação de sedimentos em suspensão; a influência da geomorfologia da

costa e da batimetria no escoamento; as assimetrias barotrópica e baroclínica da

maré; e a circulação residual gravitacional (Jay e Musiak, 1994; Buchard e Baumert,

1998; Geyer, 1993).

Jay e Musiak (1994) sumarizam os principais mecanismos que podem estar

envolvidos na formação de uma zona de máxima turbidez estuarina. Entre os

mecanismos barotrópicos estão o empinamento da onda de maré que se aproxima da

costa e os fluxos nas planícies de maré. Outros mecanismos estão associados aos

gradientes de densidade, como no caso da circulação gravitacional estuarina e das

assimetrias baroclínicas de maré. Estas últimas são causadas primariamente pela

estratificação variada da coluna de água no tempo, podendo proporcionar a

convergência de fluxos cisalhantes nas correntes residuais e de sobre-maré. Esses

fluxos convergentes podem contribuir para a formação de uma zona de máxima

turbidez na região de convergência. Por outro lado a estratificação tende a inibir a

mistura vertical, diminuindo o fluxo para cima, associado à mistura turbulenta, em

comparação ao fluxo de queda do sedimento. Isto faz com que o sedimento em

suspensão na coluna d’água perca sustentabilidade, caindo ao longo da coluna até

níveis onde os fluxos verticais voltem a mantê-lo em suspensão, ou depositando no

fundo.

A dinâmica resultante da interação entre a onda de maré que se aproxima e a

topografia do fundo contribui para a captura de sedimentos em regiões costeiras e

estuarinas. Esta dinâmica pode resultar em assimetria da maré, produzindo correntes

de enchente mais fortes, porém de menor duração que aquelas de vazante, como

observado, por exemplo, em planícies de maré da foz Amazônica. Esse padrão pode

mudar de acordo ao grau de estacionariedade da onda de maré, podendo resultar no

transporte de material em suspensão rio acima (Gallo, 2009). Além disso, a

batimetria pode aparecer como um fator chave na posição da frente salina em certos

estuários, como mostrou Medeiros (2003) para o caso do estuário do rio Itajaí, RJ.

6

Na maioria dos estuários parcialmente misturados e bem misturados, observa-se

uma zona de turbidez máxima na região de alcance da frente salina. Esta

concentração de partículas ocorre comumente próximo ao limite a montante da

intrusão salina, e tem sido atribuída à circulação residual devido às variações

espaciais de densidade (Cancino e Neves, 1999; Jay e Musiak, 1994). A descarga

fluvial é fonte de estratificação vertical, enquanto a turbulência gerada pela maré

tende a destruí-la. Deste modo, a região de turbidez máxima move-se para jusante

com o aumento do fluxo do rio e para montante com o aumento da amplitude da

maré. A ressuspensão e o transporte induzidos por maré também podem funcionar

como mecanismos de formação de zonas de alta turbidez em estuários, através da

ressuspensão de sedimentos pelas tensões junto ao fundo. O transporte residual

nessas áreas depende da assimetria da maré, através de uma resposta não-linear da

tensão de cisalhamento à velocidade, sendo esse efeito especialmente importante

em estuários de macro-maré (Cancino e Neves, 1999).

Variações de sizígia e quadratura na amplitude da maré com frequência resultam

em grandes variações na concentração de sedimentos em suspensão nos estuários,

devido a mudanças na intensidade da ressuspensão. Marés energéticas

frequentemente causam a retenção de sedimentos devido à dominância de enchente

no transporte (Geyer et al., 2004). Entretanto, o aumento da carga em suspensão

durante as marés de sizígia também pode levar a uma exportação significativa de

sedimentos, se corresponderem a períodos de forte descarga de água doce, como

demonstrado no estuário Gironde por Castaing e Allen (1981, apud Geyer et al.,

2004). Os autores mostraram que os sedimentos em suspensão encontram-se

distribuídos em níveis superiores da coluna d’água durante as marés de sizígia, sendo

carregados em direção ao mar pela corrente de superfície resultante.

Buchard e Baumert (1998) destacam que o perfil vertical de velocidades é muito

mais uniforme na maré enchente que na vazante. Como consequência, os perfis de

velocidade são intensificados no fundo durante a enchente e intensificados em

superfície durante a vazante. Pelo fato da concentração de sedimentos em suspensão

normalmente aumentar em direção ao fundo, essa assimetria de velocidades na

enchente e na vazante pode levar a um transporte líquido de sedimentos rio acima.

Geyer et al. (2004) pontuam o fato de a região da frente salina poder ser uma

zona efetiva de captura de sedimentos. No lado da frente voltado para o continente,

os sedimentos estão distribuídos por toda a coluna d’água, mantidos em suspensão

pela vigorosa turbulência do fundo. Através da frente, a estratificação aumenta,

7

suprimindo turbulência na parte superior da coluna d’água, mesmo se as correntes de

maré são fortes. A carga de sedimentos da água doce é advectada sobre a camada

salina, mas com a redução da turbulência, a sedimentação não é mais balanceada

pela ressuspensão, e os sedimentos começam a cair em direção ao fundo. Além disso,

uma floculação aumentada pode ocorrer na zona da frente devido à diminuição da

turbulência, aumentando assim as velocidades de sedimentação das partículas em

suspensão e promovendo a captura de sedimentos no local.

De fato Geyer (1993), através da aplicação de um modelo simples da cinemática

do transporte de sedimentos em suspensão em estuários, conclui que a redução da

turbulência devido à estratificação pode ser um importante mecanismo de retenção

de sedimentos em suspensão na zona de máxima turbidez estuarina. O autor

quantifica a convergência de sedimentos em um regime quase-estacionário,

negligenciando as influências da advecção da maré e aspectos complicadores da

condição de contorno de fundo. A variação temporal da turbulência não é

considerada, tampouco as variações de marés na estrutura salina. A implementação

da estratificação em seu modelo simplificado mostrou que, em estuários

moderadamente a altamente estratificados, a difusão turbulenta diminui

acentuadamente entre a região a montante da intrusão salina, onde a turbulência

não é inibida pela estratificação, e o regime estratificado na intrusão salina, onde a

turbulência é reduzida pela influência inibitória da estratificação. Esta redução na

difusão turbulenta resulta em redução da quantidade de sedimentos que pode ser

carregada pelo escoamento, fazendo com que os sedimentos fiquem retidos próximo

ao limite terrestre da intrusão salina. Este processo de retenção ocorre na mesma

região daquele devido à convergência estuarina, mas parece ser, segundo o autor,

muitas vezes mais eficaz na captura de partículas do tamanho de silte.

Ainda sobre resultados de modelos simplificados, Buchard e Baumert (1998)

avaliam a contribuição relativa das assimetrias de velocidade e de mistura da maré,

e da circulação gravitacional na formação de uma zona de turbidez máxima em um

estuário idealizado, de fundo plano. Os autores observam que quando os três

mecanismos são considerados, uma zona de turbidez máxima estável é formada

decorridos alguns períodos de maré. No caso de ausência da circulação gravitacional

ou da assimetria de velocidades da maré, a zona de máxima turbidez não se forma.

Já a assimetria de mistura da maré, embora não tenha sido determinante para

formação da máxima turbidez, mostrou causar um transporte adicional de material

particulado para montante em seu estuário idealizado.

8

3. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA PLATAFORMA CONTINENTAL AMAZÔNICA: ESTUDOS

PRÉVIOS

A plataforma continental amazônica é um ambiente físico bastante energético,

tanto pela alta descarga fluvial como pelas fortes correntes de maré, além da

Corrente Norte do Brasil fluindo para noroeste, aproximadamente paralela à

plataforma, na região do talude. Por estar situada próximo ao equador, a

predominância é dos ventos alísios.

A plataforma estende-se aproximadamente até a isóbata de 100 m, onde começa o

talude continental (Figura 2). A sua maior parte é de águas pouco profundas, com a

isóbata de 20 m afastada mais de 100 km da costa na região da desembocadura do

rio. As grandes descargas de material fluvial (água, solutos, particulados) causam,

direta ou indiretamente, a ocorrência na plataforma de processos 3D de tipo

estuarino e altas taxas de acumulação de sedimentos (Nittrouer e DeMaster 1996;

Kineke e Sternberg, 1995; Kineke et al., 1996; Geyer e Kineke, 1995).

Os trabalhos decorrentes do Projeto Amasseds resultaram em uma contribuição

significativa com respeito ao entendimento dos processos envolvidos na dinâmica dos

sedimentos que o rio Amazonas despeja sobre a plataforma. Durante o projeto,

foram feitas quatro campanhas de medições, planejadas de modo a abarcar

diferentes períodos da descarga do rio. Seu objetivo era investigar o destino da água,

solutos e partículas da descarga do Amazonas sobre a plataforma (Alessi et al., 1992;

Kineke e Sternberg, 1992; Geyer e Kineke, 1995; Lentz e Limeburner, 1995; Nittrouer

e DeMaster, 1996; Geyer et al., 1996; Kineke et al., 1996, entre outros).

A corrente oceânica na região é a Corrente Norte do Brasil (CNB), fluindo ao longo

do talude, em direção ao noroeste, com valores de transporte da ordem de 10-30 Sv

(10-30x106 m3/s; Nittrouer e DeMaster, 1996). Este valor de transporte leva a

velocidades consistentemente superiores a 75 cm/s e, muitas vezes superiores a 100

cm/s na plataforma externa (Geyer et al., 1996).

A seguir são descritos os principais aspectos relativos à hidrodinâmica da

plataforma amazônica, envolvendo o comportamento da pluma superficial do rio e a

dinâmica dos sedimentos em suspensão. São apresentados alguns resultados dos

trabalhos publicados na região até a presente data, em especial aqueles resultantes

do Projeto Amasseds.

9

3.1. Hidrodinâmica

A maré na região amazônica é predominantemente semi-diurna, com M2 (período

de 12,42 horas) e S2 (período de 12 horas) como principais componentes (Gallo,

2004; Gallo e Vinzon, 2005). Beardsley et al. (1995) estudaram o comportamento da

componente M2 na plataforma amazônica. Próximo à foz do rio, a maré representada

por M2 propaga-se através da plataforma em direção ao rio como uma onda

progressiva, com amplitudes decrescentes e fases crescentes, conforme a onda de

maré avança sobre o rio. Na plataforma ao norte do Cabo Norte, a componente M2

aproxima-se a uma onda estacionária, com amplitudes maiores que 1,5 m próximo à

costa devido ao efeito de quase-ressonância provocado pela conformação da costa

entre o Cabo Norte e o Cabo Cassipore.

Geyer et al. (1991) publicaram um dos primeiros resultados do projeto Amasseds,

no que se refere à física da plataforma continental amazônica. Nele, explicitam

algumas características importantes, observadas a partir dos dados de velocidades de

três arranjos de correntômetros, fundeados por cerca de cinco meses em três

estações, M1, M2 e M3, localizadas aproximadamente nas isóbatas de 18 m, 50 m e

100 m, respectivamente; também foram analisados dados de salinidade, temperatura

e condutividade da água medidos em diversos transectos ao longo da plataforma. A

análise preliminar dos dados coletados revelou uma notável variabilidade nas

correntes e salinidades, em escalas de tempo de dias a semanas, e a observação das

séries temporais medidas evidenciou a importância da maré nas correntes, na

plataforma interna e média (estações M1 e M2).

Em águas rasas, a propagação da onda de maré é afetada pelo atrito e outros

processos físicos, bem como pela presença da vazão fluvial, gerando distorções nos

harmônicos principais e variações nos níveis e nas velocidades (Gallo e Vinzon, 2005).

Essas distorções podem ser expressas como novos harmônicos, chamados de sobre-

marés e marés compostas. Os principais harmônicos de águas rasas no estuário do rio

Amazonas são a componente M4 (período de ~6 horas) e a Msf (período de ~15 dias)

(Gallo, 2004). Em particular, o harmônico M4, gerado a partir da componente

principal astronômica M2, é responsável pela assimetria externa da maré, que

implica em diferenças significativas nos tempos de subida e descida da mesma.

Geyer e Kineke (1995) sintetizaram os principais aspectos hidrodinâmicos

observados durante o Projeto Amasseds. A principal fonte de energia para os

processos de mistura vem da maré, sendo que as variações de velocidade entre a

10

sizígia e a quadratura causam mudanças na estratificação, que é mínima nas marés

de sizígia. Também observaram a presença de um fluxo residual em superfície rumo

ao oceano e junto ao fundo na direção inversa, rumo à costa, na maior parte da zona

de abrangência da frente, exceto na desembocadura do rio, onde o fluxo é

usualmente para fora, rumo ao mar, ao longo de todo o perfil vertical, com correntes

de superfície maiores, da ordem de 20-50 cm/s, que aquelas de fundo, geralmente

da ordem de 10 cm/s ou menor.

Ainda Geyer e Kineke (1995) apontam o fato de o gradiente de pressão baroclínico

e a tensão do vento influenciarem de maneira oposta o cisalhamento transversal. O

gradiente de pressão baroclínico, bem como a aceleração de Coriolis, atuam

proporcionando uma circulação de tipo estuarina, com fluxo de superfície em direção

ao mar e fluxo de fundo em direção à costa. Já a tensão do vento produz uma força

em superfície em direção à costa, portanto oposta àquela do gradiente baroclínico.

