ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS
ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA DUTOS
AFOGADOS, RIO DE JANEIRO – RJ
Lidiane dos Santos Lima
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Oceânica, COPPE, da Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre
em Engenharia Oceânica.
Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman
Rio de Janeiro
Novembro de 2010
ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS
ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA DUTOS
AFOGADOS, RIO DE JANEIRO – RJ.
Lidiane dos Santos Lima
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA OCEÂNICA.
Examinada por:
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
NOVEMBRO DE 2010
Lima, Lidiane dos Santos
Estudos de hidrodinâmica ambiental e mudanças
na qualidade das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas
após ligação com o mar via dutos afogados, Rio de
Janeiro – RJ / Lidiane dos Santos Lima. – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2010.
XVII, 116p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa
de Engenharia Oceânica, 2010.
Referências Bibliográficas: p. 114-116.
1. Modelagem computacional. 2. Lagoa Rodrigo de
Freitas. 3. Qualidade das águas. I. Rosman, Paulo Cesar
Colonna. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,
COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Título.
iii
Ao meu avô Cândido Macedo dos Santos
(in memoriam)
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por tudo que fez e faz por mim, por estar sempre ao meu
lado, em todos os momentos da minha vida. À minha família, em especial ao meu marido, pelo amor, dedicação e paciência sempre.
Ao professor Paulo Rosman por ter me orientado, dando sugestões e tirando dúvidas fundamentais na execução deste trabalho. Aos meus amigos de turma
que sempre estiveram prontos para ajudar. À Marise pela constante atenção e carinho. E a todos que de forma direta ou indireta contribuíram para que esse trabalho
pudesse ser concluído.
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDOS DE HIDRODINÂMICA AMBIENTAL E MUDANÇAS NA QUALIDADE DAS
ÁGUAS DA LAGOA RODRIGO DE FREITAS APÓS LIGAÇÃO COM O MAR VIA
DUTOS AFOGADOS, RIO DE JANEIRO – RJ
Lidiane dos Santos Lima
Novembro/2010
Orientador: Paulo Cesar Colonna Rosman
Programa: Engenharia Oceânica
A Lagoa Rodrigo de Freitas é uma lagoa costeira, essencialmente urbana, localizada na zona sul da cidade do Rio de Janeiro – RJ. Esse importante ecossistema
costeiro é ligado ao mar por um canal artificial, o Canal do Jardim de Alah, construído
em 1921. Na orla costeira adjacente encontram-se praias de elevado potencial turístico: a praia do Leblon, a oeste, e as praias de Ipanema e Arpoador, a leste.
O referido ecossistema apresenta alguns problemas crônicos como o alagamento de grandes extensões das suas margens em períodos de precipitação intensa e
a deficiência da ligação da Lagoa com o mar pela freqüente obstrução do Canal do
Jardim de Alah. Como conseqüência dessa deficiência, a troca de massas de água
entre a Lagoa e o mar reduz a renovação das águas, o que ocasiona degradação da
qualidade da água, que em alguns momentos, chega a ocasionar grandes mortandades de peixes.
Com o objetivo de sanar os problemas citados, o presente trabalho apresenta
estudos de hidrodinâmica ambiental assim como de qualidade de água para suporte e
planejamento de ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas ao mar via dutos afogados. A
metodologia utilizada consiste em análises embasadas em resultados de simulações
com modelos computacionais aferidos, utilizando o programa SisBaHiA®, de forma a
representar o comportamento da Lagoa sob diversos cenários.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
STUDIES ON ENVIRONMENTAL HYDRODYNAMICS AND WATER QUALITY
CHANGES IN THE RODRIGO DE FREITAS LAGOON AFTER CONNECTION TO
THE SEA VIA DROWNED PIPES, RIO DE JANEIRO – RJ.
Lidiane dos Santos Lima
November/2010
Advisor: Paulo Cesar Colonna Rosman
Department: Ocean Engineering
Rodrigo de Freitas Lagoon in coastal lagoon, essentially urban, located in the
south zone of Rio de Janeiro – RJ. This important coastal ecosystem is linked to the
sea by an artificial channel, the Jardim de Alah channel, built in 1921. On the adjacent
coastal area there are beaches of highly elevated touristic potential: Leblon beach, to
the west, and Ipanema and Arpoador beach, to the east.
This ecosystem has some chronic problems, such as the flood of large
extensions of its margins and the deficient link of the lagoon to the sea, due to the
frequent obstruction of the Jardim de Alah channel. As a consequence, the water mass
exchanges between the Lagoon and the sea reduce water renewal, which affects the
quality of the water degradation, fact which, occasionally, results in massive fish
mortality.
Aiming at reducing the problems pointed out, the present work presents
studies on environmental hydrodynamics, as well as on quality of the water to the
support and planning of the link of Rodrigo de Freitas Lagoon to the sea by means of
drowned pipe. The methodology consists of analyses based in the results of
simulations with measured computational models, using software SisBaHiA®, so as to
represent the behavior of the Lagoon under different settings.
vii
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
1
2. REVISÃO DA LITERATURA – LAGOAS COSTEIRAS
4
2.1. HIDRODINÂMICA
4
2.2. ESTRUTURA TERMOHALINA
6
2.2.1. TEMPERATURA
7
2.2.2. SALINIDADE
7
2.3. COMPORTAMENTO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE
OXIGÊNIO (DBO)
10
3. ÁREA DE ESTUDO
13
3.1. CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA ATUAL
15
3.2. PROBLEMAS AMBIENTAIS
17
3.2.1. HISTÓRICOS
17
3.2.2. ATUAIS
18
4. MODELAGEM
20
4.1. MODELO MATEMÁTICO GERAL NA ESCALA DAS PARTÍCULAS
21
5. METODOLOGIA
23
5.1. SOBRE CALIBRAÇÃO E VALIDADE DOS MODELOS
24
5.2. MODELAGEM HIDRODINÂMICA AMBIENTAL
26
5.2.1. IMPLANTAÇÃO DE BASES DE DADOS PARA MODELAGEM
26
5.2.2. COLETA DE DADOS DISPONÍVEIS
29
5.2.3. ATIVIDADES DE MODELAGEM
29
5.3. DADOS CONSIDERADOS NAS SIMULAÇÕES
30
5.3.1. BATIMETRIA
30
5.3.2. DADOS DE MARÉ
30
5.3.3. DADOS DE VENTO
33
5.3.4. VAZA (LODO)
35
5.3.5. VAZÃO DOS RIOS E SAÍDAS
37
viii
5.3.6. CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS AFOGADOS
38
6. PROGNÓSTICO AMBIENTAL
40
6.1. PROGNÓSTICO DA HIDRODINÂMICA AMBIENTAL DA LRF
40
6.1.1. VARIAÇÃO DE NÍVEIS DE ÁGUA
40
6.1.2. CIRCULAÇÃO HIDRODINÂMICA
44
6.1.3. RENOVAÇÃO DAS ÁGUAS
55
6.2. PROGNÓSTICO DA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LRF
64
6.2.1. SALINIDADE
69
6.2.2. TEMPERATURA
81
6.2.3. OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO)
90
7. CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
108
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
114
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representação esquemática de lagoas costeiras segundo KJERFVE
(1986). ............................................................................................................................ 5
Figura 2: Solubilidade do oxigênio em água doce e água do mar. ......................................... 9
Figura 3: Comportamento do OD em lagoas (MACIEL, 2007). ............................................. 12
Figura 4: Vista aérea do canal do Jardim de Alah – ligação entre a lagoa e o mar. ............. 14
Figura 5: Draga retirando areia, rotina diária para desobstrução do canal. .......................... 14
Figura 6: Condições de escoamento predominantes nos canais da lagoa em função
da operação das comportas (FEEMA, 2006)................................................................. 15
Figura 7: Abrangência da região de modelagem, as profundidades apresentadas
são relativas ao nível médio do mar. ............................................................................. 23
Figura 8: Curva de maré típica da região estudada, ao longo de 30 dias,
considerando apenas as constantes harmônicas listadas na Tabela 2. ........................ 32
Figura 9: Registro de maré da região estudada, ao longo de 30 dias, ilustrando as
condições usadas na modelagem da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões
adjacentes. ................................................................................................................... 32
Figura 10: Gráfico da série temporal de ventos usuais fornecida ao modelo como
dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento,
que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são
indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais. ...................................... 34
Figura 11: Gráfico da série temporal de ventos de frente fria fornecida ao modelo
como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do
vento, que é indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são
indicados pelas setas, em relação à rosa de pontos cardeais. ...................................... 35
Figura 12: Estimativa da espessura da vaza (lodo não consolidado) existente em
2000,resultando da diferença entre os ecos de baixa e alta freqüência
(ROSMAN, 2009). ......................................................................................................... 37
Figura 13: Esquema da ligação da lagoa ao mar via dutos afogados (ROSMAN,
2009). ........................................................................................................................... 38
Figura 14: Níveis de água medidos na Lagoa Rodrigo de Freitas e no mar entre
setembro e novembro de 1999 (ROSMAN, 2009). ........................................................ 41
x
Figura 15: Prognóstico de níveis de água na Lagoa Rodrigo de Freitas em função
das variações do nível do mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento
usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............... 43
Figura 16: Domínio modelado da Lagoa Rodrigo de Freitas e zona costeira
adjacente no cenário projetado com os dutos afogados, indicando a malha de
discretização em elementos finitos e a batimetria atual referente ao nível médio
do mar........................................................................................................................... 44
Figura 17: Vazões no Canal Jardim de Alah com ligação Lagoa-Mar via dutos
afogados. ...................................................................................................................... 46
Figura 18: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos de frente
fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17............................ 47
Figura 19: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de enchente em maré de quadratura com ventos usuais,
conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 48
Figura 20: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos de frente fria,
conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 49
Figura 21: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de vazante em maré de quadratura com ventos usuais,
conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 50
Figura 22: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos de frente fria,
conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 51
Figura 23: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de enchente em maré de sizígia com ventos usuais,
conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 52
