A Utilização dos SIG na Estimativa
da Corrente de Deriva Litoral
Aplicação à Costa Oeste de Portugal Continental entre a Figueira da Foz a Nazaré
GOMES, Fernando; BESSA PACHECO, Miguel; JORGE DA SILVA, António; SILVA, Raquel;
RUSU, Eugen
Resumo
Nas regiões litorais os fluxos são dominados pelas correntes induzidas pelas ondas. Ao propagaram-se
em direcção à praia as ondas rebentam e podem gerar uma grande variedade de padrões de corrente e
transporte sedimentar. Uma avaliação correcta dessas correntes ao longo da costa é deveras importante
quando se pretende estimar a propagação de poluentes num ambiente costeiro.
No rescaldo do acidente ocorrido com o petroleiro Prestige, o Instituto Hidrográfico (IH) iniciou um
conjunto de trabalhos para o estudo do regime de circulação da corrente de deriva litoral, nomeadamente
através da utilização de modelos numéricos e da realização de experiências de campo.
Neste contexto, foi desenvolvida uma experiência-piloto na Costa Oeste de Portugal Continental, num
troço de linha de costa entre a Figueira da Foz e a Nazaré (Praia da Vieira-Praia Velha), para medição
da corrente de deriva litoral. Os principais objectivos desta experiência consistiam na avaliação da
intensidade da corrente de deriva litoral num troço linear de linha de costa e no teste e validação de
modelos numéricos com o intuito de os aplicar noutras regiões do litoral português.
Nesta experiência foi utilizado um sistema de informação geográfica (SIG) com o objectivo de aferir a
adequabilidade de metodologias para o estudo das correntes superficiais na zona de rebentação e de
calibrar o modelo numérico implementado no IH (SHORECIRC).
A integração dos resultados do modelo numérico SHORECIRC num ambiente SIG permitiu verificar
uma boa correspondência entre a realidade e os resultados do modelo, nomeadamente no que diz respeito
ao limite da rebentação e à intensidade e direcção da corrente de deriva litoral.
A utilização do SIG neste tipo de estudo provou ser uma excelente ferramenta para aferir a adequação
das metodologias utilizadas na experiência e para melhorar os resultados do modelo. A calibração do
modelo numérico permitiu melhorar a qualidade das estimativas, possibilitando no futuro a elaboração
de cartas de risco em função das condições de agitação marítima.
PALAVRAS-CHAVE: SIG, Deriva Litoral, Experiência-Piloto.
INTRODUÇÃO
A corrente de deriva litoral é induzida pela aproximação oblíqua das ondas relativamente à praia. Aquando da
rebentação, parte da energia das ondas vai alimentar um movimento paralelo à linha de costa - a corrente de deriva litoral
- cujas características dependem da morfologia do fundo na região próxima da praia e da agitação marítima. A largura da
corrente não ultrapassa geralmente meio quilómetro. A sua intensidade pode, no entanto, ser muito elevada no interior de
uma faixa estreita em torno da zona de rebentação, atingindo facilmente velocidades da ordem dos 5 km/h.
Quando se pretende estimar o transporte sedimentar ou prever a deslocação de poluentes na superfície da água torna-se,
pois, fundamental conhecer a dinâmica das correntes superficiais no ambiente litoral. Na sequência dos acontecimentos do
acidente ocorrido com o petroleiro Prestige, o Instituto Hidrográfico (IH) iniciou um conjunto de trabalhos para o estudo
do regime de circulação da corrente de deriva litoral através da utilização de modelos numéricos e da realização de
experiências de campo.
Neste artigo, abordar-se-á a experiência-piloto realizada na costa Oeste de Portugal para medição da corrente de deriva
litoral e a contribuição dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG) neste estudo.
Os objectivos gerais desta experiência eram:
•
avaliar a intensidade da corrente de deriva litoral num troço simples da linha de costa com configuração quase linear
da batimetria;
•
testar e validar modelos numéricos e formulações analíticas disponíveis com vista à sua aplicação noutros troços da
costa Portuguesa.
O SIG na experiência-piloto foi utilizado com o intuito de aferir a adequabilidade de metodologias para o estudo das
correntes superficiais na zona de rebentação e de calibrar o modelo numérico de circulação de alta resolução quasi 3D [1]
SHORECIRC implementado no IH.