Quanto às velocidades residuais longitudinais, estas são persistentemente para

noroeste, com velocidades de superfície em torno de 20 cm/s e velocidades de fundo

desprezíveis.

3.2. Pluma fluvial

A pluma de baixa salinidade formada a partir da descarga do rio Amazonas

estende-se por centenas de km ao longo da costa, sobre a plataforma continental,

fluindo para noroeste, e sua extensão varia conforme o regime de vazão do rio.

Dados coletados durante o projeto Amasseds mostraram que a pluma possui

tipicamente 3-10 m de espessura e 80-200 km de largura (Lentz e Limeburner 1995).

A combinação da morfologia estuarina e as forçantes hidrodinâmicas determina o

posicionamento da frente salina sobre a plataforma continental.

Assinalando a variabilidade da pluma superficial amazônica, Geyer et al. (1991)

mostram, como exemplo, duas distribuições de salinidade superficial, obtidas através

de medições realizadas em uma série de estações hidrográficas ao longo da

plataforma. A primeira corresponde ao período que vai de 28 de fevereiro a 7 de

março de 1990, e a segunda às medições levadas a cabo entre 22 a 30 de maio do

mesmo ano. Nestas, vê-se diferentes distribuições espaciais da pluma do rio, que

alcança uma maior extensão rumo a noroeste nas medições de março, comparada

àquelas de maio. Além da influência da vazão do rio, tal variabilidade é também

resultante da ação dos ventos sobre as correntes de superfície.

11

Lentz e Limeburner (1995) fazem uma caracterização da pluma superficial

amazônica, destacando principalmente o efeito da vazão sobre a extensão da

mesma. Outro fator importante na posição da frente é o ciclo de sizígias e

quadraturas, sendo que o maior grau de estratificação observado durante as

quadraturas favoreceria a penetração da frente salina. Geyer e Kineke (1995)

apontam que a pluma superficial do Amazonas pode estender-se por mais de 120 km

em direção ao mar, além da região da frente salina. Eles observaram um gradiente

horizontal máximo de salinidade próximo ao fundo nas proximidades de um baixio

formado em frente à desembocadura, onde as profundidades são menores que 10 m

na maré baixa e com concentrações de sedimentos muito altas próximo ao fundo.

Observaram também uma estrutura frontal semelhante em um transecto realizado

250 km ao norte da desembocadura do rio, com a frente salina de fundo localizada

próximo à isóbata de 20 m. Nesse transecto foi localizada uma extensa camada de

lama fluida na região dos maiores gradientes de densidade, na parte interna da

plataforma.

Geyer (1995) analisa o papel da maré na indução da mistura na zona da frente

salina, e comenta que as medições feitas na zona frontal Amazônica fornecem um

exemplo claro da forte influência das variações de sizígia e quadratura na mistura

vertical e estrutura da frente, sendo observado durante as quadraturas um regime

em duas camadas, altamente estratificado, e durante as sizígias uma zona de frente

mais difusa. O mesmo autor aponta haver evidências da mistura da maré nas

variações de estratificação salina, bem como da posição da frente com respeito às

diferenças entre sizígia e quadratura nas velocidades de maré. Segundo o autor, os

dados indicam uma correlação negativa significativa entre a velocidade de maré e

estratificação (r2=0,56). As variações de salinidade no fundo são responsáveis pela

maior parte da variabilidade da estratificação, com pouca contribuição das variações

de salinidade na superfície. A penetração da frente salina para montante também

apresenta variação significativa entre sizígia e quadratura, com penetração máxima

durante as quadraturas.

A noroeste da desembocadura, sobre a plataforma continental, medições de

salinidade e de velocidades provenientes de um fundeio realizado na altura da

isóbata de 18 m, também evidenciaram a correlação entre a estratificação e as

velocidades das correntes de maré. A coluna de água varia entre fortemente

estratificada a quase-misturada, com os períodos de forte estratificação ocorrendo

12

durantes as quadraturas e fraca estratificação durante as sizígias. Ainda segundo

Geyer (1995), a estratificação está significativamente correlacionada à amplitude da

maré (r2=0,67, com defasagem de 24 horas da estratificação com respeito à

amplitude), sendo as variações de salinidade próximo ao fundo mais correlacionadas

às amplitudes de maré (r2=0,60) que aquelas próximo à superfície (r2=0,20).

Quanto à dispersão da pluma superficial, Lentz (1995), utilizando dados históricos

de salinidade, calculou um entranhamento de 2x105 m3/s de água do mar na pluma

Amazônica a cada 1° de latitude, à medida que esta se propaga rumo ao norte.

3.3. Dinâmica dos sedimentos finos

Os dados do Projeto Amasseds mostraram ser a quantidade de sedimentos em

suspensão na plataforma Amazônica da mesma ordem da descarga total de cerca de

um ano de sedimentos do rio sobre a plataforma (Kineke e Sternberg, 1995). Kineke

et al. (1996) também observaram a maior parte desses sedimentos em forma de lama

fluida (suspensões de sedimento com concentrações de massa maiores que 10 g/l). A

lama fluida não é considerada parte do fundo consolidado, porque lhe falta

resistência mecânica, podendo estar em movimento ou estacionária acima do fundo

estável, e pode modificar significativamente o fluxo de transporte.

A zona de turbidez máxima da plataforma amazônica, onde são abundantes as

camadas de lama fluida próximo ao fundo, coincide com a área de máxima deposição

do sistema, conforme determinado por Kuehl et al. (1986; Figura 3). Portanto, são

necessários mecanismos que permitam aos sedimentos permanecer em suspensão

sem serem dispersos para o oceano, possibilitando a deposição. De fato, Kineke e

Sternberg (1995) ressaltam que embora a salinidade superficial na plataforma

amazônica apresente grande variabilidade em escalas de tempo de dias a semanas

(Geyer et al., 1991; Lentz e Limeburner, 1995), a concentração de sedimentos em

suspensão (CSS) não se mostra tão variável.

13

-52 -51 -50 -49 -48Longitude (°)

-47-1

0

1

2

3

4

Latit

ude

(°)

0.1

1

2

3

5

10

Figura 3. Taxa de acumulação de sedimentos na plataforma amazônica, segundo Kuehl et al. (1986, linhas pretas, contornos em cm/ano) e região de lama fluida,

combinados os resultados dos quatro cruzeiros do projeto Amasseds, segundo Kineke e Sternberg, (1995, área hachurada).

A lama fluida tem efeitos de longo alcance no sistema da plataforma amazônica,

reduzindo as tensões cisalhantes de contorno, afetando o intercâmbio entre a coluna

de água e o fundo (Gabioux et al., 2005), e servindo de agente para o crescimento do

delta subaquático, através de transportes episódicos rumo ao mar (Kineke et al.,

1996).

Kineke et al. (1996) esquematizam os resultados do Projeto Amasseds com

respeito ao sistema de dispersão dos sedimentos em suspensão do Amazonas. Os

autores estimam que 60 a 70% dos sedimentos acumulam-se em frente e a noroeste

da desembocadura, aproximadamente entre as isóbatas de 40 e 60 m; 7 a 17% são

transportados em águas rasas; e menos de 5% da quantidade de sedimentos do rio

seria advectada pela pluma superficial além da região de formação do depósito de

lama fluida a noroeste da foz.

Uma característica da concentração superficial de sedimentos em suspensão é que

esta, diferentemente do que ocorre com a pluma de água doce do rio, tende a

14

permanecer em uma região muito mais próxima da desembocadura que a segunda.

De fato, enquanto as concentrações superficiais de sedimento em suspensão caem

para menos de 0,1 g/l além da desembocadura, em zonas de profundidades maiores

que 15 m - e assim na maior parte da plataforma (Kineke e Sternberg, 1995), a pluma

de superficial de águas menos salinas pode estender-se, como mencionado

anteriormente, por mais de 120 km em direção ao mar, além da região da frente

salina (Lentz e Limeburner, 1995; Lentz, 1995).

Kineke e Sternberg (1995) observaram que os valores superficiais da concentração

de partículas em suspensão na região próxima à foz, na região da soleira aí formada,

bem como em uma faixa ao longo da costa, são maiores do que no próprio rio.

Medições posteriores ao Amasseds, realizadas entre 2006 e 2008, mostraram de fato

que a acumulação de sedimentos em suspensão em frente à foz começa mesmo antes

da região da frente salina, ainda sob condições de água doce. Os autores também

observaram anomalias de salinidade e de temperatura no interior da lama fluida,

concluindo serem os depósitos de lama resultado de processos de interceptação na

frente salina de fundo, e não resultado da erosão e ressuspensão do fundo do mar.

Finalmente, Kineke et al. (1996) concluem que embora a ressuspensão

desempenhe um papel importante na manutenção das altas concentrações de

sedimentos em suspensão na coluna de água, a lama fluida é formada inicial e

principalmente através de mecanismos de retenção. A estratificação salina que

ocorre durante períodos de menor amplitude de maré e a consequente redução da

mistura aumentam a sedimentação na zona da frente salina, assim como a

convergência dos fluxos na zona frontal de fundo. A presença dessas camadas de

lama fluida, por sua vez, ajuda a promover a sedimentação, aumentando a

estratificação e reduzindo substancialmente as tensões cisalhantes próximo ao fundo.

Apesar do grande aporte ao conhecimento da dinâmica dos sedimentos amazônicos

que resultou do Projeto Amasseds, algumas perguntas permanecem, em particular

sobre os mecanismos de acumulação na desembocadura, antes da região da frente

salina, assim também a identificação e caracterização de processos estuarinos sobre

a plataforma, e sua relação com a dinâmica local dos sedimentos em suspensão.

15

3.4. Modelagens hidrodinâmicas antecedentes

A modelagem matemática hidrodinâmica tem sido aplicada à plataforma

continental amazônica, com resultados publicados em uma série de artigos. A seguir,

são brevemente descritas cada uma destas modelagens, que pressupõem

aproximações e/ou complexidades nas equações governantes, dependendo dos

objetivos propostos pelos autores. O propósito aqui é o de conhecer o estado da arte

da modelagem hidrodinâmica na plataforma amazônica, e poder comparar, quando

pertinente, os resultados encontrados pelos autores aos que resultaram da

modelagem utilizada na presente tese.

Gabioux at al. (2005), utilizando um modelo hidrodinâmico 2D integrado na

vertical (barotrópico), apresentam um estudo numérico sobre a influência da lama

fluida no comportamento da maré, na plataforma amazônica. Para tal, aplicaram

uma parametrização viscosa para as tensões de fundo naquelas regiões onde havia

indicação da presença de lama fluida, para melhor representar a atenuação da

turbulência em decorrência da presença de lama; nas demais regiões, foi aplicada

uma parametrização turbulenta das tensões de fundo. Os resultados da modelagem

são comparados a observações de campo, em termos de amplitude e fase da

componente M2 da maré (Figura 9). Quando o efeito da lama fluida é levado em

consideração, os resultados do modelo se ajustam mais precisamente àqueles

observados. Porém, se removida a lama fluida, os valores de tensão no fundo passam

a ser muito altos, aumentando a dissipação de energia, e as amplitudes próximo à

costa não alcançam os valores observados nos dados.

16

Figura 4. Domínio de cálculo de Gabioux et al. (2005) (acima, à direita), resultados (à esquerda) e estações maregráficas consideradas pelos autores para comparação

das amplitudes e fases de M2.

Outra aplicação de modelo numérico para o estudo do escoamento de maré no

estuário amazônico foi a de Gallo e Vinzon (2005), que utilizaram (assim como

Gabioux et al., 2005) o módulo 2DH do modelo hidrodinâmico SisBaHiA (Rosman,

2001), configurado e calibrado com o objetivo a permitir a análise da contribuição

dos diferentes termos não lineares na dinâmica local, com ênfase no efeito da vazão

do rio sobre a maré.

Os autores observaram três regiões distintas ao longo do estuário, no que diz

respeito às amplitudes de maré: 1) uma zona onde prevalecem as componentes

harmônicas principais, M2 e S2, próximo à desembocadura e sobre a plataforma; 2)

uma região intermediária, onde são importantes as componentes de água rasa, e 3)

uma região superior, onde prevalece a componente Msf. A componente M4, principal

componente de sobre-maré, atinge amplitudes máximas próximo à boca, onde

ocorrem as máximas amplitudes de M2 e valores baixos de profundidade,

decrescendo à medida que a maré se propaga rio adentro. Já a principal componente

de maré composta, Msf, aumenta rio acima, atingindo um máximo, e então decaindo.

Analisando a contribuição dos termos não-lineares de atrito, uuzHCg )]([ 2 + ,

onde g é a aceleração da gravidade, C o ceficiente de atrito de Chézy e H a

profundidade local; do termo advectivo )2( 2uxxu ∂∂=∂∂ ; e do fluxo de

17

continuidade )(zux∂∂ , nas amplitudes das componentes M4 e Msf ao longo do

estuário amazônico (ilustrado na Figura 5), Gallo e Vinzon (2005) concluem que o

termo de atrito fornece a principal contribuição para os harmônicos de águas rasas,

na parte superior do estuário até a desembocadura. Os termos não-lineares de

continuidade e advecção são preponderantes na foz, onde ocorrem as menores

profundidades e uma configuração convergente.

