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Circulação das águas em Estuários
Carlos Ruberto Fragoso Júnior
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Sumário
Conceitos e definições Importância da circulação da água Fatores que influenciam a circulação Equipamentos que medem a circulação
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Circulação das águas ou correntes É toda transferência de massa
d’água de um canto para o outro por meio de força externa.
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Hidrodinâmica
Hidrodinâmica (ou dinâmica de fluidos) é uma sub-disciplina de mecânica dos fluidos que lida com a ciência de fluxo de fluido — a ciência natural de fluidos (líquidos e gases) em movimento.
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Ondas
Apresentam periodicidade mas não tem velocidade de escoamento significativa
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Correntes
Não são necessariamente periódicas mas apresentam velocidade de escoamento significativa
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Delineia zonas/manchas no estuários Conecta estas zonas Driver biológico Transporta recursos, calor e organismos
Importância da circulação da água
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Água em movimento
•Transporte
•Mistura dentro e entre zonas
imboden (2004)Kallff (2002)
Importância da circulação da água
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Hidrodinâmica e Plâncton
Lagoa Itapeva: Zooplâncton em lagoa subtropical rasa
Alterações Temporais e Espaciais em densidade, diversidade e riqueza dependente fortemente de hidrodinâmica derivada
do vento.
Cardoso & Motta Marques (2003)
hour/day
season
space
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Físicos Rotação da terra Vento Maré Contorno Batimetria Temperatura (densidade) Tipo de fundo Rios afluentes, conexões
Químicos Salinidade (densidade)
Biológicos Plantas aquáticas
Fatores que influenciam a circulação
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Força de Coriolis
Força devido a rotação da Terra.
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Força de Coriolis
A força de Coriolis, embora não possa causar o movimento da água, é importante porque pode modificar, significativamente, a direção do movimento da água, especialmente em lagos e estuários grandes afastados do equador.
A força de Coriolis é uma força aparente que surge porque analisamos o escoamento fixando o referencial à Terra, que está em movimento de rotação.
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Força de Coriolis
A Terra completa uma rotação completa por dia, o que corresponde a, aproximadamente, 1660 km.h-1 na latitude zero (Equador).
Mas, à medida que a latitude cresce, a velocidade de rotação da Terra corresponde a uma velocidade menor sobre a superfície.
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Força de Coriolis
Um objeto em repouso na linha do Equador tem, na realidade, uma velocidade de 1660 km.h-1 na direção de rotação da terra e um objeto em repouso na latitude 30o S tem, na realidade, uma velocidade de 1437 km.h-1.
Se o primeiro objeto deixar a linha do Equador e for transferido instantaneamente para a latitude 30o S, ele terá uma velocidade 223 km.h-1 superior na direção de rotação da Terra do que objeto em repouso aparente.
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Força de Coriolis
Assim, o resultado é que, no hemisfério Sul, os fluidos escoando para o Sul são desviados para Leste e os fluidos escoando para o Norte são desviados para Oeste, ou seja, os escoamentos são sempre desviados para a esquerda no hemisfério Sul.
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Força de Coriolis
Os efeitos da força de Coriolis tornam-se significativos em lagos e estuários maiores do que 5.rc; onde rc é um raio característico que depende da velocidade média da água e da latitude.
onde rc é o raio característico de circulação inercial (m); u é velocidade média da água (m.s-1); é a velocidade angular da terra (7,29 . 10-5 rad.s-1); e l é a latitude.
lc sin2
u
f
ur
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Força de Coriolis
Considerando um lago na latitude de 30o (latitude aproximada dos lagos do RS), onde a velocidade da água é de 0,1 m.s-1, o valor de rc é de 1370 m.
Se o lago for maior do que 7 km (5.rc), aproximadamente, a força de Coriolis será significativa.
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Vento
Vento exerce força de cisalhamento na superfície
Além das ondas o vento produz correntes Impacto é maior em áreas rasas
vento
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Circulação devida ao vento
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Circulação devida ao vento
vento
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Vento
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Formação de ondas pelo vento Depende de 3 fatores velocidade do vento duração do vento Fetch (distância contínua sobre a qual o
vento viaja em contato com a água).
Somente quando os três fatores ocorrem juntos é que existem ondas.
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Fetch
Fetch é a distância contínua em que o vento pode atuar sobre a superfície, aumentando as ondas.
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Fetch
Quanto maior o fetch maiores as ondas
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Fetch
Em português às vezes usa-se “pista” como tradução de fetch.
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Fetch
O Fetch depende da direção do vento, da configuração do lago e do ponto observado.
Fetch não depende da intensidade do vento.
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Fetch
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Fetch
ventoA
B
C
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Fetch
vento
A
B
C
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Comprimento de onda
O comprimento de onda em estuários pode ser aproximado pela expressão abaixo:
onde L é o comprimento da onda e H é a altura da onda
H20L
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Efeito da onda na ressuspensão Sedimentos finos se depositam quando a
velocidade da água é baixa durante um longo tempo.
Ondas podem ressuspender sedimentos finos.
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Impacto das ondas no fundo do lago
L
Se prof<L/2 movimentoda água atinge o fundo
Caso contrário, ondas não afetam o fundo
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Ressuspensão
Ventos e ondas podem manter sedimentos finos em suspensão diminuir a transparência da água, limitando a entrada de luz.