Os modelos da corrente de deriva litoral são ferramentas importantes de previsão operacional, desde que adequadamente
calibrados, permitindo dar rapidamente respostas a perguntas do tipo “qual a extensão de costa que será afectada
nalgumas horas por um derrame de um navio encalhado?”.
Conjugados com boas estatísticas de agitação marítima, os modelos podem também ser excelentes instrumentos de
planeamento ambiental e operacional, conduzindo a melhores estimativas de erosão costeira e permitindo elaborar cartas
de risco em função das condições de agitação marítima.
A EXPERIÊNCIA-PILOTO
A experiência-piloto decorreu nos dias 6 e 7 de Outubro de 2003 na costa Oeste de Portugal, numa zona com cerca de 12
km de extensão, compreendida entre a Figueira da Foz e a Nazaré (Praia da Vieira - Praia Velha). A área seleccionada para
a realização da experiência tinha que apresentar as condições ideais para testar o modelo SHORECIRC.
Na selecção da área da experiência tiveram-se em consideração diversos requisitos, nomeadamente:
•
ser delimitada por um troço linear de praia;
•
não ter interrupções devidas a cursos de água ou esporões;
•
ter uma dimensão suficientemente grande para permitir definir duas áreas de lançamento distintas, de modo a que as
marcas com origens diferentes não se sobrepusessem durante a realização da experiência;
•
apresentar batimetria regular, paralela à orientação da praia e não afectada por afloramentos rochosos;
•
não revelar, numa extensão significativa, a presença de correntes de retorno concentrado (rip currents) que
promovessem o afastamento das marcas superficiais a utilizar na experiência.
Figura 1. Localização da área da experiência piloto
A experiência consistiu no lançamento de 3000 marcas (folhas plastificadas de papel colorido com dimensão A3),
lançadas, por mergulhadores da Marinha, em grupos de 250 a partir de botes de borracha em duas posições pré-definidas,
junto à raiz da rebentação. Os lançamentos, em ambas as posições, foram efectuados com intervalos de tempo que
variaram entre 35 e 60 minutos (08:55; 9:30 e 10:30) em ambos os dias da experiência. Foram utilizadas marcas de seis
cores para possibilitar a identificação dos diferentes lançamentos. Esta metodologia garantiu a associação das marcas a
um determinado instante e a uma dada posição de lançamento.
Anteriormente aos dias da experiência, a 4 de Outubro de 2003, no limite externo da área da experiência,
aproximadamente sobre a batimétrica dos 13 metros, foi fundeado um perfilador de corrente (ADCP – acoustic doppler
current profiler) dotado de um módulo de ondas, o qual permitiu conhecer a corrente e as características da agitação
marítima (altura, período e direcção) à entrada da zona da experiência-piloto para os dois dias. As condições
meteorológicas foram observadas na estação costeira que o IH mantém em Ferrel (Peniche), a cerca de 60 km a sul da Praia
da Vieira.
No dia 6 de Outubro, o primeiro dia da experiência, as condições de agitação marítima (altura significativa de 2 m) não
permitiram a aproximação das equipas de mergulhadores à raiz da rebentação. As marcas acabaram por ser lançadas em
posições demasiado exteriores, tendo derivado para o largo sob influência do transporte induzido pelo vento. Contudo,
apesar das marcas terem derivado para o exterior, houve a recuperação de 15 marcas de diferentes cores a cerca de 25-30
km a sul das posições de lançamento.
No dia 7 de Outubro, as condições de agitação marítima melhoraram com a diminuição da altura significativa das ondas.
No entanto, os primeiros lançamentos efectuados às 08:55 foram, em ambas as posições, claramente exteriores à
rebentação. Por essa razão, e ao mesmo tempo que se dispersavam, as marcas foram-se afastando da praia a uma
velocidade média da ordem de 10 cm/s. Esta velocidade correlaciona com os valores observados no perfilador de corrente
fundeado no bordo externo da área da experiência. Os lançamentos seguintes (9:30 e 10:30) já foram realizados junto à raiz
da rebentação.