Figura 5. Resultados de Gallo e Vinzon (2005) sobre a contribuição do atrito, da advecção e da continuidade na amplitude relativa, com respeito ao valor máximo observado, das componentes M4 (painel a) e Msf (painel b) da maré, ao longo do

estuário amazônico. (Retirado de Gallo e Vinzon, 2005).

Nikiema et al. (2007) aplicam um modelo hidrodinâmico 3D para avaliar a

influência das diversas forçantes no comportamento da pluma de água doce do

Amazonas sobre a plataforma continental. Os resultados são apresentados

considerando quatro grandes efeitos. Na primeira parte, apenas o efeito da vazão do

rio é levado em consideração. Numa segunda parte, o vento é introduzido a fim de

explorar a sua influência na dinâmica da pluma. A terceira parte é dedicada ao

estudo da influência de uma corrente costeira, considerando apenas a descarga de

água doce do rio e a corrente. Em seguida, o foco é feito nos efeitos periódicos da

maré. Finalmente, os diferentes fatores são considerados em conjunto, a fim de

reproduzir situações realistas.

A modelagem implementada por Nikiema e colaboradores mostrou, segundo estes,

ser a corrente costeira local o principal mecanismo que propicia a deflexão da pluma

para noroeste, deflexão esta facilmente observável em imagens de satélite da região

e em dados de campo. O vento intervém modificando a posição da frente de

salinidade que, além disso, estará sujeita à migração horizontal por efeito da maré.

18

Fontes et al. (2008) também aplicam um modelo hidrodinâmico 3D à região da

plataforma interna amazônica, com foco na formação da pluma do rio e na posição

da frente salina, em função das marés e da estrutura vertical de massa. Os autores

analisam a resposta da plataforma continental a uma maré barotrópica, no intuito de

entender os principais efeitos da batimetria na propagação da mesma, bem como

aqueles resultantes da anisotropia na distribuição de sedimentos de fundo. Foram

utilizadas vazão, maré e vento como forçantes externas, e os valores do coeficiente

de atrito do fundo (Cd) foram inferidos de um mapa faciológico da região, variando

entre 3,2x10-3, nas regiões de sedimentos mais grossos, a 2x10-4, nas regiões de lama.

Como resultado da modelagem implementada, Fontes et al., (2008) concluem ser

a maré a responsável pelo posicionamento da frente salina, e que a topografia do

fundo faz com que, em algum ponto do limite do estuário, a pluma se separe do

fundo. A partir daí, a pluma de baixa salinidade estende-se sobre a plataforma, na

maior parte desconectada do fundo. Também concluem serem os ventos alísios,

soprando para noroeste, juntamente com a circulação ambiente, os prováveis

responsáveis pelo destino e variabilidade da pluma sobre a plataforma. Quanto ao

coeficiente de atrito do fundo, seus resultados corroboram aquelas já apresentados

por Gabioux et al. (2005), sobre a necessidade de levar-se em consideração o efeito

da lama sobre o atrito, para um melhor ajuste das amplitudes modeladas aos dados

de campo.

Finalmente, a aplicação de Jewell et al. (1993) de um modelo hidrodinâmico para

avaliação dos processos sedimentológicos da plataforma amazônica, embora anterior

às outras aplicações acima mencionadas, é aquela encontrada na literatura que mais

se aproxima dos objetivos do presente trabalho, no que tange à modelagem. Os

autores utilizaram um modelo hidrodinâmico 3D, incluído o transporte de sal, para

avaliar a relação entre as tensões cisalhantes no fundo e a distribuição dos

sedimentos do leito, na plataforma.

O modelo utiliza o fechamento da turbulência de Mellor e Yamada (1982) para

cálculo da difusão turbulenta, e um algoritmo simples para computar as influências

não-lineares ondas-corrente nas tensões cisalhantes de fundo. Foram utilizadas como

condições de contorno as vazões dos rios Amazonas e Pará na fronteira oeste, alturas

de maré na fronteira leste, um fluxo de massa na fronteira sul, decaindo

proporcionalmente em direção à costa até anular-se no primeiro ponto de terra,

além das tensões de vento em superfície, determinadas utilizando valores

climatológicos mensais do vento na região.

19

Os resultados de Jewell et al. (1993), em termos de velocidades residuais de maré

e distribuição das tensões cisalhantes de fundo ajudariam, segundo estes, a explicar

algumas das feições sedimentológicas observadas na plataforma amazônica, tendo

como parâmetro de comparação as taxas de acumulação de sedimentos na região

mapeadas por Kuehl et al. (1986), bem como a distribuição dos sedimentos de fundo

(Kuehl et al., 1982). Assim, por exemplo, as velocidades residuais modeladas, na

direção transversal à plataforma, formam uma zona de convergência coincidente

com a região de máxima deposição do sistema.

Estes resultados, porém, não alcançam a região em frente à foz do rio Amazonas,

já que o domínio de cálculo utilizado pelos autores tem aí sua condição de contorno

de vazão. Além disso, Jewell e colaboradores não consideram a influência do tipo de

fundo no escoamento, nem a influência da modulação sizígia-quadratura imposta

pela componente N2 da maré local (ver, por exemplo, alturas da maré previstas em

Ponta do Céu, Figura 8, localizada na margem norte da desembocadura). Estes

aspectos, no entanto, são importantes no que tange ao tema aqui proposto e foram

considerados na modelagem matemática implementada para esta tese, utilizando o

modelo EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code), como descrito no capítulo 4.2.

A Tabela 1 apresenta um resumo das modelagens citadas, em termos do objetivo

principal de cada uma, as forçantes levadas em consideração, se é ou não

considerado o tipo de fundo, e se foram calculadas as velocidades residuais, aspectos

importantes nesta tese.

20

Tabela 1. Comparação entre os diferentes modelos apresentados, com respeito à dimensão; objetivo da modelagem; se considera o efeito da lama; se modela o transporte de sal. Leva em consideração o vento? A Corrente Norte do Brasil (CNB)? Quais as constantes harmônicas (CH) consideradas? Finalmente, se calcula as velocidades residuais (VR).

Autores/ano Dim. Objetivo Efeito rugosidade

Sal Vento CNB CH VR

Gabioux et al., 2005 2DH

Efeito viscoso da lama sobre o escoamento

X M2

Gallo e Vinzon, 2005 2DH

Propagação da maré no estuário –

CH águas rasas X M2 e S2

Nikiema et al., 2007 3D

Isolar efeito das forçantes sobre a hidrodinâmica e

extensão da pluma

X X X M2

Fontes et al., 2008 3D

Formação e posição da pluma de água

mais doce X X X X

Modelo global

(Eanes e Bettadpur,

1995)

Jewell et al., 1993 3D

Avaliação da hidrodinâmica na

dinâmica dos sedimentos de

fundo

X X X M2, S2, K1 e O1 X

21

4. MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia utilizada inclui a análise e correlação de dados coletados em

campo, tanto inéditos, decorrentes das campanhas do projeto Barra Norte (que se

descreve a seguir), como coletados durante os fundeios do projeto Amasseds. São

também utilizados resultados de modelagem numérica hidrodinâmica, como

complemento às informações contidas nos dados.

4.1. Dados levantados na região de estudo – Projeto Barra Norte

Entre junho de 2006 e outubro de 2008, foram realizadas três campanhas de

medição na foz amazônica, no âmbito do Projeto Barra Norte. O projeto fez parte de

uma parceria entre a Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ) e a

Marinha do Brasil, visando principalmente melhorar o monitoramento ambiental na

região da Barra Norte do rio Amazonas e suas condições de navegabilidade e

segurança. Foram realizadas três campanhas de medição, duas durante a cheia, em

junho de 2006 e em julho de 2007, e uma na seca do rio, em outubro de 2008 (Figura

6). Nelas, foram realizados fundeios de 13 horas, de modo a abarcar um ciclo de

maré, em estações ao longo da desembocadura norte do rio Amazonas (Figura 7).

50000

75000

100000

125000

150000

175000

200000

225000

250000

275000

300000

2/06 3/06 5/06 7/06 8/06 10/06 11/06 1/07 3/07 4/07 6/07 8/07 9/07 11/07 1/08 2/08 4/08 6/08 7/08 9/08 10/08 12/08

Mês e ano

Vazã

o [m

3/s]

1ª Campanha - Jun/2006

2ª Campanha - Jul/2007

3ª Campanha - Out/2008

Figura 6. Hidrograma para a estação de Óbidos localizado à aproximadamente 800 Km da foz do rio Amazonas, indicando os períodos das campanhas do projeto Barra

Norte, em junho de 2006, julho de 2007, e outubro de 2008 (dados de vazão da Agência Nacional de Águas/ANA).

22

Os dados aqui utilizados foram coletados nos pontos P1, P3, P5 e P6 (Figura 7,

Tabela 2) nas três campanhas, além de medições também em P8 e P9 nas campanhas

de 2007 e 2008. Os pontos P2 e P4, intermediários entre P1, P3 e P5,

respectivamente, foram ocupados somente em 2006, e não são utilizados na presente

análise. O mesmo para o ponto P7, ocupado somente em 2007. Em cada ponto de

fundeio foram medidos perfis simultâneos de velocidade da corrente, turbidez da

água, salinidade e diâmetro médio das partículas em suspensão, estando os

equipamentos fixados em uma estrutura do tipo gaiola. A gaiola era lançada a cada

50 minutos, aproximadamente, fazendo uma perfilagem ao longo da coluna d’água,

durante todo um ciclo de maré. Paralelamente, foram medidos perfis contínuos de

velocidade durante as 13 horas, em cada fundeio, utilizando um ADCP-600kHz fixado

na borda do navio, medindo em direção ao fundo a uma frequência aproximada de

0.3 Hz e células (“bin”) de 50 cm.

-53 -52 -51 -50 -49 -48 -47Longitude (°)

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Latit

ude

(°)

RMo

RMiRMc

CN

OS1OS2

OS3

P1P3

P5P6

P8P9

AmassedsBarra Norte

Figura 7. Mapa de localização das estações de medição das campanhas do Projeto Barra Norte (estações P1 a P9), e aquelas do Projeto Amasseds. A região em tons de

cinza possui profundidades de até 20 m.

23

Tabela 2. Localização e profundidade média dos pontos de fundeio do projeto Barra Norte.

Ponto de fundeio Longitude (°) Latitude (°) Prof. média (m)

P1 -49° 57’ 56’’ 0° 52’ 03’’ 17.2 P3 -49° 40’ 51’’ 1° 02’ 22’’ 14.6 P5 -49° 28’ 01’’ 1° 17’ 26’’ 14.9 P6 -49° 21’ 26’’ 1° 24’ 59’’ 11.1 P8 -49° 15’ 37’’ 1° 33’ 24’’ 10.8 P9 -49° 09’ 42’’ 1° 40’ 25’’ 11.7

Os equipamentos fixados à gaiola foram: um correntógrafo acústico pontual

(ADV/NORTEK - Acoustic Doppler Velocimeter), um medidor do tamanho médio das

partículas in-situ (LISST-25X / Sequóia Scientific - Laser Instrument Suspended

Sediment), um turbidímetro (OBS3A/D&A – Optical back-scattering sensor) com

condutivímetro acoplado, e uma bomba tipo sapo para coleta de amostras de água a

diferentes profundidades. Os dados do LISST-25X e do correntógravo ADV não foram

utilizados neste trabalho. Um primeiro resultado do tamanho médio das partículas

medido com o LISST-25x no ponto de fundeio P5, tanto em 2006 como em 2008, é

apresentado em Freire et al. (2010).

Durante os fundeios, além dos perfis contínuos de velocidade e direção da

corrente, e de perfis horários de turbidez da água e salinidade (esta última, somente

na campanha de 2008), medidos de forma simultânea na gaiola, foram também

coletadas amostras de água em três profundidades (superfície, meio e fundo) para

determinação da concentração de material em suspensão por meio de filtragem,

visando a calibração do OBS.

A Figura 8 apresenta as alturas previstas de maré na estação Ponta do Céu,

localizada próximo ao ponto de fundeio P1, para a três campanhas Barra Norte.

Observa-se que as menores alturas são aquelas de junho de 2006, e as maiores em

julho de 2007, ambas campanhas realizadas durante a cheia do rio.

24

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

29/5/0601:40

29/5/0613:40

30/5/0601:40

30/5/0613:40

31/5/0601:40

31/5/0613:40

1/6/0601:40

1/6/0613:40

2/6/0601:40

2/6/0613:40

3/6/0601:40

3/6/0613:40

4/6/0601:40

4/6/0613:40

5/6/0601:40

5/6/0613:40

6/6/0601:40

6/6/0613:40

7/6/0601:40

7/6/0613:40

8/6/0601:40

8/6/0613:40

9/6/0601:40

9/6/0613:40

Hora local (Fuso: +03)

Nív

eis

(m)

(a)

Previsão Ponta do Ceú

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

7/7/07 00:00 9/7/07 00:00 11/7/07 00:00 13/7/07 00:00 15/7/07 00:00 17/7/07 00:00 19/7/07 00:00 21/7/07 00:00Data local

Nív

el (m

)

(b)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

17/10/08 19/10/08 21/10/08 23/10/08 25/10/08 27/10/08 29/10/08 31/10/08

Nív

el (m

)

(c)

Figura 8. Maré prevista em Ponta do Céu, na margem norte da foz do Amazonas, durante os três cruzeiros do Projeto Barra Norte: (a) junho de 2006; (b) julho de

2007; e (c) outubro de 2008. O retângulo em vermelho delimita o período das medições em cada campanha. (fonte: DHN/Marinha do Brasil).

