Coupled modelling of the Minho and Lima estuaries: biochemical response to extreme events and interaction of plumes estuarine

Abstract

In the last years, due to human activity, increase in the number of inhabitants in the coastal areas and climate change, estuaries have undergone major changes, both in dynamics and in water quality. The Minho and Lima estuaries are separated only by 20 km, have great ecological value and are under the dependence of dams that control the freshwater input. In this context, arises the need and interest to study the dynamics and interaction between the Minho and Lima estuarine plumes, as well as the impact of extreme river discharges events on the nutrient dynamics in both estuaries, as well as the response time of the Minho estuary to a point discharge of pollutants by a tributary (river Coura). To carry out these studies, a numerical application including simultaneously the two estuaries mentioned was developed. This includes the hydrodynamic and water quality module of the Delft3D numerical model, which were calibrated through a large set of simulations and using a vast set of data monitored in situ. Subsequently, several scenarios were defined and simulated in order to achieve the objectives of this work, and the respective results were analysed in a comparative way. To study the intrusion and dynamics of the estuarine plumes, the trajectories of passive tracers emitted in each estuary were simulated. In order to study the impact of extreme river discharge events on nutrient dynamics, three numerical simulations were carried out, characterized by the variation of the river flows to the estuaries (1st simulation: baseline; 2nd simulation: flood scenario, with double fluvial discharges comparing to the baseline; 3rd simulation: discharge of ecological flows (dry season). To study the response time of the Minho estuary to a punctual discharge of pollutants, two additional simulations were carried out, considering a discharge in neap tide (10/08/2012) and in spring tide (19/08/2012). From the analysis of the results it was verified: 1) there is interaction between estuaries under study, both during the summer and the winter seasons; 2) the movement of estuarine plumes depends on the direction and intensity of the wind and the intensity of the river discharge (in the summer season both plumes tend to move southward in response to the predominant north wind, while in winter the opposite is observed); 3) during periods of higher river discharge there will be no major impact on estuarine biota, both in summer and winter, because there will be higher concentrations of nutrients and the variation in the concentrations of dissolved oxygen is insignificant; 4) the discharge of ecological flows by dams will have a major impact on the estuarine biota, mainly in the Lima estuary, since the estuary suffers an average decrease of 2 mg O2/ L (more anoxic estuary, which may result in the death or migration of biological species); and (5) in neap tide, the estuary has a longer response time than in a spring tide. In summary, the model developed in this work contributed to: 1) increase the knowledge about the interaction and dynamics of the plumes; 2) perceive the direct impact that dams may have on estuaries under study (since river discharges are controlled by them); and 3) understand the response time it takes for the Minho estuary to react to a point discharge.

Nos últimos anos, devido à atividade do Homem, à litoralização e às alterações climáticas, os estuários passaram por grandes transformações, tanto na dinâmica estuarina como na qualidade da água. Os estuários do Minho e do Lima estão separados apenas 20 km, possuem grande valor ecológico e estão sob a dependência de barragens que controlam o aporte de água doce. Neste contexto, emerge a necessidade e interesse em estudar a dinâmica e interação entre as plumas estuarinas do Minho e do Lima, bem como o impacto de eventos extremos de descargas fluviais na dinâmica de nutrientes de ambos os estuários, assim como o tempo de resposta do estuário do Minho a uma descarga pontual de poluentes através do tributário rio Coura. Para efetuar estes estudos foi desenvolvida uma aplicação numérica incluindo simultaneamente os dois estuários referidos. Esta engloba o módulo hidrodinâmico e de qualidade de água do modelo numérico Delft3D, que foram calibrados através da realização de um conjunto alargado de simulações e do recurso a um vasto conjunto de dados monitorizados in situ. Posteriormente foram definidos e simulados vários cenários tendo em vista a concretização dos objetivos deste trabalho, e analisados os respetivos resultados de forma comparativa. Para o estudo da dinâmica e interação entre as plumas estuarinas simularam-se as trajetórias de traçadores passivos emitidos em cada estuário. Para estudar o impacto de eventos extremos de descargas fluviais na dinâmica dos nutrientes efetuaram-se 3 simulações numéricas, caraterizadas pela variação dos caudais fluviais afluentes aos estuários (1a simulação: baseline; 2a simulação: cenário de cheias, com descargas fluviais duplas relativamente ao baseline; 3a simulação: descarga de caudais ecológicos (período de seca)). Para estudar o tempo de resposta do estuário do Minho a uma descarga pontual de poluentes efetuaram-se duas simulações adicionais, considerando uma descarga de poluentes em maré morta (10/08/2012) e em maré viva (19/08/2012). Da análise dos resultados verificou-se: 1) existe interação entre os estuários em estudo, tanto durante o verão como durante o inverno; 2) o movimento das plumas estuarinas depende da direção e intensidade do vento e da intensidade das descargas fluviais (na estação de verão ambas as plumas tendem a deslocar-se para sul sob a ação de vento predominante de norte e no inverno observa-se o padrão oposto); 3) em períodos de grande descarga fluvial não existirá um grande impacto para a biota estuarina, tanto no verão como no inverno, dado que existirão maiores concentrações de nutrientes e não existirá grandes variações nas concentrações de oxigénio dissolvido; 4) a descarga de caudais ecológicos por parte de barragens causará grande impacto na biota estuarina, principalmente no estuário do Lima, uma vez que se verifica uma diminuição média de 2 mg O2/L (estuário mais anóxico, podendo resultar na morte ou migração de espécies biológicas); e 5) em maré morta o estuário tem um tempo de resposta mais longo do que em maré viva. Em síntese, neste trabalho foi desenvolvido com sucesso um modelo conjunto para os estuários do Minho e do Lima, que contribuiu para: 1) aumentar o conhecimento da interação e dinâmica das plumas estuarinas; 2) compreender o impacto direto que as barragens poderão ter nos estuários em estudo (dado que as descargas fluviais são controladas por elas); e 3) determinar o tempo que estuário do Minho demora o a reagir a uma descarga pontual.