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Outros tipos de circulação que tem a ver com ondas Langmuir Correntes de retorno
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Circulação de Langmuir
Formação de correntes helicoidais em células de água paralelas à superfície ocasionada pelo vento.
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Circulação de Langmuir
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Correntes induzidas por ondas no litoral
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Correntes induzidas pelo vento
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Entradas e saídas de água Em geral os rios trazem a maior
parte dos nutrientes e sedimentos para o interior dos lagos, por isso, a circulação originada pelas entradas destes afluentes é particularmente importante.
Estuários em contato com o oceano, por outro lado, podem receber entradas de água salgada, com características distintas de densidade, turbidez e concentração de nutrientes.
As velocidades de escoamento também tendem a ser maiores onde existem entradas ou saídas.
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Entradas e saídas de água
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Pode ser térmica ou salina; A estratificação provoca estabilidade na
coluna d’água; Estabilidade significa menos turbulência e
menos mistura; São vários impactos sobre a qualidade da
água, é o principal fator de interferência na qualidade da água em lagos;
A estratificação térmica foi observada pela primeira vez em lagos suíços em 1880.
Estratificação de densidade
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5º C
Estratificação de densidade
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Equação de estado da água do mar(Trabalho de casa)
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Estratificação de densidade
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Estratificação de densidade
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Estratificação de densidade
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Cunhasalina
Parcialmentemisturado
Bemmisturado
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Forma do estuários e batimetria A forma em planta e as diferenças na
profundidade dos lagos e estuários condicionam fortemente a circulação da água.
Canais mais profundos no interior de um estuário ou lago podem concentrar bastante o escoamento e locais que restringem o escoamento de alguma forma, como ilhas ou pontais, podem gerar zonas de velocidade mais elevada.
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Largura e profundidade - funções Para muitos estuários a batimetria pode ser aproximada por:
Onde Wx é a largura do estuário (m), WL é a largura da boca do estuário (m), Dx é a profundidade do estuário (m), DL é a profundidade da boca (m) e λ é o comprimento do estuário (m).
n
Lx
xWW
m
Lx
xDD
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Largura e profundidade - funções Para muitos estuários a batimetria pode ser aproximada por:
Onde Wx é a largura do estuário (m), W0 é a largura da boca do estuário (m), Dx é a profundidade do estuário (m), D0 é a profundidade da boca (m) e λ é o comprimento do estuário (m).
L/xa0x eWW
L/xb0x eDD
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Vegetação aquática
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Vegetação aquática
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Parâmetros de mistura
Razão do escoamento
Onde R é a vazão do rio, A é a área da seção transversal e Ut é a corrente média de maré (AUt é aproximadamente o prisma de maré
P < 0.01 – Estuário bem misturado P > 0.1 – Estuário bem estratificado
tAU
RP
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Parâmetros de mistura
Número do Estuário:
Onde T é o período de maré; R é a vazão do rio; Fm é dado por:
Onde uf é a velocidade média do rio; h é a profundidade da água
Ne < 0.1 – Estuário bem misturado Ne > 0.1 – Estuário estratificado
TR
PFN
2m
e
gh
uF fm
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Perfis de velocidade em rios
Perfis de velocidade de escoamento
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Medição de Vazão - Expedita
Utilizando um flutuador: Escolher um trecho retilíneo do rio que tenha seção constante; Marcar uma distância de no mínimo 10m; Medir a área da seção do rio; Lançar o flutuador e contar o tempo para percorrer a distância demarcada. Calcular a vazão com a fórmula.
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Medição de Velocidade da água - Molinete
Características:
Velocidade pontual Calibração para obter relação: (n° de revoluções/min) e (velocidade m/s) Pode ser utilizado abordo de barcos ou de teleféricos sobre a seção do rio A velocidade é conhecida contando o numero de revoluções realizadas em um intervalo de tempo (> 30s em geral)
Canal de Velocidade - IPHUFRS
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Molinete
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Molinetes
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Molinetes
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Medição à Vau- Para pequenas profundidades ( ~ 1.20 m)
- Para pequenas vazões
- molinete preso à uma haste
Medição com Molinete
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Vazão x velocidade
Pequenos rios
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Molinete preso à haste
( medição a vau)
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Vazão x velocidade
Pequenos rios
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Medidores ultrasom Doppler
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Medições de vazão usando um aparelho de medição de velocidade por efeito Doppler em ondas acústicas.
ADCP
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Medição de Vazão - ADCP
ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler
Segue o mesmo princípio da medição com molinete, ou seja medir velocidades pontuais na seção do rio.
Sua vantagem é de ter maior precisão e mais rapidez
Interface para conexão com computador
Permite medições em tempo atual
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Medição de Vazão - ADCP
Efeito Doppler
Um fonte emissora tem freqüência constante f
f é percebida maior quando a fonte aproxima-se do observador
f é percebida menor quando a fonte afasta-se do observador
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Medição de Vazão - ADCP
O aparelho ADCP utiliza este efeito para estimar a velocidade de escoamento de um fluído.
A sonda emite uma onda sonora com freqüência padrão e analisa a freqüência que é refletida nas partículas em suspensão na água.
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Princípio ADCP
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volume de controle
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volume de controle
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volume de controle
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perfiladores
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perfiladores
não medemuito próximo do aparelho
não medemuito próximo ao fundo
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Rio Amazonas
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rio Amazonas em Manacapuru