25

A Tabela 3 apresenta um resumo das estações analisadas, em termos da vazão do

rio, altura da maré, e valores medidos de salinidade. Foram incluídas as estações

Amasseds RMc, RMi e RMo, localizadas na região da foz, na zona do depósito lamoso

(ver Figura 2), cujos dados são também utilizados na elaboração desta tese.

Tabela 3. Vazão do rio, altura da maré e estratificação salina, nas estações de fundeio em frente à foz do rio Amazonas (Projetos Barra Norte e Amasseds).

Estação Data Distância

à foz (km)*

Vazão do rio

(m3/s)

Altura da maré

(m)

Sal. minima

Sal. máxima

P1 2006 3/6/06 -60 274600 2,5 água doce água doce P1 2007 10-11/7/07 -60 228580 3,2 água doce água doce P1 2008 21/10/08 -60 100530 3,4 água doce água doce P3 2006 5/6/06 -24 274600 2,4 água doce água doce P3 2007 11-12/7/07 -24 228580 3,5 água doce água doce

P3 2008 21-22/10/08 -24 100530 3,4 água doce água doce

RMc 4413 (P5) 16/11/91 7 82600 2,1 0,4 34,6

P5 2006 6-7/6/06 12 275030 2,7 água doce água doce P5 2007 12-13/7/07 12 230100 3,6 água doce água doce

P5 2008 23-24/10/08 12 100530 3,5 água doce menos de

1 RMi 2444 (P6) 20/3/90 25 198430 1,7 0,1 19,2

RMi 3454 (P6) 11/6/90 25 230480 2,4 água doce água doce

P6 2006 7/6/06 30 274600 2,8 água doce 23 P6 2007 13-14/7/07 30 228580 3,8 água doce água doce

P6 2008 24-25/10/08 30 100530 3,7 1 8

P8 2007 14-15/7/07 49 227820 3,8 água doce 7,5 P8 2008 25/10/08 49 100530 3,7 8 16 RMo 2445 (P9) 21/3/90 65 199090 1,4 2,1 27

RMo 2405 (P9) 10/3/90 65 189530 3,3 1,3 26

RMo 3405 (P9) 2/6/90 65 233900 2,3 0,6 13,7

RMo 3455 (P9) 12/6/90 65 230860 2,8 15,6 16,8

P9 2008 25-26/10/08 65 100530 3,9 13 25

* distância a partir de uma linha conectando os limites norte e sul da costa, na região da desembocadura do rio (como a que está representada na Figura 7). Linhas com cores iguais indicam os pontos de uma mesma campanha do projeto Barra Norte. Os dados de vazão correspondem à estação de Óbidos, da Agência Nacional de Águas (ANA).

26

Os perfis de velocidade medidos com o ADCP foram filtrados, utilizando uma

média móvel centrada de 12 minutos de registro. Um exemplo é apresentado na

Figura 9, para as medições de outubro de 2008 no ponto P6. Nela, os perfis

instantâneos estão representados em cores, e o intervalo de amostragem é de

aproximadamente 3,5 segundos; os perfis filtrados estão superpostos em negro, com

direção da corrente representada no quadro pequeno, ao lado de cada painel (em

graus, com o zero alinhado ao norte, sentido horário). Cada painel da figura

representa aproximadamente uma hora de registro.

(a)

(b)

Figura 9. Perfis de velocidades instantâneas (linhas coloridas) e filtradas (linhas negras) medidos no ponto P6 em outubro de 2008. Em ambos quadros, os perfis

correspondem a aproximadamente uma hora de medições, (a) na enchente e (b) na vazante. A linha vermelha tracejada representa a média de cada registro horário. No

quadro menor, a direção da corrente (0° a 360°, com zero alinhado ao Norte).

27

A seguir, são apresentados os dados de turbidez da água e velocidade das

correntes para as três campanhas Barra Norte, além dos dados de salinidade medidos

de forma simultânea na campanha de 2008. Nos anos anteriores, os dados de

salinidades correspondem a alguns perfis pontuais de CTD lançados pela Marinha

durante os fundeios.

Os dados medidos na primeira campanha, em junho 2006, são apresentados na

Figura 10. Nesta campanha, a frente salina foi encontrada no ponto de fundeio P6,

com coluna de água estratificada, como demonstram os perfis de salinidade medidos

próximo à estação (Figura 11). Observando as velocidades medidas, é visível a

assimetria de vazante no canal, com maiores velocidades e maior tempo desta em

relação à enchente. Na região da frente salina (Figura 10.c), as velocidades de

enchente passam a ser maiores à meia-água que em superfície, em padrão típico

estuarino. Há também um grande aumento da turbidez, com saturação do OBS no

fundo em praticamente todos os perfis de turbidez medidos. Notar que a turbidez nas

figuras está representada em escala logarítmica.

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)

Turbidez (NTU) P3 Jun/2006

5.1 5.15 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 5.45 5.5 5.55 5.60

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3

Dia do mês de Junho de 2006

Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)

Módulo da velocidade (cm/s)

5.1 5.15 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 5.45 5.5 5.55 5.60

5

10

15

50

100

150

200

[cm/s]

log10 [NTU]

(a)

28

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)


6.6 6.65 6.7 6.75 6.8 6.85 6.9 6.95 7 7.05 7.10

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


6.6 6.65 6.7 6.75 6.8 6.85 6.9 6.95 7 7.05 7.10

5

10

15

50

100

150

200

[cm/s]

log10 [NTU]

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


7.3 7.35 7.4 7.45 7.5 7.55 7.6 7.65 7.7 7.75 7.80

2

4

6

8

10

12

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


7.3 7.35 7.4 7.45 7.5 7.55 7.6 7.65 7.7 7.75 7.80

2

4

6

8

10

12

50

100

150

200

[cm/s]

log10 [NTU]

(b)

(c)

Figura 10. Evolução temporal da turbidez e velocidades medidas em junho de 2006, nos pontos (a) P3, (b) P5 e (c) P6, sendo P6 a estação onde aparece a frente salina

nas medições.

29

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Salinidade

Pro

fund

idad

e (m

)

7/6/2006 14:35 7/6/2006 15:50

Figura 11. Perfis de salinidade medidos na estação P6 em junho de 2006.

A Figura 12 apresenta a evolução temporal da turbidez medida em julho de 2007,

e os dados de velocidade correspondentes. Esta foi a campanha Barra Norte onde a

frente salina foi encontrada mais afastada da costa, na estação P8. Os perfis de

salinidades medidos pela Marinha na estação são apresentados na Figura 13.

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)

Turbidez (NTU) P3 Jul/2007

11.9 11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25 12.3 12.35 12.40

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3

Dia do mês de Julho de 2007

Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


11.9 11.95 12 12.05 12.1 12.15 12.2 12.25 12.3 12.35 12.40

5

10

15

50

100

150

200

[cm/s]

log10 [NTU]

(a)

30

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)


12.55 12.6 12.65 12.7 12.75 12.8 12.85 12.9 12.95 13 13.050

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


12.55 12.6 12.65 12.7 12.75 12.8 12.85 12.9 12.95 13 13.050

5

10

15

50

100

150

200

log10 [NTU]

[cm/s]

(b)

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


13.8 13.85 13.9 13.95 14 14.05 14.1 14.15 14.2 14.25 14.30

2

4

6

8

10

12

14

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


13.8 13.85 13.9 13.95 14 14.05 14.1 14.15 14.2 14.25 14.30

2

4

6

8

10

12

14

50

100

150

200

log10 [NTU]

[cm/s]

(c)

31

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)


15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.4 15.45 15.5

2

4

6

8

10

12

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


15 15.05 15.1 15.15 15.2 15.25 15.3 15.35 15.4 15.45 15.50

2

4

6

8

10

12

50

100

150

200

log10 [NTU]

[cm/s]

(d)

Figura 12. Evolução temporal da turbidez da água e das velocidades em julho de 2007, nas estações (a) P3, (b) P5, (c) P6 e (d) P8.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8Salinidade P8 jul/2007

prof

undi

dade

(m)

vazante vazante início enchente enchente preamar

Figura 13. Perfis de salinidade medidos próximo à estação P8 em julho de 2007.

32

A principal diferença da campanha de 2007, em relação àquela de 2006, realizada

também durante a cheia do rio, diz respeito à maré, que em 2006 era de quadratura.

Em ambas as campanhas é observada uma inversão de velocidades ao longo do perfil

durante a enchente, com maiores velocidades à meia água que em superfície. Isto

também ocorre nos fundeios do Amasseds, apresentados mais adiante (Figura 17).

As medições da terceira campanha Barra Norte, em outubro de 2008, foram

planejadas de modo a ocupar os mesmos pontos de fundeio do ano anterior, porém

em período de seca do rio. O comportamento da turbidez ao longo do tempo,

medidos em 2008, para os pontos P1 a P8 é apresentado na Figura 14, bem como as

velocidades e salinidades medidas em simultâneo. Nesta ocasião, a frente salina

encontrava-se entre P5 e P6 (Figura 16, cujo esquema foi traçado extrapolando os

perfis máximos de salinidade medidos em cada estação).

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)

Turbidez (NTU) P1 Out/2008

21.25 21.3 21.35 21.4 21.45 21.5 21.55 21.6 21.65 21.7 21.750

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3

Dia do mês de Outubro de 2008

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


21.25 21.3 21.35 21.4 21.45 21.5 21.55 21.6 21.65 21.7 21.750

5

10

15

50

100

150

200

log10 [NTU]

cm/s

(a)

33

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)


21.9 21.95 22 22.05 22.1 22.15 22.2 22.25 22.3 22.35 22.40

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


21.9 21.95 22 22.05 22.1 22.15 22.2 22.25 22.3 22.35 22.40

5

10

15

50

100

150

200

log10 [NTU]

cm/s

(b)

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


23.85 23.9 23.95 24 24.05 24.1 24.15 24.2 24.25 24.3 24.350

5

10

15

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


23.85 23.9 23.95 24 24.05 24.1 24.15 24.2 24.25 24.3 24.350

5

10

15

50

100

150

200

log10 [NTU]

cm/s

(c)

34

Dis

tânc

ia a

cim

a d

o fu

ndo

(m)


24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 250

2

4

6

8

10

12

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tân

cia

acim

a d

o fu

ndo

(m)


24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 250

2

4

6

8

10

12

50

100

150

200

log10 [NTU]

cm/s

(d)

Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


25.15 25.2 25.25 25.3 25.35 25.4 25.45 25.5 25.55 25.60

2

4

6

8

10

12

1

1.5

2

2.5

3


Dis

tânc

ia a

cim

a do

fund

o (m

)


25.15 25.2 25.25 25.3 25.35 25.4 25.45 25.5 25.55 25.60

2

4

6

8

10

12

50

100

150

200

log10 [NTU]

cm/s

(e)

Figura 14. Evolução temporal da turbidez (NTU), velocidades e salinidades medidas em outubro de 2008, nos pontos (a) P1, (b) P3, (c) P5, (d) P6 e (e) P8. Os dados

correspondem a aproximadamente 13 horas de fundeio em cada ponto.

35

(a)

(b)

Figura 15. Evolução temporal das salinidades medidas em outubro de 2008, nos pontos (a) P6 e (b) P8. Os dados correspondem a aproximadamente 13 horas de

fundeio em cada ponto.

150 200 250 300 350-40

-30

-20

-10

0

Dep

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

October 2008Q=100530 m3/sH=3.8 m

P6 P8 P9m)

P5P3P1

(th

Distance from Obidos (km)Distance from Macapá (km)

Figura 16. Perfil longitudinal em frente à foz do rio Amazonas, com a posição inferida da frente salina na campanha de medições de outubro de 2008.

A turbidez próxima ao fundo é maior durante a vazante ou nas estofas da maré

havendo, porém, na enchente, um aumento da turbidez ao longo da coluna de água

(exceção em P1). De um modo geral, nas três campanhas, há um aumento da

turbidez ao longo do canal, principalmente na região da frente salina. Quanto ao

comportamento da salinidade, diferente das campanhas anteriores (2006 e 2007), a

coluna de água mostrou-se bastante homogênea nesta ocasião. Cabe notar que nos

dados de 2008, o valor de saturação do OBS era de aproximadamente 2500 ntu (~14

g/l), enquanto que nos anos anteriores o valor de saturação do equipamento então

utilizado era de 500 ntu (~1,7 g/l).