O acompanhamento (deriva) das marcas foi feito através de levantamentos aero-fotográficos à escala 1:5000 pela Esquadra
401 da Força Aérea Portuguesa. No dia 6 de Outubro, foram voadas 6 fiadas separadas por intervalos de 30 minutos. No
dia 7 de Outubro, foram realizadas 9 fiadas separadas por intervalos de tempo que variaram entre 11 e 33 minutos. Em
cada voo foram produzidas consecutivamente fotografias aéreas a cada 11 segundos, correspondendo a uma sobreposição
de 20%. A escolha das cores a utilizar nas marcas, bem como a altitude/escala a que deveria ser realizado o voo de
acompanhamento foram previamente determinadas por experiência expedita da Esquadra 401. Essa experiência constou
do lançamento de marcas de variadas cores para uma piscina e para mar aberto, fotografando depois estes alvos a várias
altitudes. As fotografias obtidas foram processadas e analisadas em pormenor, permitindo determinar as melhores
combinações de contraste e identificação individual das folhas.
As marcas que aterraram na praia, e que se distribuíram para sul das posições de lançamento, foram recolhidas e geoposicionadas individualmente por uma equipa de campo, da Brigada Hidrográfica do IH, durante o dia da experiência.
No dia seguinte o posicionamento foi feito por sectores com uma extensão de 500 metros ao longo da linha de costa.
Prevendo a possibilidade das marcas derivarem para o largo, estas continham uma mensagem com instruções para que
qualquer pessoa que as encontrasse soubesse a quem e como reportá-las, contribuindo assim para a realização da
experiência. A taxa de recuperação das marcas que derivaram para a praia foi de 67%.
A UTILIZAÇÃO DO SIG
Na concepção da experiência-piloto tornou-se óbvio que um conjunto de elementos interactivos necessitava de ser
adequadamente armazenado numa base de dados espacial. A quantidade e a variedade de informação a produzir
necessitavam de uma ferramenta com características particulares, nomeadamente na capacidade de produção, integração
e análise de dados espaciais. Deste modo, concluiu-se que a utilização de um SIG seria o meio ideal para o trabalho a
realizar.
O SIG na experiência-piloto foi utilizado no planeamento da missão como ferramenta de apoio à decisão, na fase pósexperiência como meio de análise e processamento dos dados e na fase dos resultados como meio de calibração do
modelo e como veículo de disponibilização de resultados para interpretação científica.
Todo o trabalho de gabinete SIG foi realizado com recurso ArcGIS 8, do fabricante ESRI, com as extensões 3D Analyst,
Spatial Analyst e Tracking Analyst. Foi utilizada uma estação de trabalho Pentium 4 com dois processadores a 2.8Ghz, 1
GB de RAM e dois discos rígidos de 80 GB de capacidade, cada um.
1. O planeamento da experiência-piloto
Durante o planeamento da experiência, o SIG foi utilizado para definir a área de estudo, após uma análise prévia dos
requisitos a cumprir e para definir as posições de lançamento. Para isso, utilizaram-se fotografias aéreas georeferenciadas, obtidas no sítio do Instituto Geográfico Português (http://scrif.igeo.pt) e um modelo digital de terreno
(MDT) da área de interesse.
O MDT foi produzido a partir de:
•
•
•
um levantamento hidrográfico realizado em 1982-83, à escala 1: 25 000, no troço acima da isobatimétrica dos 20 m
(referidos ao zero hidrográfico), entre a Leirosa e São Pedro de Muel
um levantamento hidrográfico realizado em 1994 na área da Leirosa à escala 1: 2 000
um levantamento topográfico, realizado durante a experiência pela Brigada Hidrográfica, da área da praia.
Saliente-se que o levantamento hidrográfico realizado junto à praia foi realizado devido à baixa resolução da batimetria
resultante de levantamentos a escalas demasiado pequenas. Salvo em raras excepções, os levantamentos das áreas litorais
(leia-se praias), não cobrem as áreas inundáveis, terminando, em geral, nos locais de sonda superior a 2 metros. Ora,
quando se pretende modelar eficaz e realisticamente qualquer fenomenologia costeira da grandeza da deriva litoral é
crucial dispôr-se de uma batimetria de alta resolução, nomeadamente das zonas inundáveis durante a preia-mar. Por isso,
durante a experiência, foi realizado um levantamento topográfico expedito da área da praia acima do zero hidrográfico,
com fiadas transversais à praia separadas de 200 m, e dois perfis de verificação, um deles coincidente com a inversão do
perfil de praia.
