Effects of the climatic factors and anthropogenic actions in the Ria de Aveiro

Abstract

A compreensão dos impactes das alterações climáticas é fundamental para a gestão a longo do prazo dos ecossistemas estuarinos. Esta compreensão só poderá ser efectiva considerando a variabilidade climática natural e o papel relativo das intervenções antropogénicas nestes ecossistemas. Assim, a presente dissertação analisa a influência das alterações climáticas e pressões antropogénicas na qualidade da água e dinâmica ecológica da Ria de Aveiro com base numa abordagem integrada, que combinou a análise de séries temporais dos últimos 25 anos e a modelação numérica de elevada resolução de cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas. A componente de modelação de qualidade da água e ecológica foi melhorada a vários níveis. A análise de sensibilidade do modelo 3D hidrodinâmicoecológico ECO-SELFE aplicado à Ria de Aveiro e a revisão das constantes de semi-saturação para absorção de nutrientes pelo fitoplâncton contribuíram para a precisão e robustez das aplicações. A concentração do fitoplâncton foi significativamente influenciada pelas taxas de crescimento do fitoplâncton e de mortalidade e excreção do zooplâncton, e apresentou uma sensibilidade reduzida à variação das constantes de semi-saturação na gama identificada para as diatomáceas. O acoplamento do ECO-SELFE a um modelo de campo próximo e a integração do ciclo do oxigénio aumentaram a sua capacidade de representação dos processos e das escalas espaciais relevantes. A validação do ECO-SELFE foi realizada com base num conjunto de campanhas específicas realizadas no canal de Mira. Os padrões espaciais e temporais observados para as várias variáveis (clorofila a, nutrientes, oxigénio dissolvido, salinidade, temperatura da água, correntes e níveis) foram simulados com erros menores ou semelhantes aos obtidos neste tipo de aplicações. A análise dos padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade da água e ecológica na Ria de Aveiro a diferentes escalas, efectuada com base nos dados históricos de 1985 a 2010 complementados pelas campanhas realizadas, sugeriu uma influência combinada da variabilidade climática e das acções antropogénicas. Os cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas simulados evidenciaram uma influência mais significativa das alterações climáticas quando comparadas com os efeitos das acções antropogénicas analisadas. As variações mais significativas são previstas para os cenários de subida do nível do mar, seguidos dos cenários de alterações dos regimes hidrológicos, evidenciando o papel da circulação (maré e caudal fluvial) no estabelecimento da qualidade da água e dinâmica ecológica na laguna. Para os cenários de subida do nível do mar são previstos decréscimos significativos da clorofila a e dos nutrientes a jusante e nas zonas intermédias do canal, e um aumento significativo da salinidade a montante. Estas alterações poderão favorecer modificações da composição e distribuição das comunidades, afectando a cadeia alimentar e causando uma progressão para montante de espécies marinhas. Os resultados sugerem ainda que os efeitos poderão ser mais significativos em estuários pouco profundos.

Understanding the impacts of climate change is essential to ensure the longterm management of estuarine ecosystems. This understanding will only be reliable if the systems’ natural variability and the relative role of anthropogenic pressures are considered. Thus, this thesis evaluates the influence of climate change and anthropogenic pressures on the water quality and ecological dynamics of the Aveiro lagoon based on an integrated approach, combining the analysis of long time series from the past 25 years and high-resolution numerical modelling of future scenarios of climate change and anthropogenic interventions in the lagoon. The water quality and ecological modelling component was improved at several levels. The sensitivity analysis of the 3D hydrodynamic-ecological model ECOSELFE applied in the Aveiro lagoon and the review of the half-saturation constants for nutrients uptake by phytoplankton contributed to the precision and robustness of the applications. Phytoplankton concentration was significantly influenced by the phytoplankton growth and zooplankton mortality and excretion rates, and presented a low sensitivity to the half-saturation constants variation within the range reviewed for diatoms. ECO-SELFE’s coupling to a near field model and its extension to the oxygen cycle increased the model’s ability to represent the relevant processes and spatial scales. ECO-SELFE validation was achieved based on a set of specific field campaigns performed along the Mira channel. The spatial and temporal patterns observed for the measured variables (chlorophyll a, nutrients, dissolved oxygen, salinity, water temperature, currents and water levels) were reproduced by the model with errors smaller or similar to the ones achieved in this type of applications. The analysis of the spatial and temporal patterns of variability of the water and ecological quality in the Aveiro lagoon at different scales, based on historical data from 1985 to 2010 complemented by the campaigns performed, suggested a combined influence of the climatic variability and anthropogenic interventions. Future scenarios of climate change and anthropogenic interventions simulated revealed a larger influence of climate change when compared with the analysed anthropogenic actions. The most important variations from the reference scenario are predicted for the sea level rise scenarios, followed by the changes in the hydrological regimes scenarios, putting in evidence the main role of circulation (tide and river flow) in establishing the water quality and ecological dynamics in the lagoon. A significant decrease of chlorophyll a and nutrients is predicted in the downstream and middle areas of the channel due to sea level rise, while a significant salinity increase is predicted upstream. These changes may promote modifications in the communities’ distribution and composition, affecting the food web and promoting a progression further upstream of the marine species. Results also suggest that the identified effects may be more important in shallow estuaries.