36

Com respeito às medições nos fundeios Amasseds ao longo da foz (fundeios RMc,

RMi e RMo, Figura 2), há lama fluida em todas as estações, com concentrações

próximo ao fundo muitas vezes chegando a mais de 200 g/l. Todas as estações

apresentavam-se verticalmente estratificadas, sendo esta estratificação acentuada

na vazante e estofa de enchente (Figura 17). Houve apenas uma única estação onde

a frente salina não foi registrada.

dis

t. fu

nd

o (m

)

Concentração (g/l) Amasseds 2444 (P6)

0 2 4 6 8 10

2468

101214

-2

-1

0

1

2

dis

t. fu

nd

o (m

)

Velocidade (m/s)

0 2 4 6 8 10

2468

101214

0

0.5

1

1.5

Tempo (h)

dis

t. fu

nd

o (

m)

Salinidade

0 2 4 6 8 10

2468

101214

0

5

10

15

20

m/s

log10 [g/l]

(a)

37

dis

t. fu

ndo

(m)


0 2 4 6 8 10

2468

101214

-2

-1

0

1

2

Tempo (h)

dist

. fun

do (m

)

Velocidade (m/s)

0 2 4 6 8 10

2468

101214

0

0.5

1

1.5

log10 [g/l]

m/s

(b)

dis

t. fu

nd

o (

m)


0 2 4 6 8 10

2468

1012

-2

0

2

dis

t. fu

nd

o (

m)

Velocidade (m/s)

0 2 4 6 8 10

2468

1012

0

0.5

1

1.5

Tempo (h)

dis

t. fu

nd

o (m

)

Salinidade

0 2 4 6 8 10

2468

1012

0

10

20

log10 [g/l]

m/s

(c)

38

dis

t. fu

nd

o (

m)


0 5 10 15 20

5

10

15

-2

0

2

dis

t. fu

nd

o (

m)

Velocidade (m/s)

0 5 10 15 20

5

10

15

0

0.5

1

1.5

Tempo (h)

dis

t. fu

nd

o (m

)

Salinidade

0 5 10 15 20

5

10

15

0

10

20

log10 [g/l]

m/s

(d)

Figura 17. Evolução temporal das concentrações de sedimento em suspensão, velocidades e salinidade nas estações Amasseds (a) 2444/P6, (b) 3454/P6, (c)

3455/P9 e (d) 4413/P5.

Os perfis de concentrações medidos nas estações Amasseds são apresentados na

Figura 18, junto aos valores dos gradientes verticais de densidade ao longo da coluna

de água.

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 2444

concentração (g/l, linhas) e drho(s,t,c)/dz (símbolos)

Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 2444


Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 3454 - sem sal


Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 3454 - sem sal


Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

(a) (b)

39

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMo - 3455

concentração (g/l, linhas) e drho(s,t,c)/dz (s ímbolos)

Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMo - 3455

concentração (g/l, linhas) e drho(s,t,c)/dz (s ímbolos)

Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-6

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMc - 4413


Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

10-6

10-4

10-2

100

102

104

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMc - 4413


Alt

ura

acim

a d

o fu

nd

o no

rma

liza

da (

m)

(c) (d)

Figura 18. Perfis horários das concentrações de sedimento em suspensão (linhas azuis) e gradiente vertical de densidade (círculos negros), nas estações Amasseds (a)

2444/P6, (b) 3454/P6, (c) 3455/P9, e (d) 4413/P5.

A estação RMi 3454, localizada próximo à estação P6 e ocupada em 11/6/1990, foi

a única entre todas as estações Amasseds do transecto em frente ao rio, onde no

momento da medição não havia salinidade, tendo sido ocupada em período de cheia

do rio e maré de 2,4 m (que no local chega a cerca de 4 m na sizígia e 1,5 m na

quadratura). Esta é também a única das estações Amasseds onde não há lama fluida,

sendo as concentrações de sedimentos em suspensão ordem de 1 g/l e perfil de

concentrações bastante homogêneo (Figura 18.b). Em 2007, durante a campanha

Barra Norte, esta mesma estação (RMi/P6) encontrava-se igualmente antes da frente

salina, mas apresentou lama fluida próximo ao fundo durante as estofas (Figura

12.c). Embora em 2007 o OBS utilizado chegasse à saturação para concentrações

maiores que 1,7 g/l, aproximadamente, não chegando a medir os 10 g/l indicativos

da lama fluida, a presença desta é suposta pelo aparecimento de lutoclina nos perfis

de concentração (Figura 32).

4.2. Modelagem hidrodinâmica com o EFDC

A análise dos dados de campo permitiu observar o comportamento dos perfis de

concentração de sedimentos, bem com aqueles de velocidade da corrente e

salinidades ao longo do ciclo de maré, porém essa observação restringe-se aos pontos

de coleta, localizados ao longo do canal de navegação. No entanto, os processos

dinâmicos no estuário amazônico ocorrem de forma tridimensional, diferente da

maioria dos estuários típicos de embocadura de rios, onde os processos dinâmicos

40

podem ser considerados bidimensionais, com uma dimensão na horizontal, ao longo

do eixo principal do rio, e a dimensão vertical. Assim, para complementar

espacialmente a informação dos dados de campo, foi implementado um modelo

hidrodinâmico à região de estudo. O modelo permite ainda observar o

comportamento das variáveis para outras situações e/ou forçantes, bem como avaliar

o papel de determinadas forçantes de forma isolada.

A utilização da modelagem numérica visa aqui, como em Jewell et al. (1993), a

análise dos processos sedimentológicos à luz dos processos decorrentes da

hidrodinâmica local, principalmente aqueles associados à formação de zonas de alta

turbidez e depósitos de lama. Porém, aqui serão consideradas as variações no tipo de

fundo ao longo do domínio, bem como a inclusão da componente N2 local na previsão

da maré para os nós da fronteira aberta, componente esta responsável por

importante desigualdade mensal nos ciclos de quadratura (Figura 8); além de N2,

incluem-se as componentes harmônicas M2, S2, K1, K2, O1, P1 e Q1, sendo M2 e S2

responsáveis por cerca de 70 a 85% da amplitude da maré no estuário Amazônico

(Gallo e Vinzón, 2005).

Um objetivo específico da modelagem hidrodinâmica aqui adotada é o de

computar as velocidades residuais na plataforma adjacente à desembocadura do rio

Amazonas, e avaliar o seu comportamento em função das forçantes locais. O

propósito é identificar possíveis zonas de convergência dos fluxos residuais ao longo

do canal, assim como fluxos residuais laterais, que possam estar atuando para a

acumulação dos sedimentos finos em frente à foz, e na formação e manutenção dos

depósitos de lama aí presentes.

Para a simulação da dinâmica do estuário amazônico foi utilizado o módulo

hidrodinâmico 3D do modelo numérico EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code),

desenvolvido no Virginia Institute of Marine Science, incluído o transporte de sal. O

modelo resolve as equações do movimento em três dimensões para fluido turbulento

de densidade variável, considerando aproximação hidrostática na vertical (Hamrick,

1992). As condições de contorno utilizadas foram de vazão a montante do rio e de

elevação da maré na fronteira externa, e o fechamento da turbulência na vertical é

aquele proposto por Mellor e Yamada (1982) de ordem 2½, modificado por Galperin

et al. (1988); nos termos de difusão turbulenta horizontal é utilizado formulação de

Smagorinsky (1964).

Na implementação do modelo, a parametrização das tensões de fundo levou em

consideração os resultados de Gabioux et al. (2005), bem como de Gallo e Vinzón

41

(2005), impondo uma altura de rugosidade quase-nula nas regiões onde há lama para

simular o efeito viscoso.

Domínio modelado e malha de cálculo

Em uma primeira fase da modelagem hidrodinâmica, foi utilizada uma malha de

cálculo com 4004 nós, com espaçamento médio de 12 km próximo à desembocadura e

de cerca de 20 km lá fora, sobre a plataforma (Figura 19). Esta malha já havia sido

previamente configurada e calibrada (Gallo, 2009).

Foi feita inicialmente uma simulação utilizando, na fronteira aberta, a maré de

2006 prevista a partir das constantes harmônicas obtidas do modelo global FES99

para os pontos da fronteira, e vazão de 274600 m3/s a montante do rio. Tal

simulação visou a verificação do modelo com os dados de alturas e velocidades da

maré medidos em junho de 2006.

-56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -42Longitude (graus)

-40

-2

0

2

4

6

Latit

ude

(gra

us)

100 km050100

(a)

42

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

Latit

ude

(UTM

)

400000 600000 800000 1000000 1200000Longitude (UTM)

(b)

Figura 19. (a) Primeira malha de cálculo utilizada para a modelagem hidrodinâmica da plataforma amazônica com o modelo EFDC 3D e (b) isolinhas batimétricas no

domínio da modelagem (em metros).

O resultado dessa simulação mostrou um bom acordo do modelo hidrodinâmico 3D

com os dados medidos, no que diz respeito às alturas do nível d’água e velocidades

médias nos pontos de fundeio (Figura 20). Porém, verificou-se que o transporte de sal

ainda necessitava ajustes, com a intrusão salina avançando demasiado em direção à

costa, com respeito ao que foi observado em campo, chegando ao ponto de fundeio

P1 nos resultados do modelo quando deveria, conforme o observado em campo,

encontrar-se próxima a P6. Além disso, as velocidades residuais calculadas para os

resultados do modelo (Figura 21) também se mostraram distintas daquelas

observadas nos dados de campo. Nos dados de campo aos quais se corresponde a

modelagem, as velocidades residuais de maré nos pontos de fundeio são em direção

ao mar, com exceção de P5, onde as velocidades residuais no fundo são quase nulas.

Além disso, as velocidades em P6 e P8 são da mesma ordem de grandeza daquelas

observadas em P1. Porém, os resultados do modelo apontam velocidades residuais

menores de P5 em diante, aproximadamente a metade daquelas em P1, em direção à

costa.

43

Elevações medidas e simuladas com modelo EFDCno ponto de fundeio P5 da campanha Barra Norte I

6/6/200618:43

6/6/200620:38

6/6/200622:33

7/6/200600:28

7/6/200602:24

7/-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

6/6/200616:48

6/200604:19

Ele

vaçã

o (m

)

medição

modelo

(a)

Velocidades médias medidas e simuladas com modelo EFDC no ponto de fundeio P5 da campanha Barra Norte I

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

6/6/0616:48

6/6/0618:00

6/6/0619:12

6/6/0620:24

6/6/0621:36

6/6/0622:48

7/6/0600:00

7/6/0601:12

7/6/0602:24

7/6/0603:36

7/6/0604:48

Vel

ocid

ade

(m/s

)

medição

modelo

(b)

Figura 20. Comparação das (a) elevações e (b) velocidades médias calculadas com o módulo hidrodinâmico 3D do EFDC (malha 1) no ponto de fundeio P5, e os dados

coletados em campo durante a campanha Barra Norte I (2006).

44

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000La

titud

e (U

TM)

50 cm/s

400000 600000 800000 1000000Longitude (UTM)

1200000

Figura 21. Velocidades residuais de maré na zona da desembocadura, calculadas utilizando a malha da Figura 19, uma vazão de 274600 m3/s a montante, e maré

prevista do dia 15/6/2006 na fronteira aberta ao mar. As estrelas indicam as estações de medição P1, P3, P5, P6, P8 e P9, da Figura 7.

Concomitante à implementação do EFDC, a análise dos dados de campo mostrou

ser a região compreendida entre os pontos P3 a P8 de crucial importância nos

processos de acumulação de sedimentos e formação dos depósitos de lama, sendo

uma região preferencial de acumulação de sedimentos na região da foz. Como a

malha até agora utilizada representava essa região com poucos nós de cálculo entre

os pontos de medição do projeto Barra Norte (em geral um ou dois nós de cálculo

somente entre os pontos de fundeio considerados, ver Figura 22), para melhor avaliar

o comportamento das velocidades e da frente salina na região dos fundeios, foi

realizada uma malha mais refinada, principalmente na região da foz.

-100000

0

100000

200000

300000

Latit

ude

(UTM

)

500000 600000 700000 800000Longitude (UTM)

45

Figura 22. Detalhe da primeira malha de cálculo, na região dos pontos de fundeio Barra Norte.

A nova malha foi construída com 7120 nós de cálculo, distribuídos conforme a

Figura 23. A distância média entre os nós, na região da foz e dos pontos de fundeio, é

de aproximadamente 4 km.

Ajuste do modelo com dados e observações de campo

Os primeiros ensaios com a malha refinada foram feitos, assim como

anteriormente, utilizando como forçantes externas somente a vazão na fronteira a

montante, e série temporal de marés na fronteira oceânica. Como no caso anterior,

aqui também as constantes harmônicas da maré, utilizadas para previsão da maré nos

pontos de fronteira, foram obtidas por interpolação das constantes do modelo FES99.

100000 250000 400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude (UTM)

-400000

-250000

-100000

50000

200000

350000

500000

Latit

ude

(UTM

)

1

2

3

4

5

6

7

8

910

11

12

13

14

100 km050100

100 km050100

Figura 23. Domínio e segunda malha de cálculo para a modelagem hidrodinâmica com o EFDC 3D. As estações em vermelho correspondem a estações maregráficas, e

as estrelas negras representam pontos para comparação com os dados de campo disponíveis. No detalhe à direita, ao alto, a segunda malha (em azul) e a primeira

malha sobrepostas; e abaixo, detalhe da malha na zona da desembocadura, na região dos pontos de fundeio Barra Norte.