Figura 24: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos de frente fria,
conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................. 53
Figura 25: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de
água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos usuais, conforme
o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17. ................................................. 54
xi
Figura 26: Identificação e localização das estações, saídas e rios considerados na
modelagem. .................................................................................................................. 56
Figura 27: Tempos de renovação efetiva das águas em diferentes regiões da Lagoa
Rodrigo de Freitas. Os cruzamentos de cada curva com as linhas indicadas
,
e
representam os tempos transcorridos para renovação de 20%,
50% e 90% das águas na respectiva estação; (a) cenário de frente fria e (b)
cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil. ................................................................................................................. 58
Figura 28: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos
da saída das águas para o mar, 1.0 hora após a abertura da ligação via dutos
afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 59
Figura 29: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos
da saída das águas para o mar, 5 dias após a abertura da ligação via dutos
afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 60
Figura 30: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos
da saída das águas para o mar, 10 dias após a abertura da ligação via dutos
afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 61
Figura 31: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos
da saída das águas para o mar, 20 dias após a abertura da ligação via dutos
afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 62
Figura 32: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de águas na Lagoa e efeitos
da saída das águas para o mar, 30 dias após a abertura da ligação via dutos
afogados. (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 63
Figura 33: Distribuição temporal da salinidade nas águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a)
xii
cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido
ao efeito do vento local na LRF ser sutil........................................................................ 65
Figura 34: Distribuição temporal da temperatura nas águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a)
cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. ....................................................... 66
Figura 35: Distribuição temporal do OD nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60
dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito
do vento local na LRF ser sutil. ..................................................................................... 67
Figura 36: Distribuição temporal do DBO nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60
dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito
do vento local na LRF ser sutil. ..................................................................................... 68
Figura 37: Identificação e localização das estações de salinidade assim como os
valores adotados nas saídas e rios considerados na modelagem. ................................ 71
Figura 38: Perfis de correntes e salinidades – valores médios por ciclo de maré, em
um plano vertical que vai do Canal do Jardim de Alah até as proximidades da
Ilha do Piraquê. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal
do Jardim de Alah, como projetado na COPPE em 1992. Figura adaptada de
(MARTINS & ROSMAN, 1999). ..................................................................................... 72
Figura 39: Padrões de salinidades médias por ciclo de maré, em seis planos
horizontais: z = – 0,1m; z = –0,5m; z = –1,0m; z = –2,0m; z = –3,0m e z = –
3,5m. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim
de Alah, como projetado na COPPE em 1992, em simulação dinâmica
puramente com marés astronômicas e vazão fluvial de 1,0 m³/s, não se
considerou vento nem marés meteorológicas. (Em cinza aparecem as regiões
mais rasas do que a cota do plano do corte). Figura adaptada de MARTINS &
ROSMAN, 1999. ........................................................................................................... 73
Figura 40: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 1 hora após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 74
Figura 41: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 5 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
xiii
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 75
Figura 42: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 10 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 76
Figura 43: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 20 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 77
Figura 44: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 30 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 78
Figura 45: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 45 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 79
Figura 46: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 60 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados
similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil. ............................................ 80
Figura 47: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 1 hora após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 83
Figura 48: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 5 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 84
Figura 49: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 10 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 85
Figura 50: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 20 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 86
xiv
Figura 51: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 30 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 87
Figura 52: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 45 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 88
Figura 53: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 60 dias após
abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o
mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. .......................................... 89
Figura 54: Identificação e localização das estações de OD e DBO assim como os
valores adotados nas saídas e rios considerados na modelagem. ................................ 92
Figura 55: Distribuição espacial do OD em maré vazante 1 hora após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 94
Figura 56: Distribuição espacial do OD em maré enchente 5 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 95
Figura 57: Distribuição espacial do OD em maré vazante 10 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 96
Figura 58: Distribuição espacial do OD em maré enchente 20 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 97
Figura 59: Distribuição espacial do OD em maré vazante 30 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 98
Figura 60: Distribuição espacial do OD em maré enchente 45 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
xv
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ........................................................................... 99
Figura 61: Distribuição espacial do OD em maré enchente 60 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ......................................................................... 100
Figura 62: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 1 hora após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ......................................................................... 101
Figura 63: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 5 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ......................................................................... 102
Figura 64: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 10 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ......................................................................... 103
Figura 65: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 20 dias após abertura
da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a)
cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido
ao efeito do vento local na LRF ser sutil...................................................................... 104
Figura 66: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 30 dias após abertura da
ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário
de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao
efeito do vento local na LRF ser sutil. ......................................................................... 105
Figura 67: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 45 dias após abertura
da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a)
cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido
ao efeito do vento local na LRF ser sutil...................................................................... 106
Figura 68: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 60 dias após abertura
da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar ; (a)
cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido
ao efeito do vento local na LRF ser sutil...................................................................... 107
xvi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classificação baseada na zonificação da salinidade (VENICE SYSTEM,
1959). ............................................................................................................................. 8
Tabela 2. Principais constantes harmônicas referentes à região estudada, listadas
pela significância da amplitude. .................................................................................... 31
Tabela 3: Vazões médias dos rios e saídas adotadas para a modelagem. .......................... 38
Tabela 4: Características adotadas para a modelagem com dutos afogados. ...................... 39
Tabela 5: Resumo de vazões médias e volumes de água diários que entrariam e
sairiam da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados. ............................................. 46
Tabela 6: Valores iniciais dos principais parâmetros na modelagem de OD e DBO
foram adotados conforme EIA/RIMA, 2002. .................................................................. 92
xvii
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
A Lagoa Rodrigo de Freitas é uma lagoa costeira, essencialmente urbana, com cerca de 2
Km2 de espelho d’água, profundidade média da ordem dos 3 m e está localizada na zona sul
da cidade do Rio de Janeiro – RJ. A sua bacia hidrográfica tem cerca de 23,5 Km 2, drena a
face sul do Maciço da Tijuca, sendo formada, essencialmente, pelas bacias dos rios Cabeças, Macacos e Rainha. O corpo hídrico em questão é pólo de atração para atividades de
lazer ao ar livre e sede prática de desportos aquáticos, em particular o remo. Situando-se
nas suas margens as sedes dos principais clubes e nela existindo uma raia de remo de
grande importância. Na lagoa também há prática da pesca comercial de grande importância
econômica e social, havendo uma colônia de pescadores (AMBIENTAL, 1999).
