Estudo dos processos de transporte de calor e de sal no canal do Espinheiro (ria de Aveiro)

Abstract

O principal objectivo deste trabalho consistiu no estudo da dinâmica termohalina do Canal do Espinheiro em função de dois forçamentos principais: maré e caudal fluvial, usando duas abordagens distintas: trabalho experimental e modelação numérica. A propagação da maré e o caudal fluvial do Rio Vouga são determinantes no estabelecimento da estrutura horizontal da salinidade ao longo do canal. A estrutura térmica horizontal ao longo do canal é, em grande parte, determinada pela variação sazonal da temperatura da água do Rio Vouga, bem como, pela variação sazonal das condições meteorológicas devido à reduzida profundidade. Foi observada a formação de fortes gradientes de salinidade (relacionados com a formação de frentes estuarinas) numa região a cerca de 7-8 km da embocadura do canal, observando-se a sua migração numa região de aproximadamente 1 km, dependendo do regime de maré. O balanço entre o transporte de sal de natureza advectiva e difusiva foi calculado, revelando que junto à embocadura os processos físicos que mais contribuem para o transporte de sal são a circulação residual e o aprisionamento da água em canais secundários. Junto à foz do Rio Vouga os termos devidos à descarga fluvial e à circulação gravitacional dominam o transporte de sal. Foi calibrado e validado um modelo numérico (Mohid, em modo 2D e 3D), sendo posteriormente utilizado para estudar a hidrologia do canal. Foi concedida particular atenção ao estudo da hidrologia em condições extremas de caudal fluvial e de maré. Os resultados da modelação numérica permitiram numa primeira fase avaliar o bom desempenho do Mohid na reprodução dos escoamentos barotrópicos na Ria de Aveiro, bem como na evolução temporal das propriedades termohalinas da água. Sob condições de caudal fluvial reduzido, a dinâmica do canal é essencialmente dominada pela maré. Com o aumento do caudal fluvial, a influência da água doce estende-se para jusante, estratificando a coluna de água. As simulações 3D do Canal do Espinheiro foram efectuadas para períodos marcadamente diferentes de caudal fluvial e de maré. O modelo reproduziu qualitativamente/quantitativamente as observações de alturas de água, velocidade e distribuições longitudinais de salinidade e temperatura sob um regime fraco a médio de caudal fluvial. Sob condições de caudal fluvial elevado, os resultados mostram que o modelo subestima a estratificação. Este estudo contribuiu para o aumento do conhecimento da dinâmica do Canal do Espinheiro, bem como para o desenvolvimento de um sistema numérico capaz de reproduzir e prever os processos de transporte de sal e calor.

The main objective of this work was to study the Espinheiro channel’s thermohaline dynamics as a function of two major forcings: tides and river inflow using field experiments and numerical modelling simulations. The salinity distribution along the channel was found closely related to the incoming river flow and tidal propagation. The water temperature distribution is related to the freshwater temperature seasonal variation and, due to the shallowness of the study area, it is also related to the seasonal variation of meteorological conditions. The formation of strong salinity gradients (commonly related to estuarine fronts) has been found in a region between 7 and 8 km from the lagoon’s mouth. These gradients migrate within a region of about 1 km, depending on the tidal regime (spring or neap). The balance between the advective and diffusive salt transport was assessed. Near the channel’s mouth, the main contributions to the salt transport are due to the residual circulation (or freshwater discharge) and tidal correlation. Near the channel’s head, this last term is not as important as the gravitational circulation. The Mohid numerical model was calibrated and validated (both in 2D depth integrated and 3D modes), and then used to study the channel’s hydrography. The channel’s hydrography was studied under extreme conditions of tides and river inflow. The model results allow the evaluation of Mohid in reproducing the barotropic flows and the time evolution of salinity and water temperature within Ria de Aveiro. Under low river inflow regimes, the channel’s dynamics is tidally dominated. Under high river inflow, the freshwater from Vouga extends its influence downstream until the channel’s mouth, increasing the water column stratification. The three-dimensional simulations of the Espinheiro Channel were performed under markedly different tides and river runoff. Under low-to-medium river inflow, the model reproduces qualitatively/quantitatively sea level height, current velocity and longitudinal distributions of salinity and water temperature, underestimating salinity stratification when the river inflow is high. The residual circulation was calculated revealing an ebb-dominated channel. When the river inflow is high, the channel is nearly laterally homogeneous in terms of salinity and current residual velocity, presenting a two-layer structure with flood currents close to the bottom and ebb currents close to the surface. This study has contributed for the characterization and understanding of the dynamical behaviour of the Espinheiro Channel, as well as to develop a numerical system of 2D and 3D numerical models able to reproduce and predict transport processes there occurring.