Modelação hidrodinâmica da Baía de Maputo

Abstract

O objectivo deste trabalho foi efectuar um estudo das características hidrodinâmicas (com auxílio de um modelo numérico) da Baía de Maputo, e posteriormente avaliar as implicações do padrão hidrodinâmico nos diferentes processos que possam ocorrer na Baia. Na parte inicial deste trabalho é efectuada uma descrição sucinta da hidrologia da Baía de Maputo, através da análise de valores de perfis de salinidade e temperatura, de séries temporais de velocidade e da elevação da superfície livre de água. Os valores médios da intensidade do vento e dos caudais dos rios que desaguam na Baia foram também estudados. Análises dos perfis de salinidade e temperatura mostraram que a Baía de Maputo pode considerar-se verticalmente homogénea; porém, nos periodos de ocorrência de cheias ou nas épocas de Verão, com intensificação da precipitação, podem ser observadas estratificaçbes horizontais de salinidade e temperatura na Baia. Foi identificada a maré como o principal forçador da hidrodinâmica da Baia, e determinados os valores característicos para os outros forçadores (vento e caudais fluviais). Atendendo as características da Baia (verticalmente homogénia) e ao tipo de fenómeno que se pretende estudar (propagaçCio de ondas longas), optou-se por utilizar um modelo numérico bidimensional (SYMSlS2D). Este modelo foi posteriormente calibrado, comparando as séries temporais observadas da elevação da superfície livre da água e das componentes da velocidade, com as respectivas séries temporais obtidas por simulações numéricas. Os resultados da calibração mostraram um bom ajuste entre os valores observados e simulados. Após a calibração do modelo numérico, foi efectuado um estudo da hidrodinâmica da Baía de Maputo, permitindo a determinação do tipo da maré, da amplitude e fase dos principais constituintes e da influência dos forçadores não periódicos na hidrodinâmica da Baía, através da determinação da circulação residual. Os resultados do modelo hidrodinâmico mostram que a maré na Baía de Maputo é essencialmente semi-diurna, e que os principais constituintes, M2 e S2, representam quase 90% da maré astronómica total. Em toda a Baía a onda da maré apresentou características mistas entre uma onda estacionária e progressiva. A análise dos resultados da circulação residual, mostrou que os ventos, o caudal dos rios, e a topografia constituem os forçadores hidrodinâmicos não periódicos importantes em processos com escalas temporais relativamente longas. Foi também acoplado ao modelo hidrodinâmico um módulo de transporte Lagrangeano, para avaliação de fenómenos de dispersão de partículas passivas na Baía. 0s resultados do módulo Lagrangeano, indicam que para uma escala temporal superior 21 do ciclo da maré, os processos de mistura e dispersão são mais significativos no centro da Baía e na zona do estuário do Espirito Santo, respectivamente, sendo praticamente insignificantes nas restantes zonas. O tempo de residência na zona do estuário do Espirito Santo variou entre um dia (na embocadura do Estuário) e duas semanas (na foz dos rios Matola, Umbeluzi e Tembe).

The aim of this work was to understand by using a numerical model, the main characteristics of the Maputo Bay hydrodynamics; and furthermore to assess the hydrodynamics implications on different processes that can occur in the Bay. The study was initiated with a description of the hydrological characteristics of Maputo Bay, through the analysis of vertical profiles of salinity and temperature, time series of the components of tide currents and water elevation. The wind intensity and the river runoff patterns were also studied. Analysis of temperature and salinity profiles have revealed that the Maputo Bay can be considered vertically homogeneous; however, when floods occur or when there are an high intensity of precipitation on summer season, a horizontal stratification of salinity and temperature in the Bay was observed. The tides were identified as the main forcing on the Bay hydrodynamics. The general patterns of other forcing (winds and river discharges) were also identified. Through the characteristics of the Bay (vertically homogeneous), and the process that is intended to be understood (long wave propagation), a bidimensional numerical model (SYMSIS2D) was chosen as the best to perform this study. Afterwards, the model was calibrated by comparison of observed and simulated time series of tide elevation, the horizontal and the vertical components of tidal currents. Results of calibration have shown that the model reproduces with accuracy the wave propagation in the Bay. The hydrodynamic study of Maputo Bay was done after the calibration of the numerical model; which allows the determination of the form number (type of the tide); the amplitude and phase of the main constituents, as well as, the influente of nonperiodic forces on the Bay hydrodynamics, through the determination of residual currents. The results of the hydrodynamic model have shown that in the Maputo Bay, the tide is essentially semi-diurnal, and that the main semi-diurna1 constituents, M2 and S2, represented almost 90% of the total astronomical tide. In most part of the Bay, the tidal wave has exhibited a characteristic that lies between a standing and a progressive wave. Was also noticed by the results of the Eulerian residual circulation, that the influentes of rivers, winds and bathymetry on non-periodic forces were very important on long-term processes. A Lagrangian module was also coupled to the hydrodynamic model, to assess the evolution of dispersion processes of passive particles in the Bay. The results of the Lagrangian module have shown that for time scales superior than a tidal cycle, the mixing and dispersion processes are more important in the central part of the Bay and in the EstuSlrio do Espirito Santo zone, respectively; in other zones these values are actually insignificants. The range of flushing time in the Estuário do Espirito Santo zone lied between one day (on the mouth of the estuary) and two weeks (on the mouth of Matola, Umbeluzi and Tembe rivers).