Este sistema lagunar é ligado ao mar por um canal artificial, o Canal do Jardim
de Alah, construído em 1921. Na orla costeira adjacente temos praias de elevado potencial
turístico: a praia do Leblon, a oeste, e as praias de Ipanema e Arpoador, a leste. Dados históricos mostram que o Canal, na sua situação natural, demonstra instabilidade, através da
obstrução de sua embocadura pela acumulação de areia da praia (OLIVEIRA &
FORTUNATO, 2000).
A Lagoa Rodrigo de Freitas caracteriza-se por apresentar velocidades muito reduzidas em quase todo o seu domínio, exceto na área vizinha da sua ligação ao Canal Jardim de Alah. As áreas norte e leste apresentam-se isoladas do resto do corpo lagunar, não
conseguindo o escoamento induzido pelos fluxos afluentes do Piraquê e pelas marés promovendo a mistura destas águas com o resto da lagoa. Este cenário justifica os tempos de
residência muito elevados que como conseqüência tem a degradação da qualidade da água.
Os níveis na Lagoa são, fundamentalmente, controlados pelas afluências fluviais, situando-se o seu nível médio a aproximadamente meio metro acima do nível médio do
mar, condicionado, também, pelas deficientes condições de escoamento no Canal do Jardim
de Alah.
1
A água da Lagoa apresenta um aspecto, pouco agradável, evidenciando elevadas concentrações de micro e macro algas, em particular em áreas próximas as margens.
Tendo pouca profundidade e seu leito composto por sedimento com elevada porcentagem
de matéria orgânica. A Lagoa apresenta com a ressuspensão dos sedimentos de fundo
grande turbidez e carência de oxigênio, acompanhada de liberação de gás sulfídrico (LNEC,
2003).
O rio Cabeças drena a área do Jardim Botânico e deságua no canal da Av. Lineu
de Paula Machado que, por sua vez, desemboca no rio dos Macacos. O rio dos Macacos
drena os bairros do Alto da Boa Vista, Horto e Jardim Botânico. Em função das condições
hídricas locais, ele pode desaguar direto na Lagoa através de uma comporta existente na
rua General Garzón ou ser desviado no seu trecho final para o canal do Jóquei Clube Brasileiro. Atualmente ocorre a primeira alternativa descrita. O rio Rainha drena o bairro da Gávea e desemboca no canal da Av. Visconde de Albuquerque.
Desde o século passado o corpo hídrico em questão vem demonstrando colapsos no seu ecossistema, representado pelo crescimento exagerado de vegetação e mortandade de peixes. O emissário submarino de Ipanema, em carga desde 1974, recebe os efluentes sanitários das bacias de esgotamento da zona sul (Glória, Botafogo, Copacabana, Lagoa e São Conrado) e os lança no oceano, em frente à praia de Ipanema.
Vários fatores interagem e desencadeiam mortandades de peixes na Lagoa Rodrigo de Freitas. A estratificação de suas águas, decorrente da insuficiente circulação e renovação, faz com que a água do mar (mais densa) entre em pequena quantidade e em baixa velocidade, migre para o fundo, ficando acima da camada de lama, rica em matéria orgânica, e embaixo de uma camada de água salobra (menos densa). Esta situação tende a
permanecer, visto que a circulação provocada pelas marés é muito pequena. Assim sendo,
esta condição só tende a se modificar caso ocorram ventos muito fortes.
Estabelecida a estratificação, a camada mais salgada em pouco tempo torna-se
anaeróbica e rica em gases com a oxidação da matéria orgânica existente no fundo da la-
2
goa. A mistura dessas camadas, devido a ventos fortes, causam um rápido déficit de oxigênio dissolvido em toda a massa d’água, provocando asfixia nos peixes.
Mesmo quando não existe a estratificação, a ocorrência de ventos fortes gera
correntes e ondas capazes de revolver o fundo e de levar para a coluna d’água uma quantidade significativa de nutrientes, causando um Bloom de algas. As algas durante o dia liberam na massa d’água uma quantidade grande de oxigênio e à noite consomem o oxigênio
dissolvido na água, provocando, também, condições anóxicas e conseqüentemente a asfixia
nos peixes e no restante da biota.
Outras causas podem ser apontadas quando ocorrem mortandades pontuais em
regiões específicas da Lagoa. Podem ser citados os lançamentos acidentais de esgotos e o
aporte de efluentes, através de ligações clandestinas, às galerias pluviais. Porém a causa
preponderante é a baixa circulação e a deficiente troca de água do sistema.
A Lagoa Rodrigo de Freitas é um corpo d’água costeiro com histórico problema
de qualidade de água. Os primeiros trabalhos sobre a estagnação de suas águas e mortandade de peixes foram relatados já em 1877 pelo Barão de Lavradio e em 1880 por Teffé.
Vários estudos vêm sendo realizados na busca da contenção dos processos de degradação
da lagoa porém sem muito sucesso. A intensa ocupação urbana de sua bacia hidrográfica
associada a evolução das ações antrópicas com total inobservância de normas elementares
de urbanismo, explica o quadro problemático da qualidade de suas águas. Apresentando
contínuos problemas das mortandades de peixes e as freqüentes inundações na região.
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver estudos de hidrodinâmica
ambiental assim como de qualidade de água para suporte e planejamento de ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas ao mar via dutos afogados. Foram feitas análises embasadas em
resultados de simulações com modelos computacionais aferidos, para suporte de prognósticos de situações projetadas.
3
2. REVISÃO DA LITERATURA – LAGOAS COSTEIRAS
A revisão da literatura resultou do processo de levantamento e análise do que foi publicado
sobre hidrodinâmica, estrutura termohalina e comportamento do oxigênio dissolvido (OD) e
demanda bioquímica de oxigênio (DBO) em lagoas costeiras. Permitindo um mapeamento
dos conhecimentos existentes (estado da arte) e fornecendo uma fundamentação teórica
sobre o assunto abordado.
2.1. HIDRODINÂMICA
As lagoas costeiras são corpos d'água conectados parcialmente ou totalmente isoladas do
oceano, formadas durante as oscilações do nível do mar em função das modificações climáticas mundiais nas épocas glaciais e inter-glaciais durante o Holoceno e da formação das
restingas arenosas através dos processos marinhos. São efêmeras na escala de tempo geológico caracterizadas como áreas de rápida acumulação de sedimentos de granulometria
fina, ricas em materiais orgânicos de origem autóctone (nativo) e alóctone (exótico), em razão da minimização de fontes de energia como marés, ondas e correntes que possuem pequena taxa de renovação de águas, com longo tempo de residência. Sua existência depende, principalmente, das flutuações do nível do mar e da interferência humana. A ligação com
o mar é feita através de canais ou barras e a quantidade e tamanho são determinados pela
quantidade de água que flui em determinado intervalo de tempo, onde o volume dessa água
é controlado pela variação das marés e descarga de águas introduzida pelos rios tributários
(KJERFVE & MAGILL, 1989). Essas lagoas se dividem em três tipos geomorfológicos: sufocada, restrita e vazada (Figura 1), em função da taxa e magnitude das trocas de água entre
estas e o oceano, os quais refletem a força geradora dominante e a escala de tempo do ciclo hidrodinâmico (KJERFVE, 1986).
4
Figura 1: Representação esquemática de lagoas costeiras segundo KJERFVE (1986).
As lagoas do litoral do Rio de Janeiro, em sua maioria, enquadram-se no tipo sufocada, a qual é caracterizada por regiões de costa com alta energia de onda, deriva litorânea significativa e marés com altura máxima inferior à 2 m. Possuem grande tempo de residência de água, canais de comunicação com o oceano estreitos e longos. Conseqüentemente os principais movimentos de água ocorrem na forma de correntes de maré ou ondas
geradas por vento de circulação (BOGGS, 1995).
A circulação em uma lagoa costeira está relacionada ao balanço entre perdas e
ganhos de água pelo sistema e a mecanismos pelos quais a água é redistribuída dentro da
lagoa. As forçantes externas relevantes numa lagoa costeira são o vento, que atua diretamente sobre a superfície ou gerando ondas de gravidade, os aportes de águas pluviais, fluviais e marinhas e, eventualmente, as oscilações de maré na embocadura (SMITH, 1994).