A análise do MDT permitiu verificar que existia uma barra submarina quase contínua a cerca de 500 m da praia, com uma
altura que variava entre 2 e 6 m. A sul do Rio Liz, a barra submarina adquiria uma melhor definição, passando a ser
contínua e quase linear. Com uma extensão de cerca de 12 km, uma largura entre 2 000 m e 2 500 m até à isobatimétrica
dos 15 metros e uma barra com sondas mínimas entre 3 e 6 m (referidas ao zero hidrográfico) a uma distância de 500 m da
praia, a área entre a Praia da Vieira e a Praia Velha Velha foi, assim, a escolhida.
As posições de lançamento das marcas foram seleccionadas através da correspondência dos valores do MDT com os
padrões da rebentação observados nas fotografias aéreas. Paralelamente, realizaram-se experiências numéricas com os
modelos em teste, as quais, assumindo diferentes cenários, simularam uma série de possíveis condições hidrodinâmicas
locais. Através da estimativa da distribuição da corrente longitudinal ao longo do perfil da praia, essas experiências
auxiliaram também na definição da localização das posições mais adequadas para os lançamentos.
Figura 2. Exemplo das posições de lançamento das marcas (Praia da Vieira).
2. A fase pós-experiência
Concluído o trabalho de campo, após o levantamento aero-fotográfico, foram digitalizadas e posteriormente georeferenciadas cerca de 120 fotografias no sistema de coordenadas militar. A geo-referenciação foi realizada através de
pontos conhecidos em terra e do relatório do sistema de posicionamento da aeronave.
Após a geo-referenciação procedeu-se à extracção de informação no formato vectorial da posição das marcas nos
diferentes instantes produzindo-se para isso polígonos representando os limites exteriores dos diferentes grupos de
marcas. Produziram-se no total cerca de 60 grupos de áreas envolventes. A análise da informação vectorial permitiu
definir a trajectória das marcas, avaliar a sua dispersão e estimar a sua velocidade média, a partir dos seus centros de
massa.
a.
b.
c.
Figura 3. Exemplo das áreas envolventes da marcas verdes às 09:36 (a.); 09:40 (b.) e 09:50 (c.).
Para uma análise integrada da informação disponível, constitui-se uma base de dados espacial contendo as fotografias
aéreas geo-referenciadas, a informação relativa aos pontos de lançamento, as áreas envolventes, a trajectória, os centros de
massa e a velocidade associada às marcas. Paralelamente, em ambiente SIG, integraram-se os resultados do modelo
SHORECIRC, de modo a que estes pudessem ser comparados com as outras camadas de dados.
3. Resultados
As marcas utilizadas no primeiro dia da experiência, devido às condições de agitação marítima adversas, foram lançadas
demasiado afastadas para serem apanhadas pela rebentação. Estas marcas foram na realidade transportadas mar a dentro
devido principalmente à influência das correntes induzidas pelo vento e, por isso, não foram consideradas válidas para
análise e determinação da corrente de deriva litoral.
No segundo dia da experiência, as condições de agitação marítima apresentaram-se mais favoráveis. As marcas damasco e
brancas (correspondentes ao primeiro lançamento nas posições norte e sul) derivaram para o largo a uma velocidade
muito menor do que as restantes. Isto porque estas marcas foram lançadas, tal como no primeiro dia, no exterior da
rebentação, onde um tipo de fenomenologia diferente do da corrente de deriva litoral actuou.
As restantes marcas tiveram comportamentos de deriva diferentes mercê das posições e horas de lançamento, bem como
das condições de agitação marítima e do ciclo de maré. Em ambiente SIG, calcularam-se as velocidades de deriva, para
todos os grupos de marcas, a partir dos seus centros de massa (ver quadro 1). Assim, verificou-se que:
•
As marcas verdes (2º lançamento da posição a norte) na primeira fase de deriva se deslocaram a velocidades entre 0.1
e 0.5 m/s. As velocidades estimadas a partir dos deslocamentos entre as posições observadas entre o último voo e as
primeiras recolhas de marcas na praia já foram, no entanto, na ordem dos 0.9 m/s.