46

Definiu-se um campo de rugosidades de fundo interpolado dos valores de

rugosidade da malha 1. Porém, a comparação dos resultados do modelo com os dados

de campo (Figura 24) mostrou a necessidade de uma nova calibração do modelo, para

melhor ajuste aos dados medidos.

P8

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

24/10/08 21:36 25/10/08 2:24 25/10/08 7:12 25/10/08 12:00

Ele

vaçã

o (m

)

Medição

Modelo

(a)

P8

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

24/10/0819:12

24/10/0821:36

25/10/080:00

25/10/082:24

25/10/084:48

25/10/087:12

25/10/089:36

25/10/0812:00

25/10/0814:24

25/10/0816:48

vel E dadosvel N dadosvel E modelovel N modelo

(b)

Figura 24. (a) Alturas e (b) velocidades médias, calculadas pelo modelo no ponto P8 (linhas tracejadas) utilizando um mapa de rugosidade interpolado daquele utilizado

na malha 1; e valores medidos (linhas cheias) no ponto P8, em outubro de 2008.

47

A calibração do modelo foi feita mudando a distribuição do campo de rugosidades

de fundo. Uma nova distribuição espacial das rugosidades foi então imposta,

escolhida a partir de um mapa faciológico da região (Figura 25, Piatam-Oceano,

2008). Assim como em Gallo e Vinzon (2005) e Fernandes et al. (2007), o efeito da

lama sobre o escoamento é considerado através do artifício de impor um valor de

rugosidade mínimo, correspondendo ao atrito resultante da parametrização viscosa

utilizada em Gabioux et al. (2005) nas regiões lamosas (ε=10-9 m), para simular o

efeito viscoso da lama sobre o escoamento de maré.

(a)

48

400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude UTM

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

Latit

ude

UTM

0 to 2E-009 2E-009 to 0.0002 0.0002 to 0.002 0.002 to 0.006 0.006 to 0.009 0.009 to 0.02

(b)

Figura 25. (a) Mapa faciológico da plataforma amazônica (Piatam-Oceano, 2008); e (b) alturas equivalentes das rugosidades de fundo (ε) utilizadas na modelagem

matemática (escala da legenda em metros). No painel (b), os círculos azuis ao longo do canal correspondem aos pontos de medição do Projeto Barra Norte.

A simulação foi escolhida de modo a que seus resultados pudessem ser comparados

aos dados medidos em outubro de 2008. Foi considerada uma vazão de 100300 m3/s

a montante, equivalente àquela da época das medições, e maré prevista para 2008

nos nós da fronteira aberta. Esta é a simulação considerada padrão (ver Tabela 4). A

Figura 26 apresenta a comparação de alturas e das componentes N e E da velocidade

no ponto P8, calculadas pelo modelo após a modificação do campo de rugosidades

(linha tracejada), e aquelas medidas em campo (linha cheia). Esses resultados

correspondem a uma simulação sem a forçante de vento. Neste caso, o ajuste entre

as velocidades medidas e aquelas modeladas mostrou bom acordo em termos das

componentes zonais da velocidade, porém a componente para sul é superestimada

(Figura 26.b). Nos dados de campo, em termos das velocidades meridionais, há um

predomínio do fluxo para norte, e nossa hipótese é que isto poderia ocorrer devido

ao efeito do vento.

49

P8

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

24/10/08 21:36 25/10/08 2:24 25/10/08 7:12 25/10/08 12:00

Ele

vaçã

o (m

)Medição

Modelo

(a)

P8

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

24/10/0819:12

24/10/0821:36

25/10/080:00

25/10/082:24

25/10/084:48

25/10/087:12

25/10/089:36

25/10/0812:00

25/10/0814:24

25/10/0816:48

vel E dadosvel N dadosvel E modelovel N modelo

(b)

Figura 26. (a) Alturas e (b) velocidades médias calculadas pelo modelo (linhas tracejadas), utilizando o mapa de rugosidade de fundo da Figura 25; e valores

medidos (linhas cheias) no ponto P8, em outubro de 2008. Sem vento.

A Figura 27 apresenta a pluma de salinidade superficial simulada pelo modelo para

o dia 23 de outubro de 2008, ainda na simulação sem vento. Esta possui semelhanças

àquela inserida dos dados hidrográficos medidos entre fevereiro e março de 1990,

durante campanha Amasseds (Geyer et al., 1991) no que tange à localização e

conformação espacial das baixas salinidades ao longo da plataforma. Assim, tanto

aqui como lá a pluma de água doce do rio tende a contornar as baixas profundidades

50

na região do Cabo Norte, na margem norte da desembocadura, estendendo-se rumo a

noroeste sobre a plataforma continental.

400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude UTM

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

Latit

ude

UTM

Figura 27. Salinidade superficial calculada pelo modelo para o dia 23 de outubro de 2008 (simulação padrão).

Foi implementada uma nova simulação, desta vez considerando um vento E de 10

m/s, correspondente ao vento climatológico no período das medições. Na

comparação entre as velocidades médias calculadas pelo modelo, considerando o

vento, e aquelas medidas neste período (Figura 28), observa-se que a inclusão do

vento E permitiu uma melhor resolução das componentes sul e oeste das velocidades,

embora tenha superestimado a magnitude das componentes norte e leste, bem como

aumentando a diferença de fase entre a componente norte medida e modelada.

51

P8

-300.00

-200.00

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

24/10/0819:12

24/10/0821:36

25/10/080:00

25/10/082:24

25/10/084:48

25/10/087:12

25/10/089:36

25/10/0812:00

25/10/0814:24

25/10/0816:48

vel E dadosvel N dadosvel E modelo_vento NEvel N modelo_vento NE

Figura 28. Comparação entre as velocidades médias em P8, medidas em outubro de

2008, e aquelas calculadas pelo modelo considerando um vento leste de 10 m/s, além de vazão e maré.

Ainda considerando a inclusão do vento no modelo, foi então feita uma nova

simulação, dessa vez considerando um vento NE, representativo dos meses de

dezembro a maio, de mesma intensidade que o vento E anteriormente

implementado, 10 m/s. O resultado, em termos da pluma de salinidade superficial, é

apresentado na Figura 29. Vê-se um maior confinamento da pluma superficial junto à

desembocadura, se comparada à extensão da pluma obtida com a simulação padrão

(sem vento) ou considerando o vento E.

400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude UTM

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

Latit

ude

UTM

25 cm/s

52

Figura 29. Salinidade superficial calculada pelo modelo, considerando um vento vindo de NE de 10 m/s.

Há uma questão que deve ser considerada em relação aos resultados da

modelagem hidrodinâmica. Esta diz respeito à resposta do modelo ao valor da

rugosidade do fundo ao longo domínio, especificada através de uma altura da

rugosidade (ε). Em termos da distribuição do campo de salinidades, bem como no que

se refere às velocidades residuais, essa resposta é bastante sensível à altura de

rugosidade especificada. Isto foi verificado através da implementação de uma nova

rodada, desta vez considerando um valor de altura de rugosidade de fundo constante

em todo o domínio, ε = 0,001 m.

É importante ressaltar que o efeito da rugosidade nas velocidades residuais e na

distribuição espacial da frente salina não é sentido apenas no fundo, mas em toda

coluna de água, como pode ser observado nas distribuições espaciais da salinidade na

superfície e no fundo, representadas na Figura 30 para a simulação padrão –

correspondendo a maré de 2008, vazão de 100300 m3/s, rugosidades conforme mapa

faciológico, sem vento – comparadas às distribuições de salinidade simulada para as

mesmas condições anteriores, a menos da rugosidade de fundo, desta vez constante.

400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude UTM

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

Latit

ude

UTM

Rug. constante

Rug. - mapa faciológico

Superfície

(a)

53

400000 550000 700000 850000 1000000 1150000

Longitude UTM

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

Latit

ude

UTM

Rug. constante

Rug. - mapa faciológico

Fundo

(b)

Figura 30. Isolinhas de salinidade (2, 20 e 34), (a) na superfície e (b) no fundo, para rugosidade de fundo variável (incluído o efeito da lama fluida, isolinhas negras) e rugosidade de fundo constante (ε=0,001 m, isolinhas vermelhas). Os círculos azuis

indicam as estações de medição P1, P3, P5, P6, P8 e P9, das campanhas Barra Norte.

Tabela 4. Resumo das simulações implementadas com o EFDC 3D

Simulação Maré Vazão Vento Rugosidade de fundo

Simulação 1 (simulação padrão)

Maré prevista para 2008 100300 m3/s Sem vento Mapa faciológico

(com lama)

Simulação 2 Maré prevista para 2008 100300 m3/s Vento E

10m/s Mapa faciológico

(com lama)

Simulação 3 Maré prevista para 2008 100300 m3/s Vento NE

10m/s Mapa faciológico

(com lama)

Simulação 4 Maré prevista para 2008 268000 m3/s Sem vento Mapa faciológico

(com lama)

Simulação 5 Maré prevista para 2008 100300 m3/s Sem vento Constante (ε=0,001

m)

54

5. RESULTADOS

Os dados de turbidez na foz do estuário revelaram um notável acúmulo de

sedimentos em suspensão após a desembocadura. Assim, os valores de concentração

de sedimentos em suspensão medidos em outubro de 2008 (Figura 31) passaram dos

cerca de 0,15 g/l observados na estação P1, a mais de 14 g/l (valor de saturação do

OBS utilizado em 2008, porém podendo chegar a mais de 300 g/l, conforme dados do

Projeto Amasseds).

P1

P3

P5

P6

P8

P9

P1

P3

P5

P6

P8

P9

Ponto de saturação do OBS

Ponto de saturação do OBS

Out/2008

Figura 31. Perfis horários de concentração de sedimentos em suspensão, medidos ao longo de 13 horas em cada ponto de fundeio, nas estações da campanha Barra Norte

de outubro de 2008 (P1, em negro, a P9, em celeste). Concentrações em escala logarítmica).

Além da acumulação de sedimentos ao longo da foz, pode ser observada também

uma mudança na forma dos perfis de concentração, que vão de perfis típicos de

-53 -52 -51 -50 -49 -48 -47Longitude (°)

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Latit

ude

(°)

P1P3

P5P6

P8P9

55

Rouse1, característicos de condições de mistura turbulenta homogênea, a perfis que

exibem a presença de lutoclina, indicando a supressão da turbulência por efeito da

estratificação. Para os dados da Figura 31, coletados em outubro de 2008, essa

mudança ocorre quando o escoamento encontra a frente salina na estação P6.

Com respeito ao ponto de fundeio P5, a acumulação de sedimentos aí registrada

pode ter também a contribuição de um possível fluxo por gravidade, já que a estação

encontra-se na base de um baixio localizado em frente à foz, cujo topo é uma região

de grande acumulação de sedimentos, formando camadas de lama fluida junto ao

fundo.

Em julho de 2007, uma vez mais, é notável o aumento das concentrações a partir

da foz, principalmente de P6 em diante, com saturação do OBS em P8 e inversão de

velocidades na vertical durante a enchente da maré (Figura 12). O mesmo ocorre em

junho de 2006 (Figura 10). Entretanto, em julho de 2007 foi observada a presença de

lutoclina em condições de água doce (Figura 32), na estação P6, que nessa ocasião

situava-se antes da frente salina, observada somente da estação P8 em diante. Isto

sugere que a captura de sedimentos na foz do Amazonas tem início em condições de

água doce, não podendo, portanto, ser explicada somente pelos efeitos da circulação

gravitacional ou de supressão da turbulência induzido apenas pela estratificação

salina.

Ponto de saturação do OBS em 2007

Figura 32. Perfis de concentração de sedimentos em suspensão medidos na estação P6 em julho de 2007, ao longo de um ciclo de maré.

1 O perfil de Rouse supõe um perfiul de concentrações tal que

*/

0

0

)()(

uuWs

ref

refref hhz

hzhCC , onde

C é a concentração de sedimentos ao longo do perfil vertical, Ws a velocidade de queda da partícula, κ a constante de Von Karman, u* a velocidade crítica de atrito no fundo, e β um coeficiente de proporcionalidade (β≈1). O expoente Ws/βκu* é chamado parâmetro de Rouse.

βκ−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

−=

56

Os dados medidos, bem como aqueles obtidos da modelagem, foram analisados

visando identificar os processos envolvidos na dinâmica dos sedimentos em

suspensão. Entre os mecanismos que se quer identificar inclui-se a circulação

gravitacional, decorrente do gradiente horizontal de densidades, e seus efeitos nas

correntes residuais de fundo; os efeitos da turbulência/capacidade de mistura e da

estratificação da coluna de água sobre a concentração de sedimentos em suspensão;

e fluxos residuais convergentes.

5.1. Circulação gravitacional

Um dos principais mecanismos citados na literatura para a retenção de sedimentos

finos em áreas estuarinas é a circulação gravitacional. Nos dados coletados, pode-se

observar o resultado do gradiente de pressões adverso, gerado pelo gradiente

horizontal de velocidades, nos perfis de velocidade depois que o fluxo encontra a

frente de salinidade (comparar, por exemplo, as velocidades na estação P5,

localizada logo antes da região da frente salina, com aquelas medidas na estação P8,

já na região da frente, no caso dos dados de outubro de 2008, Figura 33). Naquelas

estações localizadas na região da frente salina, durante a enchente da maré as

velocidades próximas ao fundo ultrapassam aquelas da superfície, como pode ser

observado nos painéis (a) e (b) da Figura 34.