Correntes de marés atuam de modo a manter uma lagoa aberta, enquanto que
as ondas, associadas às correntes de deriva litorânea tendem a fechá-la. Dessa forma, as
lagoas com características estuarinas possuem uma dinâmica de maré e descarga fluvial
dominantes. Já as lagoas fechadas possuem dinâmicas onde as ondas e os ventos são pre-
5
dominantes, enfim processos diferentes que influenciam na morfologia e nas características
dessa lagoa (ALMEIDA, 1997).
A performance de sistemas lagunares é, em grande parte, dependente de processos hidrodinâmicos, os quais determinam condições ambientais que afetam a biogeoquímica e, de maneira fundamental, a quantidade de tempo que a água e seus constituintes
permanecem no sistema. Ao tempo de residência hidráulico, atribui-se a explicação de uma
gama de fenômenos relativos à qualidade da água, como a variabilidade dos processos de
eutroficação, estratificação, composição isotópica, alcalinidade, concentrações de carbono
orgânico dissolvido, taxas de mineralização de matéria orgânica, produção primária, dentre
outros (MARQUES, 2009).
2.2. ESTRUTURA TERMOHALINA
Dentre os principais elementos estruturais de um ecossistema lagunar, podemos citar a estrutura imposta pela distribuição da densidade. A densidade pode ser definida como a relação entre a massa e o volume que ela ocupa. Os principais fatores que influenciam na densidade da água são a salinidade, temperatura e pressão. Quando camadas de água com
diferentes densidades estão em contato, podem formar-se barreiras físicas. Quando essa
condição se estabelece, pode-se dizer que a coluna d’água está estratificada, ou estável,
com a água menos densa posicionada acima da mais densa. A intensidade da estratificação
condiciona a distribuição de elementos químicos dissolvidos, nutrientes, poluentes e gases,
além de influenciar na circulação da água, podendo ser considerada, portanto, um elemento
estrutural primário (GOLDMAN & HORNE, 1983).
Em grande parte, a estratificação das lagoas é conseqüência do efeito da temperatura sobre a densidade da água, sendo comum associar-se a zonação vertical à temperatura. Mas é importante ressaltar que embora a temperatura seja tipicamente um bom indicador dessa zonação, em lagoas costeiras com conexão com o mar, a estratificação da coluna
d’água é principalmente decorrente da distribuição heterogênea da salinidade. Logo, o que
6
controla a estrutura é a densidade, e em lagoas costeiras torna-se necessário estudar a distribuição do calor e do sal e a combinação desses fatores em cada corpo d’água de forma
específica (ESTEVES, 1988).
2.2.1. TEMPERATURA
A temperatura influencia diretamente tanto a respiração dos organismos, como outros processos oxidativos, como a decomposição da matéria orgânica por microorganismos. Dessa
forma, a elevada temperatura de lagoas tropicais proporciona condições favoráveis para que
ocorram elevadas taxas de decomposição o que pode gerar déficits de oxigênio na coluna
d’água, especialmente na sua parte inferior. Por esta razão, a temperatura é um condicionante importante nas variações da concentração de oxigênio dissolvido (SMITH, 1994).
Como principal resultado da radiação solar, o aquecimento reduz a densidade da
água superficial, o que resulta em uma importante estrutura vertical, com a água superior
mais quente e menos densa sobre a inferior mais fria e densa. A zona de transição entre
essas duas massas d’água distintas, com rápida mudança de temperatura em pequeno espaço físico é chamada de termoclina. E quando a salinidade é homogênea na coluna
d’água, corresponde à própria estrutura de densidade (GOLDMAN & HORNE, 1983).
O ciclo de aquecimento e resfriamento de lagoas costeiras ocorre em três escalas temporais distintas: diurna, como resultado do aquecimento pelo sol e resfriamento noturno; sinótica, que dura em torno de uma a duas semanas, em função de eventos meteorológicos, como passagens de frentes frias e massas de ar seco, alterando a cobertura de nuvens, velocidade do vento e temperatura do ar e; sazonal, obedecendo a variações no ângulo zenital do sol, produzindo um ciclo anual de aquecimento e resfriamento que acompanha,
a grosso modo, as estações do ano (SMITH, 1994).
2.2.2. SALINIDADE
A salinidade mede a quantidade de sais dissolvidos existentes num corpo de água
(ESTEVES, 1988). As lagoas costeiras podem apresentar de água doce até hiperhalina, de7
pendendo do balanço hidrológico do ambiente. Essa variação dependerá principalmente da
existência e da intensidade de troca com a água do mar, além do aporte fluvial, da relação
entre precipitação e evaporação, da contribuição da bacia de drenagem e até mesmo das
águas subterrâneas (KJERFVE & MAGILL, 1989).
Uma classificação baseada na zonificação da salinidade, que considera diversos
graus de mistura entre água doce e salgada é o “Venice System” (1959). Esta classificação
permite a divisão do corpo hídrico em regiões conforme Tabela 1.
Tabela 1: Classificação baseada na zonificação da salinidade (VENICE SYSTEM, 1959).
CLASSIFICAÇÃO
SALINIDADE
Zona Limnética (Água Doce)
< 0.5
Oligohalina
0.5 a 5.0
Mesohalina
5.0 a 18.0
Polihalina
18.0 a 30.0
Euhalina
30.0 a 40.0
Hiperhalina
> 40.0
A distribuição da salinidade num sistema lagunar possui grande influência na
biota, pois cada espécie tem seu nível máximo de tolerância à salinidade e sua faixa ótima.
A salinidade afeta ainda a capacidade de dissolução do oxigênio na água, o pH e a composição iônica (SANTANGELO, 2005).
O sal dissolvido na água reduz o espaço intermolecular disponível para o oxigênio; assim, quanto maior for a salinidade menor será a concentração de oxigênio dissolvido.
A Figura 2 mostra a solubilidade do oxigênio na água doce e na água do mar para diferentes
temperaturas; observa-se que, a 25°C a solubilidade do oxigênio em água doce é aproximadamente 20% maior que na água do mar (MACIEL, 2007).
8
Figura 2: Solubilidade do oxigênio em água doce e água do mar.
Outro aspecto relevante da salinidade é sua contribuição para o aumento na
densidade da água; quanto maior a salinidade, mais densa a água. GOLDMAN & HORNE
(1983), ressaltam ainda que, para ambientes aquáticos com níveis consideráveis de sal, os
efeitos da salinidade na densidade dominam sobre os da temperatura. Dessa forma, em lagoas costeiras que possuem contato com o mar, a estratificação salina é uma importante
feição na estrutura do sistema.
De um modo geral, a presença de sal em lagoas costeiras está ligada a uma fonte marinha. Como conseqüência, as maiores concentrações de sal em uma lagoa devem ser
encontradas nas proximidades do(s) canal(is), e quanto à sua distribuição vertical, mais próximo ao fundo, em função da maior densidade.
9
2.3. COMPORTAMENTO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA
BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO)
O oxigênio participa de várias reações químicas e biológicas, ele é um gás fundamental na
respiração da biota conseqüentemente essencial à sobrevivência de muitas formas de vidas
aquáticas (BECKER et al., 2009). Sua distribuição em águas naturais fornece uma medida
conveniente da produção orgânica, formando a base de muitos métodos de medição de
produção primária (ESTEVES, 1988).
Em ambientes aquáticos a fonte de oxigênio mais importante procede do fitoplâncton, a partir da fotossíntese. A difusão do oxigênio atmosférico para dentro da água é
considerada também como uma fonte, ainda que, na maioria das vezes, se trate de um processo lento, exceto em condições de turbulência. O oxigênio é consumido na coluna d’água
pela respiração dos organismos, pela decomposição da matéria orgânica (Demanda Bioquímica de Oxigênio – DBO), e pela sua utilização na oxidação de compostos químicos
(Demanda Química de Oxigênio – DQO) (GOLDMAN & HORNE, 1983).
Os fatores controladores não produzem ou consomem o oxigênio propriamente
dito, mas limitam ou favorecem esses processos. Um fator controlador direto é a solubilidade do O2 na água, que é função basicamente da temperatura e da salinidade. Quanto mais
quente e mais salina a água, menor a solubilidade (capacidade de conter o gás) de oxigênio
(ESTEVES, 1988).