•
A trajectória das marcas amarelas (3º lançamento da posição a norte) apresenta uma velocidade de deriva entre 0.1 e
0.3 m/s antes de aterrarem na praia. As posições das marcas identificadas na praia durante o último voo já revelam,
no entanto, deslocamentos compatíveis com velocidades médias de 0.6 m/s no interior da rebentação.
•
A trajectória das marcas azuis (3º lançamento da posição a sul) apresenta velocidades de deriva entre 0.1 e 0.3 m/s
antes das marcas aterrarem.
•
As marcas cor-de-laranja (2º lançamento da posição a sul), após uma deriva inicial de 0.4 m/s, passaram a deslocar-se
a 0.7/0.8 m/s. Em particular no troço final da rebentação.
•
As marcas damasco e brancas (1º lançamento das posições norte e sul) por terem sido lançadas demasiado fora da
zona de rebentação derivaram para o largo, apresentando valores de velocidade de deriva inferiores, nomeadamente
na ordem dos 0.1 m/s.
Cor das marcas
Posição de
lançamento
Hora de
lançamento
Direcção de deriva
Damasco
Verdes
Amarelas
Brancas
Laranja
Azuis
Norte
Norte
Norte
Sul
Sul
Sul
08:55
09:30
10:30
08:55
09:30
10:30
Exterior
Em direcção à costa
Em direcção à costa
Exterior
Em direcção à costa
Em direcção à costa
Velocidade de
deriva inicial das
marcas (m/s)
0.1
0.1 – 0.5
0.1 – 0.3
0.1
0.4
0.1 – 0.3
Quadro 1. Dados relativos à direcção e velocidade de deriva das marcas
Velocidade das
marcas prestes a
aterrar na praia (m/s)
-0.9
0.6
-0.7-0.8
?
Figura 4. MDT da área da experiência com a sobreposição da trajectória das marcas e o histograma das marcas
recolhidas na praia. A recolha das marcas diz respeito aos dias 7 e 8 de Outubro de 2003. As linhas coloridas
representam a trajectória das diferentes marcas.
Em ambiente SIG, integrou-se o MDT com as áreas envolventes das marcas em diferentes instantes e a respectivas
trajectórias. Verificou-se que existia um guiamento topográfico evidente em relação à deriva de todas as marcas com
excepção das cor-de-laranja (2º lançamento da posição a sul). Estas marcas foram lançadas aparentemente no limite da
zona de rebentação e foram imediamente colhidas pela corrente de deriva litoral. O intervalo de tempo entre o
lançamento e a aterragem das marcas cor-de-laranja foi inferior a 60 minutos. A extensão da área das marcas laranja
aterradas na praia é compatível com uma deriva induzida pelas ondas persistente à medida que o nível da água sobe até à
ocorrência da preia-mar.
As marcas azuis foram lançadas no mesmo ponto, mas uma hora depois (10:30), quando a altura da maré era mais elevada
e a zona de rebentação se tinha deslocado para o interior. Essas marcas, tal como as lançadas na posição norte (marcas
amarelas), terão sido assim influenciadas pela deriva de Stokes enquanto se deslocavam ao longo da costa antes de serem
influenciadas pela zona de rebentação.
Na zona de espraio a visualização das marcas foi dificil. No entanto, foi possível obter os vectores de deslocamento nesta
zona a partir da extensão para jusante das marcas aterradas. Estas marcas sofreram a influência da corrente de deriva
litoral à medida que a altura da maré ia aumentando e, mesmo talvez, durante a vazante. Com efeito, pelo menos 2
marcas laranja foram encontradas (no dia 8 de Outubro) a flutuar ao largo, a sudoeste do limite sul da área da experiência.
Não é de excluir a hipótese de que as marcas que anteriormente tinham aterrado na praia tenham sido levadas e
posteriormente mobilizadas e transportadas pela corrente de deriva litoral.
