Environmental quality assessment in a coastal area by the integration of monitoring data and modelling

07/14/2022

As pressões sobre os estuários e zonas costeiras adjacentes são tão antigas como a civilização. O esforço e interesse em preservar ou melhorar o estado ecológico nestas regiões tem sido louvável durante as últimas três décadas, embora o sucesso não tenha sido medido na mesma proporção. A intrínseca complexidade destes sistemas, associada à interligação de processos físicos como o vento, as marés, os processos termohalinos, a difusão, a variabilidade de nutrientes ou contaminantes a que se encontram expostos, e ainda à morfologia e batimetrias complexas, fazem com que estes sistemas apresentem marcados gradientes horizontais e verticais, variáveis no espaço e no tempo. Os recursos técnico-científicos têm, por isso, que estar ao nível dessa complexidade e ser suficientemente claros e versáteis por forma a responder a qualquer questão ambiental sobre o sistema. Deste modo, uma monitorização clássica, unicamente com dados de campo, é insuficiente, ou mesmo inviável, para caracterizar a dinâmica do sistema como um todo. Por este motivo, o recurso a modelos numéricos é indispensável, já que proporcionam resultados em contínuo, quer em termos espaciais, quer temporais. Contudo, os modelos precisam demonstrar a sua veracidade e serem robustos o suficiente para conseguir explicar essa dinâmica complexa. Tal, só é atingido quando o modelo consegue reproduzir a maioria dos dados recolhidos in situ. Assim sendo, a sinergia entre dados observados e resultados de modelos é fundamental para estudos em regiões desta complexidade, não só para se poder caracterizar estes sistemas, como também proporcionar informação fundamentada que auxilie as autoridades competentes na tomada de decisões. A presente dissertação tem como foco caracterizar a zona que abrange o estuário do Tejo, a sua ROFI (Regions of Freshwater Influence) assim como a área costeira adjacente, como um sistema contínuo (designada como TagusROFI). Nesta área localiza-se a maior densidade populacional portuguesa, assim como um dos maiores estuários da europa ocidental, pelo que a gestão dos seus serviços ecossistémicos torna-se um desafio considerável. No presente trabalho, utilizou-se o sistema de modelação MOHID (MOdelação HIDrodinâmica), na sua implementação tridimensional, que beneficia do acoplamento de modelos hidrodinâmico, meteorológico e biogeoquímico, e cujas condições de fronteira são as melhores que existem para a área de estudo (as condições de fronteira abertas da parte oceânica, as condições abertas atmosféricas e as condições terrestes, i.e., os caudais dos rios em tempo quase-real). O estudo foi iniciado com a validação da componente hidrodinâmica do modelo no domínio TagusROFI. Este passo é fundamental pois todos os processos a posteriori irão depender do processo de transporte. Com aquele objetivo foram utilizados dados dos marégrafos de Cascais e Lisboa para validar o nível da coluna de água, dados de um CTD (Conductivity, Temperature, and Depth probe) fundeado na embocadura do estuário para validar a temperatura e salinidade, dados de um ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) fundeado na zona costeira para validar a velocidade a diferentes níveis da coluna de água, e ainda imagens de satélite para validar a temperatura superficial da água. Os resultados indicam que o modelo reproduz satisfatoriamente os dados obtidos in situ ao longo de um período temporal alargado que abrangeu situações médias e extremas (como o evento extremo que aconteceu em 2013 resultante de uma precipitação histórica). A comparação com as imagens de satélite permitiu, ainda, verificar que o modelo simula satisfatoriamente o fenómeno de upwelling, o qual determina os processos de circulação, principalmente na área costeira adjacente. Uma vez validado o campo euleriano da hidrodinâmica, procedeu-se à determinação do tempo de residência, com uma perspetiva lagrangiana, de diversas áreas no interior do estuário e do estuário como um todo. O tempo de residência é, em simultâneo, a causa da riqueza do estuário e da sua vulnerabilidade. O estuário foi dividido em 9 áreas diferentes (caixas de integração) com base nos padrões de circulação e nas características batimétricas. Determinou-se o tempo de residência e de exposição e verificou-se que este último é de maior interesse em áreas dominadas pela maré. Avaliou-se, ainda, a troca de água entre áreas do estuário. Este estudo foi realizado para diferentes regimes de caudal do Tejo, todos eles extraídos de condições reais obtidos após uma análise de 20 anos de dados de caudal do rio Tejo. O tempo de residência é inversa e linearmente dependente do caudal até um determinado valor a partir do qual o aumento do caudal pode levar ao aumento do tempo de residência. Estes resultados permitiram, por um lado, identificar as zonas mais ricas de um ponto de vista de produtividade, e as mais vulneráveis de um ponto de vista de contaminação, e por outro, avaliar a capacidade do estuário em reter ou exportar substâncias. Nos seguintes capítulos, quarto e