Fatores controladores indiretos podem assumir um papel primordial na dinâmica
de oxigênio dissolvido, especialmente em ambientes característicos como lagoas costeiras.
A interação entre a estratificação de densidade, a circulação e a disponibilidade de matéria
orgânica pode causar depleção do oxigênio dissolvido (ESTEVES, 1988; SIMAS, 2007).
Avalia-se na prática a poluição de um corpo d’água pela quantidade de oxigênio
que as bactérias necessitam para oxidar toda a matéria orgânica nele contida (DBO). Numa
lagoa não poluída, a degradação da matéria orgânica pelas bactérias aeróbias é completa e
há oxigênio em excesso para a vida aquática. Porém, quando a matéria orgânica numa la10
goa é encontrada em altas taxas, assim também será a demanda bioquímica de oxigênio
que eliminará o oxigênio dissolvido em toda a lagoa (MACIEL, 2007).
O estado trófico de um corpo d’água pode ser medido pelas variações a curto e
longo prazo da concentração de oxigênio dissolvido. A eutrofização resulta do enriquecimento nas águas de alguns nutrientes essenciais como nitrogênio, fósforo, carbono e outros. Este aumento conduz uma proliferação exagerada da flora aquática, ao ponto de prejudicar a
fauna. Um corpo hídrico pode variar de oligotrófico (baixa produtividade primária) passando
por mesotrófico (produtividade primária intermediária) e eutrófico (produtividade elevada,
acima do estado natural) podendo chegar a hipertrófico (produtividade muito elevada e muito acima do estado natural) (THOMANN & MUELLER, 1987).
Lagoas eutróficas possuem grandes suprimentos de todos nutrientes essenciais
e grande variação na saturação de oxigênio, tendo uma grande depressão no hipolímnio –
camada inferior da coluna d’água, mais fria, mais densa, com maior estagnação – e supersaturação no epilímnio – camada superior, mais quente, menos densa, com maior circulação
– e também possuem alta densidade de fitoplâncton e zooplâncton (VON SPERLING, 1996).
Lagoas eutróficas estratificadas, seja por gradientes térmicos ou salinos, apresentam um padrão de concentração de oxigênio dissolvido como indicado na Figura 3.
11
Figura 3: Comportamento do OD em lagoas (MACIEL, 2007).
No presente estudo, serão consideradas condições de estresse para a comunidade aquática concentrações de OD inferiores a 5 mg/L, valor encontrado na literatura
(TALKE et al., 2009) e proposto como limite mínimo aceitável pela Resolução CONAMA
357/2005 para águas salobras de Classe 1, nas quais se enquadra a Lagoa Rodrigo de Freitas. Ainda segundo TALKE et al. (2009), o limite utilizado de hipoxia neste trabalho será de 2
mg/L.
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3. ÁREA DE ESTUDO
Situada na zona sul da cidade do Rio de Janeiro entre as longitudes 043 o 11’ 09” e 043o 13’
03” W e as latitudes 22 o 57’ 02” e 22o 58’ 09” S, a Lagoa Rodrigo de Freitas possui 3 km de
largura máxima, 7.5 km de perímetro, espelho d’água com cerca de 2.5 milhões de m2 e profundidade máxima de 10.1 m (ANDREATA et al., 1997). A lagoa é regulamentada como uma
Área de Proteção Permanente pela Lei Orgânica do Município do Rio de Janeiro conforme
artigo 463. A relevância de seu estudo consiste no fato dela ser um ponto turístico e de lazer
de grande expressão na estrutura urbana da cidade do Rio de Janeiro, e que ao longo desta
última década vem se caracterizando por um substancial aumento de problemas de natureza físico-ambiental.
A Lagoa Rodrigo de Freitas originalmente era uma bacia aberta ao oceano que
sofreu intempéries e a erosão das rochas da Serra do Corcovado que propiciaram a lenta
formação de um cordão de areia que foi carreado pelo mar e levado pelas correntes originando uma restinga que se entendia da ponta do Arpoador ao Vidigal, compreendendo os
bairros de Ipanema e Leblon. (RANGEL, 2002). O seu balanço hídrico com o ambiente marinho através do canal do Jardim de Alah (Figura 4), com 835 m de extensão e/ou através do
canal de recirculação (canal do Jóquei) para o canal da rua Visconde de Albuquerque, canal
do Leblon e em seguida para o mar (MACHADO et al., 1998). A foz do canal do Jardim de
Alah é sistematicamente obstruída por areias transportadas pelas ações das vagas e correntes a elas associadas assim como pela ação dos ventos, razão pela qual necessita ser permanentemente dragada (Figura 5), servindo este processo para permitir a circulação de suas águas entre os ambientes lagunar e marinho (ALVES et al., 1998).
A água do mar penetra na laguna no período da preamar das marés de sizígia,
pelo Canal do Jardim de Alah. Tem o seu fluxo determinado em função da maré, com o controle da comporta (ponto 2 da Figura 6). A troca de massas de água entre a lagoa e o mar é
restrita, assim como o escoamento de maré dentro da lagoa (MACIEL, 2007). Os rios que
deságuam na Lagoa Rodrigo de Freitas são: o Rio dos Macacos, com área de drenagem de
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7.2 km2, o Rio Rainha, com 4.3 km2 e o Rio Cabeças, que tem a menor área de drenagem,
com 1.9 km2 (FEEMA, 2002).
Figura 4: Vista aérea do canal do Jardim de Alah – ligação entre a lagoa e o mar.
Figura 5: Draga retirando areia, rotina diária para desobstrução do canal.
14
Figura 6: Condições de escoamento predominantes nos canais da lagoa em função da operação das comportas (FEEMA, 2006).
O aporte incessante de águas servidas e de matéria sólida que atingem a este
corpo d’água lagunar, vem prejudicando o comportamento hidráulico e a qualidade da água
da lagoa, além do que, reduzindo a lâmina d’água e promovendo a acumulação da camada
de lodo. Este fato vem dificultando os mecanismos de circulação das águas, acelerando o
processo de colmatação, e contribuindo para as freqüentes mortandades de peixes, caracterizando assim um estágio de constante degradação ambiental.
3.1. CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA ATUAL
A hidrodinâmica da Lagoa Rodrigo de Freitas e do Canal do Jardim de Alah é forçada principalmente por: descargas fluviais, ação direta do vento e maré meteorológica. Atualmente,
a maré astronômica tem sua influência restrita ao Canal do Jardim de Alah, não afetando o
padrão de circulação no interior da Lagoa (AMBIENTAL, 2002).
15
As marés astronômicas na zona costeira são do tipo semi-diurnas com desigualdades diurnas. Tem uma propagação típica de onda de Kelvin no hemisfério Sul, de oeste
para Leste. As amplitudes máximas de marés de sizígia são da ordem de 1.20 m e as mínimas de maré de quadratura de 0.40 m. Os níveis do mar são fortemente influenciados por
fatores meteorológicos, com períodos característicos de 5 (cinco) a 7 (sete) dias. As amplitudes das marés meteorológicas são da mesma ordem de grandeza das marés astronômicas (ROSMAN et al., 1992).
As velocidades residuais em frente às praias de Ipanema e Leblon são dirigidas
para Leste. As águas provenientes da Lagoa tenderão a dirigir-se em direção à Baía de
Guanabara, sendo assim não se espera que detritos derivados desta baía entre regularmente na Lagoa. A Lagoa Rodrigo de Freitas é atualmente um sistema de águas quase paradas,
com velocidades da ordem de 0.01 m/s. Através da análise harmônica da série temporal de
nível medida no centro da LRF identificou-se uma única componente de maré com amplitude inferior à precisão do equipamento utilizado nas medições de nível, tornando possível
afirmar que não há influência de maré astronômica no interior da LRF e, portanto, as variações de nível associadas aos períodos semi-diurno e diurnos são desprezíveis. Os níveis na
Lagoa são fundamentalmente controlados pelas afluências de descargas fluviais. O nível
médio da Lagoa situa-se cerca de 0.5 m acima do nível médio do mar (AMBIENTAL, 2002).