Dois terços das marcas, que derivaram efectivamente em direcção à praia, foram recolhidos no dia da experiência ou no
dia seguinte. É de crer que uma grande parte das marcas não recuperadas possam ter ficado enterradas na areia. Com
base na distância percorrida pelas marcas recuperadas na praia no dia da experiência-piloto, foi possível calcular,
recorrendo ao SIG, uma velocidade média de deriva na ordem dos 0.4-0.6 m/s.
Realizaram-se experiências numéricas para a área da experiência-piloto com o modelo SHORECIRC. Com a introdução
dos resultados do modelo num ambiente SIG, foi possível avaliar a qualidade dos ajustamentos, tanto ao nível do padrão
da zona de rebentação, como dos vectores de deriva que resultaram do movimento das marcas. Isto permitiu calibrar o
modelo, de modo a alcançar a melhor correspondência da posição da linha da rebentação com a informação contida nas
fotografias. Note-se na figura 5, a boa correspondência entre o limite da rebentação simulada pelo modelo e o observado
nas fotografias a diversas horas. Verifique-se que à medida que a maré vai enchendo, a área de rebentação vai diminuindo
e a corrente de deriva litoral se vai intensificando.
Figura 5. Limite da rebentação (azul claro) e corrente de deriva litoral dados pelo modelo SHORECIRC,
sobrepostos a fotografias aéreas da área correspondente às horas a que respeitam as simulações. Indica-se
também a situação relativa à maré (BM = Baixa-Mar; PM = Preia-Mar).
CONCLUSÕES
A técnica utilizada para estimar a corrente de deriva litoral através do seguimento de marcas por levantamento aerofotográfico provou ser eficaz. Os valores da velocidade da corrente de deriva litoral obtidos permitiram calibrar, para as
condições observadas, o modelo SHORECIRC para esta zona da costa Portuguesa. Esta calibração do modelo numérico
permitiu melhorar a qualidade das estimativas da corrente de deriva litoral, podendo agora ser utilizado em ambiente
operacional.
A utilização do SIG neste tipo de estudo provou ser uma excelente ferramenta para integrar os diferentes tipos de dados e
aferir da adequação das metodologias utilizadas na experiência, nomeadamente nas actividades de preparação da
experiência facilitando o seu planeamento operacional e logístico. Mais relevante foram as actividades de processamento e
análise de resultados, facultando informação à componente oceanográfica do estudo.
A experiência obtida com a realização deste primeiro estudo originou uma série de lições e permitiu identificar algumas
correcções a fazer ao nível do procedimento operacional numa experiência futura. Aspectos relacionados com a selecção
dos locais de lançamento das marcas, frequência das fiadas de monitorização por parte da aeronave e condições de
agitação marítima necessárias para a realização dos lançamentos serão certamente afinados.
O método experimental adoptado tem como principais desvantagens as limitações associadas às condições de agitação
marítima e à impossibilidade de recolher dados no interior da coluna de água com marcas superficiais, essenciais para
estimar, por exemplo, o transporte sedimentar. Contudo, na ausência de outra tecnologia, o método adoptado parece
adequado para validar os resultados do modelo à superficie.
A existência de um modelo adequadamente calibrado da corrente de deriva litoral, para além de melhorar as estimativas
de transporte sedimentar poderá no futuro permitir a elaboração de cartas de risco em função das condições de agitação
marítima. Estas cartas, elaboradas através do cruzamento entre a informação fornecida pelos modelos numéricos e a
tecnologia SIG, serão importantes meios de decisão numa situação de catástrofe ambiental, nomeadamente na definição
das áreas em risco, na estimativa da velocidade de deslocação de elementos flutuantes, e ainda no planeamento de meios a
mobilizar no combate à poluição.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a colaboração da Esquadra 401 da Força Aérea Portuguesa, pela sua inestimável contribuição na
experiência de campo.
Este trabalho é uma contribuição para os projectos PAMMELA2 (PDCTM/P/MAR/15242/1999) e MOCASSIM
(PARLE/POCTI).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Svendsen, I.A., Haas, K., and Zhao Q. Quasi 3D Nearshore Circulation Model SHORECIRC – Version 1.3.6., Centre for
Applied Coastal Research, University of Delaware, 2001.
Fernando Gomes
[email protected]
M. Bessa Pacheco
[email protected]
António Jorge da Silva
[email protected]
Raquel Silva
[email protected]
Eugen Rusu
[email protected]
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