(a)

57

(b)

Figura 33. Perfis horários de velocidade medidos com um ADCP de 600 kHz nas estações P5 (a) e P8 (b) em outubro de 2008 (velocidades positivas para a vazante da maré e negativas para a enchente). A estação P5 situa-se antes da frente salina, em

água doce, e a estação P8 na região da frente.

Os dados de velocidade sugerem, portanto, a ocorrência de circulação

gravitacional na região da frente salina. Como consequência, são esperadas correntes

residuais de fundo em direção à costa naquelas estações onde a circulação

gravitacional se faz presente, o que poderia ajudar a explicar a acumulação de

sedimentos, mesmo sendo as velocidades de vazante maiores que aquelas de

enchente em todas as estações consideradas. Na verdade, essa corrente residual

rumo à costa só foi observada em uma estação das campanhas Barra Norte – estação

P6 em 2006, ocupada durante a cheia do rio e maré de quadratura. Isto também é

válido para os dados do Projeto Amasseds, onde as velocidades residuais nos pontos

em frente ao rio são de vazante em toda a coluna d’água, exceto em uma única

estação, estação RMc 4413, ocupada em novembro de 1991, em maré de quadratura

e a mais baixa vazão do rio de todas as diferentes campanhas.

58

7.3 7.35 7.4 7.45 7.5 7.55 7.6 7.65 7.7 7.75 7.80

50

100

150

200

250P6 - Jun/2006

Mód

ulo

da s

vel

ocid

ade

s (c

m/s

)


30% prof.35% prof.50% prof.70% prof.80% prof.90% prof.

(a)

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.60

50

100

150

200

250P8 - Out/2008

Mód

ulo

da

s ve

loci

dad

es (

cm/s

)



(b)

23.8 23.9 24 24.1 24.2 24.30

50

100

150

200

250P5 - Out/2008

Mód

ulo

das

velo

cida

des

(cm

/s)



(c)

Figura 34. Módulo das velocidades (a) na estação P6 em junho de 2006, (b) estação P8 em outubro de 2008 e, (c) estação P5 em outubro de 2008. As estações em (a) e

(b) encontram-se na região da frente salina, enquanto que a estação (c) encontra-se antes da frente, em região de água doce. (100% da profundidade = fundo).

As velocidades residuais de maré para os fundeios de outubro de 2008 (calculadas

através da média das velocidades medidas no período da componente M2 da maré,

12,42 h) são apresentadas na Figura 35. Na figura, o norte está alinhado a 90º, sendo

a direção do canal aproximadamente NE-SW (vazante para NE e enchente para SW).

Nota-se o fluxo residual de vazante em todos os pontos, com exceção de P5, com

fluxo quase nulo próximo ao fundo. Assim, o efeito da circulação gravitacional na

região do canal parece não ser capaz de superar o fluxo dominante de vazante.

59

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P1 Out/2008

(a)

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P5 Out/2008

% prof30%50%65%80%90%95%97.5%

N

(b)

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P6 Out/2008

(c)

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P8 Out/2008

(d)

Figura 35. Correntes residuais de maré ao longo da desembocadura do rio Amazonas em outubro de 2008: (a) P3; (b) P5; (c) P6 e (d) P8 (100% da profundidade = fundo). O

norte está alinhado a 90º (0º=leste).

Os dados medidos durante a cheia de 2006 também resultaram em velocidades

residuais de vazante na região do canal, com exceção do ponto P6. A Figura 36

mostra as velocidades residuais nos pontos P3, P5 e P6 em junho de 2006, sendo que

nessa ocasião a frente salina encontrava-se em P6.

60

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P3 Jun/2006

(a)

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P5 Jun/2006

% prof30%50%65%80%90%95%97.5%

N

(b)

10

20

30

40

50

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

P6 Jun/2006

(c)

Figura 36. Correntes residuais de maré ao longo da desembocadura do rio Amazonas em junho de 2006: (a) P3 e (b) P5 e (c) P6 (100% da profundidade = fundo). O norte

está alinhado a 90º (0º=leste).

As vazões sólidas ao longo do tempo, calculadas nos pontos de fundeio de outubro

de 2008, são apresentadas na Figura 37. Na figura, vazões positivas significam um

transporte em direção ao oceano (vazante) e negativas, um transporte em direção à

costa (enchente). O cálculo das vazões sólidas residuais na direção transversal à

costa (isto é, ao longo do canal) também resulta em transporte predominantemente

de vazante (Figura 38).

61

(a)

(b)

(c)

(d)

62

(e)

Figura 37. Vazões sólidas ao longo de um ciclo de maré, na direção do canal (positivo rumo ao mar), para as estações (a) P1, (b) P3, (c) P5, (d) P6 e (e) P8, de outubro de

2008.

-51 -50.5 -50 -49.5 -49 -48.5 -48Longitude (°)

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Latit

ude

(°)

P1P3

P5P6

P8P9

Figura 38. Vazões sólidas residuais na direção do canal, calculadas para outubro de 2008. Valores positivos são para fora, em direção ao mar. Cabe ressaltar que a

vazão máxima em P6 e P8 está subestimada, devido à saturação do OBS.

Nas estações apresentadas, ocupadas em outubro de 2008, a única onde a vazão

sólida é maior na enchente que na vazante é em P5, localizada ainda em água doce,

no limite da frente salina. Porém, na estação seguinte, já na região da frente salina

(estação P6), o pico das vazões sólidas se dá na direção da vazante, sendo uma

ordem de grandeza maior que as vazões sólidas em P5. Com respeito às vazões

sólidas residuais, observa-se um máximo em P6, diminuindo em P8 com respeito ao

63

ponto anterior, o que poderia indicar uma retenção de sedimentos entre P6 e P8, na

região do depósito lamoso. A ressalva que se faz aqui é o fato de esses valores de

vazão sólida estarem subestimados de P6 em diante, já que houve saturação próximo

ao fundo do OBS utilizado para medir a turbidez na maioria dos perfis em P6 e em

P8, como anteriormente mencionado.

Da mesma forma, os dados do projeto Amasseds também possuem vazão sólida

residual de vazante, como mostra a Figura 39. A exceção ocorre na estação 4413,

ocupada durante a seca do rio, em novembro de 1991, e quadratura da maré (2,1 m).

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMc - 4413

vazão sólida [(m/s)(g/l)]

prof

undi

dad

e n

orm

aliz

ada

-30 -20 -10 0 10 20 30 400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 2444


prof

undi

dad

e n

orm

aliz

ada

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMi - 3454


prof

undi

dad

e n

orm

aliz

ada

-10 -5 0 5 10 15 20 250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1RMo - 3455


prof

undi

dad

e n

orm

aliz

ada

Figura 39. Vazões sólidas nas estações Amasseds RMc, Rmi e Rmo (positivo rumo ao mar). A linha mais grossa, em negro, indica a vazão sólida residual no período da

maré.

Considerando os dados de salinidade calculados pelo modelo na região da frente

salina para o mês de outubro de 2008, estes mostraram uma notável estratificação da

coluna d’água durante a quadratura mínima mensal, não observada no restante do

mês (Figura 40). No mesmo período, são observadas velocidades residuais de fundo

64

em direção à costa (Figura 41.b), corroborando a hipótese de ocorrência de um

padrão gravitacional de circulação na desembocadura. Esse padrão só é observado

durante a quadratura mínima mensal, favorecido pela estratificação decorrente da

menor energia de mistura da maré nesse período.

Salinidades em P3 - outubro de 2008

0

5

10

15

20

25

30

35

40

29/9 1/10 3/10 5/10 7/10 9/10 11/10 13/10 15/10 17/10 19/10 21/10 23/10 25/10 27/10 29/10

Salin

idad

e

fundo

superfície

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

29/9 1/10 3/10 5/10 7/10 9/10 11/10 13/10 15/10 17/10 19/10 21/10 23/10 25/10 27/10 29/10

Elev

ação

(m)

Figura 40. Salinidades, na superfície (em azul) e no fundo (em vermelho), calculadas pelo modelo no ponto P3. No detalhe acima, à esquerda, as alturas da maré em P3

no mesmo período.

Para testar a hipótese de as velocidades residuais de enchente observadas durante

a quadratura serem efetivamente resultado da circulação gravitacional, foi

implementado um novo teste onde foram mantidas as mesmas condições do teste

anterior, porém para domínio somente de água doce. A Figura 41 mostra as

velocidades residuais calculadas durante a quadratura para esse novo teste,

comparadas àquelas calculadas considerando também o transporte de sal. Na

simulação sem o transporte de sal, já não são observadas as velocidades residuais em

direção à foz, o que confirmaria nossa hipótese de as velocidades residuais de

enchente, observadas durante a mínima quadratura da maré, serem efetivamente

resultado de circulação gravitacional, devida ao gradiente horizontal de densidade.

Existe então a possibilidade de a acumulação de sedimentos observada antes da

frente salina ser favorecida, nas mínimas quadraturas, por um padrão gravitacional

de circulação, sendo os sedimentos transportados rio acima pelas correntes de fundo.

Porém, durante o restante do mês o efeito gravitacional não aparece, com

dominância de correntes residuais de vazante em toda a coluna d’água, ao longo do

65

canal. Outros mecanismos são então necessários para explicar o aumento observado

nos fluxos de sedimentos.

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

(a)

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

(b)

Figura 41. Velocidades residuais calculadas pelo modelo na região da foz para a quadratura, (a) no caso hipotético de água doce em todo o domínio e (b) para as

mesmas condições anteriores, porém com sal (simulação padrão). Em azul as isóbatas

66

de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.

5.2. Turbulência

Outro mecanismo que pode desempenhar um papel na distribuição e acumulação

dos sedimentos ao longo da foz do rio e no estuário amazônico é a possível

ressuspensão ocorrida durante a enchente da maré, devido à maior turbulência e

condições de mistura na vertical. Na vazante, apesar das fortes correntes, a condição

de maior estratificação da coluna de água atua na captura de parte dos sedimentos

em suspensão, devido à redução da turbulência, além de evitar a ressuspensão,

ocasionando o aumento das concentrações próximo ao fundo. Dessa forma, haverá

menos sedimento disponível para ser carregado pelas correntes. Com a entrada da

enchente, o aumento da turbulência tende a remobilizar os sedimentos do fundo,

disponibilizando-os novamente na coluna de água. A Figura 42 apresenta as tensões

no fundo, calculadas ao longo do ciclo de maré para os dados de velocidade dos

pontos P5 e P6 de outubro de 2008, onde são observadas maiores tensões durante a

enchente, ou próximo às estofas. O cálculo das tensões foi feito considerando a

aproximação de camada limite de maré (Nielsen, 1992; Vinzon, 1998), onde a tensão

de cisalhamento pode ser calculada como:

∫∞

∞−=z

dzuut

z )()(∂∂ρτ

sendo ρ a densidade da água, u(z,t) a velocidade na elevação z sobre o nível do

leito, u∞ a velocidade fora da camada limite e τ a tensão de cisalhamento no nível z.

67

23.8 23.9 24 24.1 24.2 24.30

50

100

150

200P5 - Out/2008

Mód

ulo

da v

eloc

idad

e (c

m/s

)

23.8 23.9 24 24.1 24.2 24.30

1

2

3

4

5

6

Ten

são

(Pa)

Day of October 2008

Vazante Enchente

(a)

24.4 24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 25 25.10

50

100

150

200P6 - Out/2008

Mód

ulo

da v

eloc

idad

e (c

m/s

)

24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 250

1

2

3

4

5

Ten

são

(Pa)

Day of October 2008

Enchente EnchenteVazante

(b)

Enchente

Figura 42. Módulo das velocidades (filtradas) e tensões de fundo calculadas ao longo do ciclo de maré nos pontos (a) P5 e (b) P6, para os dados de outubro de 2008.

Na Figura 43 é novamente apresentada a evolução temporal e ao longo do perfil

da turbidez para os dados dos fundeios de 2008, juntamente com a evolução das

tensões calculadas. Observa-se o aumento da turbidez em níveis superiores da coluna

de água durante a enchente. Porém, as tensões em P6 são aproximadamente a

metade daquelas calculadas em P5.

68

(a)

(b)

Figura 43. Evolução temporal da turbidez e das tensões nos pontos de fundeio (a) P5 e (b) P6, para os dados de outubro de 2008. Nessa ocasião, P5 encontrava-se no

limite da frente salina no fundo, e P6 já na região da frente.

69

Assim, observa-se uma dominância da mistura na enchente, que não é explicada

somente pela presença da cunha salina, já que pode ser igualmente observada

naquelas estações anteriores à frente de salinidade.

O efeito da turbulência pode também ter influência na floculação das partículas

em suspensão, influenciando a velocidade de queda das mesmas, uma vez ser esta

proporcional ao diâmetro do floco (Winterwerp et al., 2006). De fato, Freire et al.