Em conseqüência das baixas velocidades, ocorrem duas zonas prioritárias de retenção no interior da lagoa, a Norte e a Leste. Quer as vazões provenientes dos rios Cabeças e Macacos, quer as mares astronômicas e meteorológicas, se apresentam incapazes de
promover a mistura destas águas com o resto da Lagoa. Admiti-se que apenas os ventos e
pequenas afluências marginais à Lagoa consigam misturar a água retida nas duas zonas de
retenção.
16
3.2. PROBLEMAS AMBIENTAIS
Os problemas ambientais que se apresentam nos grandes centros urbanos muitas vezes
não surgem apenas em decorrência das altas densidades populacionais. A ocupação irregular com a construção de grandes prédios, como por exemplo ocorre ao longo do entorno da
Lagoa Rodrigo de Freitas, certamente constitui uma forma não recomendável de ocupação.
A população em seus movimentos migratórios, sempre procura convergir, ao longo do tempo, para locais que lhes oferecem melhores oportunidades e qualidade de vida (SILVA,
2010).
3.2.1. HISTÓRICOS
A Lagoa Rodrigo de Freitas tem apresentado, graves problemas ambientais relacionados à
qualidade da água que criam impactos diversos sendo mais graves aqueles que envolvem a
mortandade da fauna aquática (BRITO, 1971; ANDRADE, 1973; ROSMAN et al., 1992;
LNEC, 2003). A Lagoa Rodrigo de Freitas era constituída por um espelho d’água com área
aproximadamente o dobro da atual, margens rasas e geometria variável, desembocando
diretamente os rios Macacos e Cabeças. Nas áreas mais afastadas da orla provavelmente
havia predominância de massas d’água salobras, estagnadas, com elevadas concentrações
de matéria orgânica em decomposição (TORRES, 1990).
Desde a fundação da cidade do Rio de Janeiro (século XVI), a LRF apresentava
problemas de insalubridade e freqüentes inundações em seu entorno, em 1919 várias autoridades verificaram que as águas da lagoa deveriam ser totalmente doces, sendo construída
então uma ponte sobre a barra da LRF, transformada num vertedouro que permitia apenas a
saída de água após grandes chuvas, a conseqüência dessa ação foi o alagamento das margens da LRF e grande crescimento de taboas (Typha domingensis), gerando proliferação de
mosquitos da malária, por isso, o vertedouro precisou ser destruído (MACHADO, 2009). A
partir de meados do Século XX iniciou-se o processo de urbanização, de forma desordenada e mal planejada, acompanhada de uma explosão demográfica não enquadrada em sis-
17
temas de drenagem de águas residuais e que conduziu a execução de áreas de aterros
marginais que reduziram a área do espelho d’água e restringiram as dimensões do Canal de
ligação com o mar, alterando profundamente a natureza e características de funcionamento
de todo o sistema (LNEC, 2000).
3.2.2. ATUAIS
O problema apontado como o mais relevante está associado às mortandades de peixes e
outras faunas aquáticas da Lagoa Rodrigo de Freitas. A notícia de mortandade de peixe,
como citado no tópico anterior, são antigas e tornaram-se mais freqüentes após 1930
(TORRES, 1990).
Várias razões têm sido apontadas para explicar as mortandades. Em bibliografias pretéritas o fato apontado como causador destas súbitas mortandades de peixe é a destruição da estratificação da lagoa (ROSMAN et al., 1992). Esta estratificação seria resultante
da insuficiente circulação e renovação da água. A água do mar (mais densa), que entra em
pequena quantidade e em baixa velocidade na lagoa, fluiria lentamente para o fundo, posicionando-se acima de uma camada estagnada de lama negra fluida rica em matéria orgânica e por baixo de uma camada de água salobra (menos densa). Com essa estratificação, há
redução da concentração de oxigênio dissolvido na camada inferior e a formação de ácido
sulfídrico (H2S) pela decomposição anaeróbica da matéria orgânica do sedimento. Com a
ocorrência de ventos fortes, a circulação da lagoa abala a estratificação, a mistura das duas
camadas causaria o consumo do oxigênio dissolvido em toda a massa de água e a conseqüente morte dos peixes por anoxia (FEEMA, 1995).
Outras explicações baseiam-se num desequilíbrio resultante da enorme quantidade de biomassa presente na lagoa, devido ao fato deste corpo hídrico ser hipertrófico e
nele ocorrer intensa produção primária. A grande quantidade de fitoplâncton e de algas macrófitas, em quantidade superior à capacidade da lagoa suportar a respectiva respiração,
pode causar a sua morte maciça o que gera ainda maiores carências de oxigênio. Este fe-
18
nômeno é típico de sistemas eutrofizados ou hipertróficos. Ainda foram indicadas outras
causas para a mortandade de peixe, as quais incluem a possibilidade de envenenamento
direto: despejos industriais e comerciais tóxicos, ácido sulfídrico e/ou metano, marés vermelhas, dentre outros; fatores ambientais desfavoráveis como a temperatura elevada das águas e mudanças repentinas na salinidade (OLIVEIRA et al., 1957).
A Lagoa Rodrigo de Freitas ainda sofre com outros problemas de qualidade ambiental relevantes. Este corpo hídrico tem por primeira função construir um ecossistema equilibrado e saudável, que proporcione o suporte de vida. Sem a presença de um ecossistema equilibrado não é possível garantir as características estéticas que são esperadas deste ambiente, nem a sua função de proporcionar à população que usufrui das margens e do
próprio espelho d’água, condições que garantam o respectivo uso sem risco à saúde pública.
Os principais problemas atuais da Lagoa Rodrigo de Freitas são além da mortandade de fauna aquática, a afluência de fluxos de águas residuais e pluviais urbanas, em
quantidade e qualidade não controladas e condições estéticas e organolépticas indesejáveis
(FEEMA, 1995). A excessiva carga orgânica faz com que a Lagoa Rodrigo de Freitas esteja
num estado de equilíbrio ecológico muito frágil. A adequação da qualidade da água ao uso
balnear é ainda um problema na área costeira adjacente, Praias de Leblon e Ipanema.
19
4. MODELAGEM
Modelagem é um processo de traduções em diferentes etapas, no qual o sucesso de uma
etapa nunca supera o da etapa anterior. Em cada etapa, a realidade traduzida nunca é mais
verdadeira que a realidade da etapa anterior. Considerando um fenômeno qualquer na natureza, a primeira e mais fundamental modelagem é a conceitual (PINTO, 2007).
A necessidade da aplicação de modelos para estudos, projetos e auxílio à gestão de recursos hídricos é inquestionável, face à complexidade do ambiente em corpos de
água naturais, especialmente em lagos, reservatórios, estuários e zona costeira adjacente
das bacias hidrográficas. Modelos são ferramentas integradoras, sem as quais dificilmente
se consegue uma visão dinâmica de processos nestes complexos sistemas ambientais
(ROSMAN, 2010).
Modelos validados, isto é, aferidos com dados de campo e analisados por especialistas são ferramentas indispensáveis aos estudos e projetos, à gestão e ao gerenciamento de corpos de água naturais. Pois permitem integrar informações espacialmente dispersas, interpolar informações para regiões nas quais não há medições, ajudar a interpretação de medições feitas em estações pontuais, propiciar entendimento da dinâmica de processos, prever situações simulando cenários futuros, etc. O uso de modelos como ferramentas de previsão inclusive pode ser feito praticamente em tempo real, para planejar operações de limpeza ambiental em decorrência de derrames acidentais de contaminantes tóxicos, como óleos e solventes (PINTO, 2007).
O processo de modelagem pode ser sintetizado pelas seguintes etapas
(ROSMAN, 2010).
a) Modelagem conceitual: é formar na mente a concepção do fenômeno
observado, conhecer suas causas e efeitos, compreender as interações
dos agentes intervenientes na sua ocorrência.
b) Modelagem matemática: são traduções do modelo conceitual do fenômeno escritas em linguagem matemática. Os diferentes modelos mate20
máticos são diferentes arranjos, incluindo um número maior ou menor de
causas e efeitos, e de agentes intervenientes em diferentes formas. Para
tanto há regras e princípios formais a serem seguidos.
c) Modelagem numérica: são traduções dos modelos matemáticos adaptados para diferentes métodos de cálculo.
d) Modelagem computacional: é a tradução de um modelo numérico para
uma linguagem computacional que possa ser compilada e executada em
um computador por um operador experiente.
