Hydrodynamical and biogeochemical modeling study of Sado estuary

Abstract

The Sado estuary is located in the surrounding area of an important Portuguese natural park (Arrábida Natural Park) near the city of Setúbal. The low freshwater discharge from Sado River, the mesotidal tide along the estuary and the strong currents observed turn the estuary a well‐mixed system, controlling the estuarine residence time, and therefore determining the patterns of conservative and nonconservative tracers. The salt dynamics inside this kind of system is very important, since salinity may be considered a natural tracer, allowing the comprehension of the dynamics of other conservative tracers. In such a system is also important to analyze the water quality determining the coliforms propagation from selected discharge stations and analyzing its relation with the estuarine hydrographic features. In this study, a two‐dimensional hydrodynamic model is implemented for the Sado estuary in order to study the horizontal patterns of salinity, as well as the propagation of fecal coliforms from sewage stations, both under different tidal and freshwater forcing conditions. The model used in this study is Mohid‐2D (www.mohid.com), a marine model that uses the shallow water approximation to study vertically homogeneous systems like the Sado estuary. The model domain includes the whole area of the estuary, using a realistic coastline and bottom topography The model results are explored in order to evaluate salinity differences between flood and ebb, spring and neap tide, and low (2m3s‐1), medium (50m3s‐1) and high (200m3s‐1) river inflow. Moreover, the propagation of fecal coliforms from sewage stations is also studied in light of different tidal and freshwater inflow conditions. Sea surface height and velocity model outputs are compared to in‐situ data, revealing the model skill in reproducing the tidal propagation along the Sado estuary. When the river inflow is weak (2m³/s), the hydrography of the estuary is clearly tidal dominated but when the river inflow is high (200m³/s), the horizontal patterns of salinity inside the estuary are determined by a balance between tide and river inflow effects. In this case is found a classic division of the estuary in three distinct regions: marine, mixing and freshwater. In this last region the estuary dynamics is mainly modulated by the freshwater discharge. Despite the significant estuarine dynamics, the concentration of fecal coliforms was found confined to small areas close to the discharge points. These organisms were found to affect only a restricted area near the sewage stations, with low concentrations found far the discharge points along the estuary.

O estuário do Sado encontra‐se inserido no parque natural da Arrábida junto à cidade de Setúbal. A baixa descarga de água doce proveniente do rio Sado, a maré mesotidal ao longo do estuário e as fortes correntes que aqui se observam tornam o estuário um sistema bem misturado, controlando o tempo de residência e determinando assim os padrões de traçadores conservativos e não conservativos. A dinâmica salina no interior deste tipo de sistemas é muito importante, uma vez que a salinidade pode ser considerada um traçador natural, permitindo a compreensão da dinâmica de outros traçadores. Num sistema como este, é também importante analisar a qualidade da água, determinando a propagação de coliformes provenientes de estações de descargas seleccionadas e analisando a sua relação com as estruturas hidrográficas do estuário. Neste estudo, um modelo hidrodinâmico bidimensional é implementado para o estuário do Sado, com o objectivo de estudar os padrões horizontais de salinidade, bem como a propagação de coliformes fecais com origem em estações de esgoto locais. São avaliadas condições distintas de maré (maré‐viva, maré‐morta), diferentes fases da mesma (enchente e vazante) e descargas características do caudal fluvial (baixo (2m3s‐1), médio (50m3s‐1) e elevado (200m3s‐1)). O modelo usado neste estudo foi o MOHID‐2D (www.mohid.com), um modelo marinho que utiliza a aproximação de águas pouco profundas para estudar sistemas verticalmente homogéneos, como é o caso do estuário do Sado. O domínio do modelo abrange toda a área do estuário, usando a linha de costa e topografia de fundo realista. Os resultados do modelo são explorados de modo a avaliar as diferenças de salinidade entre enchente e vazante, maré‐viva e maré‐morta e baixo, médio e elevado caudal fluvial. Posteriormente foi ainda estudada a propagação de coliformes fecais nas condições anteriormente referidas. As previsões do modelo em termos de velocidade e nível de maré são comparadas com observações in situ, revelando a capacidade do modelo em reproduzir adequadamente a propagação de maré ao longo do estuário do Sado. Quando o caudal fluvial é fraco (2m3s‐1), a hidrografia do estuário é claramente dominada pela maré, quando este é elevado (200m3s‐1) os parâmetros horizontais de salinidade dentro do estuário são determinados por um balanço entre o efeito da maré e do caudal fluvial. Neste caso é perceptível a divisão do estuário em três regiões: marinha, de mistura e de água doce. Nesta última a dinâmica do estuário é principalmente modulada pela descarga de água doce proveniente do rio. Apesar da dinâmica estuarina, as concentrações de coliformes fecais mostraram estar confinadas a pequenas áreas junto às estações de descarga de esgoto, sendo detectadas concentrações bastante baixas em zonas mais afastadas dos pontos de descarga e ao longo do estuário.