(2010) analisam o tamanho médio das partículas na estação P5 ao longo de um ciclo

de maré, medido in situ em junho de 2006, durante a cheia, e em outubro de 2008,

na estação seca do rio. Os autores encontraram uma clara assimetria, com maior

diâmetro dos flocos nas marés de vazante. Isto poderia levar a uma maior

sedimentação durante a vazante, diminuindo assim o transporte nessa direção.

5.3. Correntes residuais laterais de fundo

Embora o fluxo residual na região do canal, nos pontos de medição, seja

preponderantemente de vazante, a acumulação de sedimentos aí observada pode ser

resultado do aporte de correntes residuais laterais e/ou zonas de recirculação. Para

testar tal hipótese, foi implementado o modelo hidrodinâmico do EFDC, conforme

descrito no capítulo 5.2.

A Figura 44 apresenta os fluxos residuais de maré na região da desembocadura,

calculados a partir dos resultados do modelo para o dia 25/10/2008, escolhido

visando comparação com os dados medidos na mesma época. As velocidades nos

pontos de fundeio se mostraram de acordo àquelas medidas, com respeito às

direções e intensidades relativas das mesmas. Além disso, podem ser observadas

velocidades convergentes na região do ponto P5 (terceira estrela a partir da

desembocadura, na figura) e nas laterais aos pontos P6, P8 e P9 (quarta estrela em

diante, na figura) onde foram observadas em campo camadas de lama fluida junto ao

fundo.

70

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

Figura 44. Velocidades residuais de maré ao longo da plataforma, calculados pelo modelo (simulação padrão), para valores de vazão e maré correspondentes a 25 de

outubro de 2008. Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir

da foz.

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

(a)

71

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

(b)

Figura 45. Velocidades residuais calculadas pelo modelo (simulação padrão) na região da desembocadura para (a) sizígia e (b) quadratura. Em azul as isóbatas de 10,

20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.

Com respeito às diferenças entre as velocidades residuais de maré para um

período de sizígia ou de quadratura, na Figura 45 são contrastadas as velocidades

residuais calculadas para maré de sizígia (correspondente ao dia 16/10/2008) e para

a quadratura mínima mensal (dia 07/10/2008). Na maré de sizígia, há uma

intensificação das correntes residuais, porém é mantido o padrão de distribuição

espacial das mesmas, calculado anteriormente para a maré do dia 25/10/2008

(Figura 44). Porém, na quadratura, esse padrão se modifica, aparecendo correntes no

fundo em direção à foz ao longo de quase todo o canal de navegação, sugerindo o

efeito concorrente da circulação gravitacional na região da frente salina.

As velocidades residuais calculadas pelo modelo, para condições em tudo iguais à

anterior, a menos da rugosidade de fundo, desta vez constante, mostraram um

padrão bastante diferente ao longo da foz, assim também a distribuição do campo de

salinidades (Figura 46). Além disso, a magnitude das velocidades residuais é bem

menor, se comparadas às calculadas utilizando a rugosidade variável, com

velocidades residuais predominantemente de vazante ao longo do canal,

desaparecendo a recirculação em frente à Ilha de Marajó.

72

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

110000

160000

210000La

titud

e U

TM

25 cm/s

Figura 46. Velocidades residuais de maré, para rugosidade de fundo constante (simulação 5). A escala dos vetores é distinta daquela da Figura 44, sendo lá 50 cm/s e aqui 25 cm/s. Em azul as isóbatas de 10, 20 e 40 m. As estrelas ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir

da foz.

5.3.1. Efeito do vento

Para observar qual o efeito da tensão do vento sobre as correntes residuais de

fundo, foi implementada uma simulação considerando uma vazão de 100300 m3/s, a

mesma dos ensaios anteriores, correspondente a outubro de 2008; as alturas

previstas da maré na fronteira externa para o ano de 2008; e um vento leste de 10

m/s em todo o domínio, incorporado gradativamente durante os três primeiros meses

do ano, mantido constante do quarto mês até o final da simulação. Os resultados são

apresentados na Figura 47, representando as velocidades residuais no fundo, para

simulação com vento, em período de sizígia e de quadratura da maré. O vento foi

escolhido de modo a ser representativo do mês de outubro, mês escolhido para as

análises por corresponder ao período das medições em 2008. A implementação do

vento e comparação com os dados de campo são descritas no capítulo 4.2.

Em termos das velocidades residuais de fundo, o que se observa é uma

intensificação de correntes laterais vindas aproximadamente de sudeste em direção

ao canal, alinhando-se com este a partir daí. Em quadratura, este efeito é ainda

73

maior, e as correntes laterais chegam próximo a 1 m/s, cerca de duas vezes maiores

que para mesma vazão e maré, porém sem a ação do vento. Porém, o efeito do vento

se faz sentir somente de P5 em diante, não alterando de forma significativa as

correntes residuais da região que vai da desembocadura até a estação P5.

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

1 m/s

(a)

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

1 m/s

(b)

74

Figura 47. Velocidades residuais próximo ao fundo (a) na quadratura e (b) sizígia da maré, considerando além da vazão do rio, a atuação de um vento E de 10 m/s em todo o domínio (simulação 2). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos

fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.

Foi ainda simulado um vento NE, característico dos primeiros meses do ano,

também de 10 m/s. As velocidades residuais resultantes são apresentadas na Figura

48, para quadratura e sizígia. Durante a quadratura, estas se assemelham àquelas

sob influência do vento E, principalmente da desembocadura até P5,

aproximadamente, sendo menos intensas na região do canal além do ponto P5. Como

no caso anterior, a presença do vento faz desaparecer o padrão de circulação

gravitacional que havia sido observado na quadratura para o modelo sem vento.

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

1 m/s

(a)

75

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

1 m/s

(b)

Figura 48. Velocidades residuais próximo ao fundo (a) na quadratura e (b) sizígia da maré, considerando além da vazão do rio, a atuação de um vento NE de 10 m/s

(simulação 3). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.

5.3.2. Efeito da vazão do rio

As correntes residuais calculadas para o caso de vazão máxima do rio e maré

prevista de 2008 são apresentadas na Figura 49. A vazão imposta na fronteira à

montante foi de 268000 m3/s, em contraste com os 100300 m3/s impostos

anteriormente. No caso de quadratura da maré observa-se, quando a vazão é

máxima, uma intensificação das correntes residuais entre as estações P1 e P3. No

caso da sizígia, as correntes residuais para vazão máxima são intensificadas também

em outras regiões do domínio, em especial na região do canal. A direção dessas

correntes tende a ser próxima àquela observada com a vazão de 100300 m3/s,

incluindo as zonas de recirculação em frente à foz, ao lado do canal, e a provável

circulação gravitacional na quadratura da maré.

76

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

(a)

(b)

Figura 49. Velocidades residuais, considerando vazão máxima do rio (simulação 4): (a) durante a quadratura da maré e (b) durante a sizígia. Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir

da foz.

77

6. CONCLUSÕES

Com base nos dados coletados durante o Projeto Amasseds, Kineke et al. (1996)

sugerem que a lama fluida amazônica seria formada devido a sedimentação

aumentada e convergência de fluxos na vertical, na região da frente salina. Porém,

nem nos dados do Amasseds coletados em frente à foz (estações RMc, RMi e RMo),

nem naqueles coletados entre os anos 2006 e 2008 (estações P1, P3, P5, P6, P8 e P9),

são observados fluxos residuais convergentes na região da frente salina. Os dados

coletados entre os anos de 2006 e 2008 mostram uma grande acumulação de

sedimentos logo a partir da desembocadura do rio Amazonas, tanto em suspensão

como próximo ao fundo. Essa acumulação começa mesmo antes da zona de frente,

ainda em água doce, e não poderia ser explicada somente pelos efeitos da frente

salina. No entanto, as vazões sólidas residuais no ciclo de maré, calculadas a partir

de dados de campo, apontam fluxos predominantemente de vazante, aumentando a

desde a foz até a zona da frente, diminuindo a partir daí, embora ainda de vazante.

Assim, a acumulação de sedimentos na região anterior à frente salina não poderia ser

explicada pela convergência dos fluxos residuais ao longo do canal.

Na região da frente salina, podem ser identificados alguns dos possíveis

mecanismos responsáveis pela acumulação de sedimentos e formação dos depósitos

de lama fluida. A maior estratificação da coluna de água, observada durante a maré

vazante, promove uma redução da turbulência e da capacidade de mistura,

propiciando uma rápida deposição dos sedimentos em suspensão. Isto promoveria o

acúmulo de sedimentos junto ao fundo na vazante. Na enchente, os níveis de

turbulência são maiores que aqueles da vazante, causando a ressuspensão dos

sedimentos, que assim ficam disponíveis para o transporte rio acima.

Ainda na região da frente salina, o balanço entre a diminuição da turbulência

durante a vazante, devido à estratificação, ou seu aumento, devido à instabilidade

do fluxo de enchente, poderá determinar a direção da vazão sólida residual. Se

houver suficiente ressuspensão, as correntes de enchente poderão levar mais

sedimentos rio acima do que aqueles carreados pelas correntes de vazante, apesar

das últimas serem mais intensas. A estratificação fará com que haja menos material

disponível para transporte pelas correntes de vazante.

78

Já a circulação gravitacional, devida ao gradiente horizontal de densidade imposto

pela frente salina, parece não ser intensa o suficiente como para superar o efeito da

vazão nas velocidades residuais de maré, com exceção de alguns dias ao mês, nas

mínimas quadraturas, quando então podem ser observadas velocidades residuais de

enchente próximo ao fundo, na região da frente. Considerando os resultados da

modelagem hidrodinâmica, estima-se que a circulação gravitacional corresponda a

velocidades no fundo de até 50 cm/s (próximo a P6, para maré de quadratura e

vazão em Óbidos de aproximadamente 100500 m3/s) caindo para cerca de 20 cm/s ou

menos na mesma região, durante a sizígia. Isto é válido tanto para o período da seca

do rio, como também para o período da cheia.

Acredita-se ser a convergência lateral das correntes residuais o principal

mecanismo de acumulação na região da desembocadura. Isto não somente na região

da frente salina, mas também antes, entre a foz e a região da frente. O aumento nas

concentrações, por sua vez, contribuiria para o amortecimento da turbulência,

criando condições de saturação da suspensão de sedimentos, ocasionando o colapso

dos perfis de concentração (Winterwerp e van Kesteren, 2004). A assimetria das

tensões, com maiores tensões na enchente, também pode contribuir para o aumento

das concentrações antes da frente salina. Os mecanismos responsáveis por esta

assimetria de enchente antes da frente salina, entretanto, ainda não foram

elucidados, por ser esta uma região verticalmente homogênea, sem a estratificação

salina ou e/ou o cisalhamento de velocidades devido ao gradiente lateral de

densidades (Simpson et al., 1990; 2005) – mecanismos que poderiam explicar as

menores tensões na vazante.

Levanta-se a hipótese da presença de fluxos residuais laterais em direção ao

canal, atuando de forma a permitir a acumulação dos sedimentos que, de outra

forma, tenderiam a ser carregados pelas fortes correntes de vazante aí atuantes.

Observam-se, no campo de velocidades residuais da maré calculado a partir dos

resultados do modelo, zonas de convergência dos fluxos residuais em frente à

desembocadura coincidentes com as áreas onde foram mapeadas camadas de lama

fluida junto ao fundo (Figura 50).

79

550000 600000 650000 700000 750000 800000

Longitude UTM

60000

100000

140000

180000

220000

260000

300000

Latit

ude

UTM

50 cm/s

Figura 50. Velocidades residuais de maré na região canal, calculadas a partir dos resultados do modelo (simulação padrão); e região de lama fluida (círculos beges

vazados). Os pontos ao longo do canal indicam a localização dos fundeios P1, P3, P5, P6, P8 e P9, respectivamente a partir da foz.

O bom ajuste dos níveis e velocidades calculados pelo modelo com aqueles

medidos na foz indicaria ser a vazão do rio e a maré as forçantes dominantes no

balanço dinâmico local.

Os resultados demonstram serem as correntes residuais de maré um fator

importante para determinar a localização dos depósitos lamosos e acumulação de

sedimentos em suspensão na região da foz amazônica. Esses fluxos convergentes

podem ser intensificados por efeito do vento, porém mantêm um padrão com

respeito à localização das regiões de recirculação e de fluxos laterais ao canal

principal.

Quanto à ausência de lama na região do Cabo Norte, isto provavelmente se deve à

divergência dos fluxos residuais na região, observados a partir dos resultados do

modelo tanto na sizígia quanto em quadratura.

80

A sensibilidade das velocidades residuais modeladas ao parâmetro de rugosidade

do fundo alerta para a necessidade do conhecimento prévio do tipo de fundo da

região que se quer modelar, para uma representação mais realista do padrão de

correntes residuais.

Um próximo passo da modelagem seria a incorporação do transporte de

sedimentos ao modelo até agora implementado, visando o aperfeiçoamento do

modelo conceitual aqui proposto, sobre os processos responsáveis pela acumulação

de sedimentos finos na plataforma amazônica e formação dos depósitos de lama

observados.

Uma nova campanha de medições poderá ocorrer ainda este ano, em parceria com

a Marinha do Brasil, e novas medições, com pontos de fundeio também nas laterais

ao canal principal, poderão ajudar a observar a ocorrência e magnitude dos fluxos

residuais laterais, observados nos resultados do modelo.

81

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