Analise numérica das alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma na Lagoa dos Patos, em função da obra de modernização dos molhes da Barra do Rio Grande

Abstract

A pluma costeira proveniente do estuário da Lagoa dos Patos, em Rio Grande, no Rio Grande do Sul, influencia diretamente as águas costeiras da plataforma do Atlântico Sul. Sua atuação ocasiona variações de concentração de material em suspensão, turbidez e salinidade, que podem afetar a produtividade biológica, a qualidade da água e os interesses econômicos do Porto de Rio Grande. Visando proporcionar melhorias na navegabilidade dos navios que entram no Porto de Rio Grande, foram construídas na desembocadura da Lagoa dos Patos estruturas costeiras, chamado Molhes da Barra. Um destes molhes está localizado na costa do município de São José do Norte, a leste, e o outro a oeste, em Rio Grande, com extensões iniciais de 4.2 km e 3.5 km, respectivamente, constituindo o chamado Cenário I neste estudo. Em 2010, os molhes passaram por obras de modernização para ampliar as atividades portuárias locais, quando houve um prolongamento de 370 m no molhe leste e 700 m no molhe oeste, dando origem ao Cenário II deste estudo. O objetivo deste trabalho é analisar as alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma nos dois cenários de configuração dos molhes, em períodos de baixa e de alta descarga da lagoa. Para isso, foram realizadas simulações numéricas com o sistema de modelagem Open TELEMAC-MASCARET, contando com o módulo hidrodinâmico acoplado ao módulo de transporte de material em suspensão. O modelo hidrodinâmico passou por calibração dos dados de velocidade de corrente na superfície e do fundo da Lagoa dos Patos, com Relative Mean Absolute Error considerado bom e Root Mean Square Error excelente. Na sequência, o modelo foi validado, utilizando dados de salinidade do período de janeiro de 2017, demonstrando boa correlação entre os dados medidos e os resultados simulados. Para estudo de caso, foi anteposto o ano de 2015, associado à ocorrência do fenômeno El Niño - Oscilação sul. Para a análise dos resultados foram selecionados dois períodos de descarga nas simulações, um de baixa e um de alta descarga. Ambos os períodos permitiram observar padrões no comportamento da pluma da Lagoa dos Patos. Foram analisadas médias de superfície e séries temporais de variáveis como salinidade, elevação da superfície livre, velocidade de corrente, sedimento em suspensão e o fluxo de deposição de sedimentos, a partir de pontos extraídos e perfis próximo à desembocadura. Junto às médias dos resultados extraídos, aplicou-se a correlação de Sperman e diagramas de caixa com mínimo, máximo, primeiro e terceiro quartil e mediana, os quais forneceram variáveis quantitativas para análise dos cenários e períodos. A análise do período de baixa descarga foi importante para observar a salinidade. Já o período de alta descarga foi importante para analisar o comportamento do sedimento em suspensão e o fluxo de deposição próximo à desembocadura nos cenários. A descarga dos tributários é o fator prioritário controlando a formação da pluma costeira da Lagoa dos Patos e sua extensão. O vento, no que lhe concerne, tem influência na dinâmica da pluma. Em ambos os cenários e períodos estudados, há um direcionamento da pluma para o sudoeste da desembocadura. Ao examinar a salinidade, a pluma de campo próximo se mostra menor no Cenário II, o que sugere um aumento de corrente, menor pressão na desembocadura, turbulência no campo de ressuspensão e mistura no campo distante em relação ao Cenário I. A presença dos molhes favorece a formação de vórtices anticiclônicos na plataforma, evidenciado na alta descarga, próximo à desembocadura, favorecendo o fluxo de deposição do sedimento suspenso na zona de recirculação e dificultando o transporte do sedimento para o campo distante.The coastal plume of the Patos Lagoon estuary, in the Rio Grande, Rio Grande do Sul, directly influences the coastal waters of the South Atlantic platform, causing variations in the concentration of suspended material and turbidity, which can affect the biological productivity, water quality and economic interests of the Port of the Rio Grande. With the aim of improving the navigability of ships entering the Port of the Rio Grande, coastal structures known as Barra Breakwaters were built at the mouth of the Patos Lagoon. One of these piers is located on the coast of the municipality of São José do Norte, to the east, and the other to the west, in the Rio Grande, with initial lengths of 4.2 km and 3.5 km, respectively, building the so-called Scenario I in this study. In 2010, the piers underwent modernization works to expand local port activities, when there was an extension of 370 m in the east pier and 700 m in the west pier, giving rise to Scenario II in this study. The objective of this paper is to analyze the changes in the plume formation pattern, behavior and fate of the plume in the two pier configuration scenarios, in a period of low and high discharge of the lagoon. For this purpose, numerical simulations were performed with the Open TELEMAC-MASCARET modeling system, relying on the hydrodynamic module coupled to the suspended material transport module. The hydrodynamic model went through calibration of the current velocity data at the surface and at the bottom of the Patos Lagoon, with Relative Mean Absolute Error equal to good and Root Mean Square Error equal to excellent. Following this, the model was validated using salinity data from the January 2017 period, demonstrating good correlation between measured data and simulated results. For the case study, the year 2015 was put forward, associated with the occurrence of the El Niño - Southern Oscillation phenomenon. For the analysis of the results, two periods of discharge in the simulations were selected, one of low and one of high discharge the simulations. Both periods allowed patterns to be observed in the behavior of the Lagoa dos Patos plume. Analyzing surface averages and time series of variables such as salinity, free surface elevation, current velocity, suspended sediment and the sediment deposition flux, from extracted points and profiles near the mouth. Along with the averages of the extracted results, Sperman’s correlation was applied and box diagrams with minimum, maximum, first and third quartile and median, will provide quantitative variables for analysis of the scenarios and periods. The low discharge was important to observe the variables of salinity and wind currents, while the high discharge was important to analyze the behavior of suspended sediment and the deposition flow near the mouth in the scenarios. The formation of the coastal plume of the Lagoa dos Patos is a result of the discharge intensity, which induces the size of the plume and suffers contributions from the wind current for its dynamics. It was observed that between the scenarios, the free jet provided by the mouth directs the plume to the southwest in both extracted periods. When examining salinity, the near-field plume is shown to be smaller in Scenario II, which suggests increased current, lower pressure at the mouth, turbulence in the resuspension field, and mixing in the far field compared to Scenario I, contributing to the isohaline and thermohaline of the ocean. The presence of the jetties favors the formation of anticyclonic vortices on the shelf, evidenced in the high discharge, near the mouth, favoring the deposition flow of suspended sediment in the recirculation zone and hindering the transport of sediment to the far field. Contributing, consequently, modifying the coastline upstream of the mouth with deposition and with erosion downstream