quinto, foram validados os resultados de dez anos do modelo biogeoquímico com 40 anos de dados de monitorização, para o interior do estuário, e com 10 anos para a zona costeira, para diferentes profundidades da coluna de água. Os resultados obtidos indicam que o modelo reproduz satisfatoriamente a realidade, o que permitiu estabelecer uma climatologia da área de estudo nas diferentes estações do ano. Com a componente biogeoquímica também validada e seguindo uma metodologia semelhante à do capítulo anterior em que o estuário foi dividido em áreas diferentes, foram calculados os fluxos entre essas áreas, assim como os fluxos do estuário para a zona costeira. Com estes resultados, relacionados com os resultados do capítulo três, foi possível identificar os processos dominantes nas diferentes zonas e estabelecer áreas que atuam como poços ou fontes de nutrientes no interior do estuário. Na zona costeira a análise dos nutrientes permitiu avaliar o impacte de uma fonte pontual antrópica (emissário submarino da Guia) sobre o meio recetor onde desagua. Apesar do aporte de nutrientes oriundos do emissário, do estuário e de fenómenos de upwelling, verificou-se que a hidrodinâmica local promove a rápida dispersão e diluição dos nutrientes. Este tipo de cálculos é inviável sem recurso a ferramentas de modelação. O último capítulo da dissertação sai do domínio no qual se centra esta tese, o TagusROFI, já que se pretendeu estudar a influência de partículas oriundas desta área estuarina no Oceano Atlântico. Este estudo foi realizado com uma perspetiva lagrangiana, usando traçadores conservativos, com o intuito de estudar não só a trajetória desses traçadores no meio oceânico, como também identificar a acumulação dessas partículas em áreas de interesse predefinidas: as áreas das MRUs (Marine Reporting Units) da DQEM (Diretiva Quadro da Estratégia Marinha), as áreas OSPAR (convenção Oslo PARis) e nos retângulos ICES (International Council for the Exploration of the Sea) assim como determinar a proveniência de outras fontes pontuais (rios europeus) de poluição nessas áreas. Os resultados gerais da tese evidenciaram as vantagens da sinergia entre as observações in situ e os resultados do modelo, assim como a robustez e versatilidade do modelo 3D-MOHID no domínio TagusROFI, que permitiram determinar climatologias, tempos de residência e fluxos na área de estudo. Os resultados obtidos são um importante contributo para uma maior perceção da dinâmica e dos processos que ocorrem nesta área, e para uma correta e completa caracterização desta zona costeira. De igual forma demonstrou-se a viabilidade do modelo como ferramenta de prognóstico e de grande utilidade no âmbito da gestão costeira. The pressures on estuaries and adjacent coastal areas are as old as civilization. The effort and interest in preserving or improving the ecological status of these regions has been notorious during the last three decades, although the success has not been measured in the same proportion. The intrinsic complexity of those systems, associated with the interconnection of physical-chemical processes such as wind, tides, thermohaline processes, diffusion, the variability of nutrients or contaminants to which they are exposed to, along with their complex morphology and bathymetry, create both horizontal and vertical gradients that vary in space and time. The technical scientific resources must catchup with this complexity and must be sufficiently clear and versatile to respond to any environmental question about the system. A classical monitoring, based only in field data is insufficient, or even unfeasible, to characterize the dynamics of an estuarine system. In this context, the use of numerical models is essential, as they provide continuous results in space and time. However, models need to demonstrate their accuracy and be robust enough to explain the environmental processes in these complex dynamic systems. This is only achieved when the model can reproduce most of the data collected in situ. Therefore, the synergy between observed data and model results is fundamental for studies in regions of such level of complexity since it allows the reliable characterization of these systems and the production of information to assist competent coastal management authorities in the decision making. The present dissertation focuses on the characterization of the area that encompasses the Tagus estuary, namely its ROFI ((Regions of Freshwater Influence) as well as the adjacent coastal area, as a continuous system (designated herein as TagusROFI).

Authors in the community:

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  H

  Hilda de Pablo Leonardo

  ist31284

Supervisors of this institution:

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  R

  Ramiro Joaquim De Jesus Neves

  ist11787

101521537

Doutoramento em Engenharia do Ambiente

environmental-engineering - Environmental engineering

Keywords

• model
• hydrodynamics
• biogeochemical
• estuarine plumes
• coastal areas
• modelo
• hidrodinâmica
• estuário
• zona costeira
• gestão costeira

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