4.1. MODELO MATEMÁTICO GERAL NA ESCALA DAS PARTÍCULAS
Resume-se a seguir as equações governantes para modelagem da hidrodinâmica e do
transporte de escalares em corpos d’água, na escala instantânea e pontual de uma partícula
(ROSMAN, 1997).
 Equação da continuidade ou condição de escoamento incompressível:
Equação 1
 Equação da quantidade de movimento:
Equação 2
sendo:
 Equação de estado:
Equação 3
21
 Equação do transporte advectivo-difusivo de escalares:
Equação 4
Se a massa específica ρ for constante, a modelagem da hidrodinâmica depende
apenas das Equação 1 e Equação 2. Neste caso, uma vez conhecida a circulação hidrodinâmica, pode-se resolver a Equação 4 para o transporte de um escalar como problema à
parte. Por outro lado, se ρ for definido pela equação de estado com, por exemplo, três constituintes, temperatura salinidade e concentração de sedimentos, a modelagem da hidrodinâmica obriga a inclusão de Equação 3 e de três equações de transporte como Equação 4,
uma para cada escalar constituinte. A princípio, o conjunto destas equações, com condições
de contorno consistentes e em coordenadas apropriadas, forma um modelo matemático de
escoamento e transporte válido para qualquer corpo d’água. Entretanto, há fortes restrições
quanto às escalas de validade das equações (ROSMAN, 2010).
22
5. METODOLOGIA
A Figura 7 indica a abrangência da região de modelagem a ser considerada. Os pontos de
afluência de rios, canais de macro drenagem e manilhas foram considerados. Os modelos
computacionais que foram utilizados fazem parte do Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental - SisBaHiA®.
Figura 7: Abrangência da região de modelagem, as profundidades apresentadas são relativas ao nível médio do mar.
23
5.1. SOBRE CALIBRAÇÃO E VALIDADE DOS MODELOS
A metodologia de calibração e validação a ser seguida é a apresentada na publicação Um
Sistema Computacional de Hidrodinâmica Ambiental – Capítulo 1 (pp 1-161) do livro Métodos Numéricos em Recursos Hídricos 5.
Tipicamente na utilização do SisBaHiA® obtêm-se:
 Coerências entre valores medidos e valores computados de níveis de
água são em geral melhores que 90%. Após calibração é usual que sejam superiores a 95%.
 Coerências entre valores medidos e valores computados de velocidade e
direção de correntes são usualmente melhores que 70%. Após calibração
é comum ter-se coerências superiores a 90%.
 Coerências entre valores medidos de concentração de contaminantes ou
parâmetros de qualidade de água são semelhantes às verificadas para
velocidade e direção de correntes. Como os modelos de transporte de
contaminantes recebem como dados de entradas os resultados de níveis
e correntes dos modelos hidrodinâmicos, a confiabilidade dos modelos
de transporte é intrinsecamente função da qualidade dos resultados hidrodinâmicos.
Para atingir tais coerências foi necessário atender às seguintes condições:
 Garantir que a geometria do corpo de água no sistema de modelos esteja
correta e seja condizente com a existente na época de medição de níveis
e correntes. Discrepâncias em dados de batimetria e contornos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.
 Garantir que os forçantes dos escoamentos, ex. curvas de maré, ventos
e vazões fluviais, estejam corretamente no sistema de modelos, e sejam
condizentes com os existentes na época de medição de níveis e corren24
tes. Erros na especificação dos forçantes dos escoamentos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.
 Garantir que as intensidades das fontes contaminantes e os parâmetros
das reações cinéticas tenham sido corretamente fornecidos ao sistema
de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de concentrações. Erros na especificação de intensidades de fontes
e parâmetros de reações cinéticas são freqüentes causas de diferenças
entre valores medidos e valores computados.
A calibração de modelos de hidrodinâmica ambiental é um processo que deve
obedecer à seguinte ordem:
Nível 1. Calibração geométrica: aferir se a modelagem digital do terreno do domínio de modelagem, feita através da malha de discretização, representa adequadamente os
contornos e a batimetria da região de interesse. Para isso, deve haver dados batimétricos e levantamentos topo hidrográficos condizentes com as necessidades.
Nível 2. Calibração hidrodinâmica: aferir se os modelos hidrodinâmicos representam adequadamente a variação de níveis de água e correntes na região de interesse, sob
diferentes condições, ex., marés de sizígia e de quadratura, ventos e vazões. Para
isso é necessário que, além da boa modelagem digital do terreno, haja informações
corretas sobre os forçantes da circulação hidrodinâmica, tais como ventos, marés e
vazões afluentes.
Nível 3. Calibração de qualidade de água: aferir se os modelos de transporte de escalares,
usando as correntes e níveis dos modelos hidrodinâmicos, são capazes de representar adequadamente as concentrações de parâmetros de qualidade de água ao
longo do tempo. Para isso, é necessário que, além das correntes e níveis, haja informações corretas sobre fontes poluentes e sobre taxas de reação de parâmetros
não conservativos, ex. OD, DBO e coliformes termotolerantes.
25
Não é razoável querer obter uma boa calibração Nível 3 sem previamente obter
uma boa calibração Nível 2, que por sua vez depende da calibração Nível 1.
Quanta à validade dos modelos, no caso de se ter que desenvolver modelos
com carência de dados, deve ficar claro que modelagem é um processo evolutivo e que todos os modelos têm um viés qualitativo, apesar do forte viés quantitativo inerente a modelos
matemáticos, numéricos e computacionais. Isto é, não é incomum se desenvolver modelos
com dados parciais com viés qualitativo mais pronunciado. E, à medida que dados mais detalhados são obtidos, os modelos evoluem com calibrações mais refinadas, diminuindo o
viés qualitativo e aumentando a confiabilidade quantitativa em diagnósticos e prognósticos.
5.2. MODELAGEM HIDRODINÂMICA AMBIENTAL
Foi implementada uma base de dados no SisBaHiA®, para realização de modelagens computacionais multidimensionais para estudos de circulação hidrodinâmica e transporte de escalares como salinidade (ROSMAN, 2010). A base de dados a ser desenvolvida possibilitou
simulações computacionais que permitiram, por exemplo:
 Caracterizar a circulação hidrodinâmica na situação atual, possibilitando
um melhor entendimento da dinâmica da Lagoa Rodrigo de Freitas, a influência das marés, dos rios e dos ventos.
 Igualmente para situações projetadas, fornecendo respostas para o projeto de melhorias através da ligação da Lagoa com o mar via dutos afogados quantificando seus resultados em termos de aumento de intensidade de correntes, padrões de salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio e taxa de renovação das águas.
5.2.1. IMPLANTAÇÃO DE BASES DE DADOS PARA MODELAGEM
A estratégia geral do SisBaHiA® é fundamentada em bases de dados, e objetiva dar confiabilidade e facilidade de manipulação de dados e resultados aos usuários (ROSMAN, 2010).
O SisBaHiA® adota um sistema hierárquico de base dados da seguinte forma:
26
1. Base de Dados Selecionada: seleciona-se a Base de Dados pertinente
ao caso de interesse através da interface do SisBaHiA® dentre as muitas
que podem ter sido criadas. Novas bases podem ser facilmente criadas
quando necessário pela interface do SisBaHiA®.
2. Projeto de Modelagem Selecionado: seleciona-se através da interface do
SisBaHiA® o Projeto de Modelagem desejado dentre os muitos que podem ter sido criados na Base de Dados Selecionada. Novos Projetos de
Modelagem podem ser facilmente criados e inseridos na Base de Dados
Selecionada, através da interface do SisBaHiA®.
3. Domínio e Malha Selecionado: seleciona-se diretamente na interface do
SisBaHiA® o domínio e respectiva malha de discretização desejados dentre os muitos que podem ter sido criados dentro do Projeto de Modelagem Selecionado. Novos Domínios & Malhas podem ser implementados
quando necessário através da interface do SisBaHiA®, e ferramentas de
discretização associadas.
4. Modelos Hidrodinâmico e Modelo de Geração de Ondas Selecionado: seleciona-se diretamente através da interface do SisBaHiA® o Modelo Hidrodinâmico ou o Modelo de Geração de Ondas representativo do cenário de interesse, dentre os muitos que podem ter sido montados e associados com o Domínio e Malha de interesse. Cada cenário de interesse
com suas condições de contorno e forçantes próprios terá seu respectivo
modelo hidrodinâmico e modelo de geração de ondas. A mesma malha
de um domínio pode ser usada para tantos modelos hidrodinâmicos 2DH
ou 3D, ou modelos de geração de ondas que se queira montar. Novos
modelos hidrodinâmicos ou de geração de ondas associados a qualquer
Domínio & Malha existentes podem ser facilmente criados e montados
quando necessário através da interface do SisBaHiA®.
27
5. Modelos de Transporte de Escalares: selecionados dentre os muitos que
podem ter sido montados e associados com um Modelo Hidrodinâmico
Selecionado. Novos modelos de transporte podem ser facilmente criados
e montados quando necessário, via interface do SisBaHiA®. O SisBaHiA®
oferece os seguintes tipos de modelos de transporte:
a) Modelos de Transporte Euleriano para escalar genérico.
b) Modelos de Qualidade de Água e Eutrofização são modelos de transporte Euleriano interligados para 11 escalares representando de parâmetros
de qualidade de água com reações cinéticas acopladas.
c) Modelos de Transporte Lagrangeano determinísticos e probabilísticos.
6. Modelo de Propagação de Ondas: seleciona-se diretamente na interface
do SisBaHiA® o modelo de propagação de ondas desejado. Por usar discretização automática via grade de diferenças finitas, a partir do nível 2,
tal modelo segue outra linha de hierarquia. Novos Modelos de Propagação de Ondas podem ser implementados quando necessário através da
interface do SisBaHiA®, e ferramentas de discretização associadas.
A estrutura hierárquica de banco de dados do SisBaHiA®, entre outras vantagens, induz o usuário a seguir uma metodologia consistente de modelagem, impede a dissociação entre dados de entrada e resultados obtidos, impede a dissociação entre malhas e
modelos, impede a dissociação entre modelos hidrodinâmicos e modelos de transporte, facilita o desenvolvimento de modelos derivados, etc. Os modelos hidrodinâmico, de transporte
euleriano e de qualidade de água foram os utilizados no desenvolvimento do estudo proposto.
28
5.2.2. COLETA DE DADOS DISPONÍVEIS
Dados secundários disponíveis por ocasião dos estudos da Lagoa Rodrigo de Freitas por
ROSMAN em 2009 e pelo LNEC entre 1999 e 2001. Além dos dados disponíveis no EIARIMA de 2002 que foram coletados.
Entre os dados, destacam-se:
 Dados de batimetria e linha de orla da situação atual e da situação projetada com a implantação das obras de melhoria.
 Dados de vazões fluviais médias que foram consideradas.
5.2.3. ATIVIDADES DE MODELAGEM
As atividades de modelagem envolvem:
 Implementação de base de dados para modelagem da bacia da Lagoa
Rodrigo de Freitas através do SisBaHiA® dedicada ao estudo.
 Simulações de cenários descritos.
Quanto aos cenários de modelagem, devem ser consideradas duas etapas:
1. Etapa de modelagem hidrodinâmica ambiental objetivando definição do
tipo e dimensionamento da ligação lagoa-mar. Tal etapa é o foco dos cenários de modelagem propostos, no que concerne à ligação lagoa-mar
via dutos afogados.
2. Etapa de modelagem de aspectos ambientais mais abrangentes, focando
em Modelagem Hidrodinâmica, Transporte Euleriano e Qualidade de Água.
29
5.3. DADOS CONSIDERADOS NAS SIMULAÇÕES
Apresenta-se a seguir os dados considerados nas modelagens realizadas.
5.3.1. BATIMETRIA
As informações relativas à batimetria, incluindo os contornos de margens, utilizadas neste
estudo foram obtidas através de dados secundários disponíveis por ocasião dos estudos da
Lagoa Rodrigo de Freitas pelo LNEC entre 1999 e 2001, além dos dados disponíveis no
EIA-RIMA de 2002.
A batimetria atual, como vista pelo modelo, está apresentada na Figura 7.
5.3.2. DADOS DE MARÉ
As curvas de maré geradas a partir de constantes harmônicas da maré sintética da região
estudada estão apresentadas na Tabela 2 e ilustradas na Figura 8, conforme informações
da Diretoria de Hidrografia e Navegação da Marinha do Brasil. As principais constituintes
astronômicas são a M2, S2, O1 e K1, tendo todas elas amplitudes superiores a 5 cm. O
quociente entre as amplitudes das principais constituintes diurnas e semi-diurnas
é de 0.36, o que indica uma maré semi-diurna com desigualdades di-
urnas. Para as simulações do modelo da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões adjacentes é
considerado o registro de maré da Figura 9.
30
Tabela 2. Principais constantes harmônicas referentes à região estudada, listadas pela significância da amplitude.
CONSTANTE
M2
S2
O1
K1
K2
M4
N2
Q1
P1
MS4
MN4
mu2
2N2
M1
nu2
T2
MNS2
L2
SN4
M3
MO3
OO1
MK3
AMPLITUDE
(M)
0.288
0.160
0.105
0.058
0.049
0.045
0.035
0.028
0.022
0.022
0.020
0.015
0.012
0.009
0.005
0.005
0.004
0.004
0.004
0.004
0.003
0.003
0.002
FASE
(GRAU)
99.672
105.671
89.496
146.500
98.675
149.502
141.675
59.496
132.497
249.500
100.503
125.673
146.672
129.500
127.672
140.673
98.675
181.674
218.503
225.625
74.628
323.498
142.626
31
Figura 8: Curva de maré típica da região estudada, ao longo de 30 dias, considerando apenas as constantes harmônicas listadas na Tabela 2.
Figura 9: Registro de maré da região estudada, ao longo de 30 dias, ilustrando as condições
usadas na modelagem da Lagoa Rodrigo de Freitas e regiões adjacentes.
32
5.3.3. DADOS DE VENTO
Os dados de vento para modelagem da circulação hidrodinâmica podem ser fornecidos de
diversas formas ao modelo. Os dados podem ser desde constantes no tempo e uniformes
no espaço, até totalmente variáveis no tempo e variados no espaço. O fornecimento de dados de vento variados no espaço depende da disponibilidade de medições, que em geral só
são efetuadas em pontos esparsos. Assim, é mais comum alimentar o modelo com dados
de vento variáveis no tempo mas uniformes no espaço.
Considerou-se campos de ventos uniformes no espaço, e com intensidade variável de 30 em 30 minutos seguindo os padrões usuais, conforme se apresenta na Figura 10.
Os padrões de frente fria com intensidades variáveis de 60 em 60 minutos estão apresentados na Figura 11.
33
Figura 10: Gráfico da série temporal de ventos usuais fornecida ao modelo como dados de
entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é indicada
pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas setas, em
relação à rosa de pontos cardeais.
34
Figura 11: Gráfico da série temporal de ventos de frente fria fornecida ao modelo como dados de entrada. As setas têm módulo proporcional à velocidade do vento, que é
indicada pelo padrão de cores. A direção e sentido do vento são indicados pelas
setas, em relação à rosa de pontos cardeais.
5.3.4. VAZA (LODO)
O fundo da LRF é recoberto por uma camada espessa e irregular de sedimento, principalmente, de granulometria de areia média, de 30% a 80% e areia fina com 7% a 30% (BRITO
& LEMOS, 1982). Como as águas do fundo da LRF são total ou parcialmente estagnadas, o
35
sedimento é composto por uma vaza muito fina onde são retidos metais pesados e gases
tóxicos. A vasa (lodo) de coloração cinza escura é formada por material vegetal que prolifera
na LRF, e material orgânico em decomposição procedente de esgotos, esse material se acumula no fundo devido ao efeito da floculação e da gravidade em momentos de marés
cheias. O gás sulfídrico (H2S) proveniente do lodo, quando na superfície da LRF, gera o odor fétido, sulfuroso e falta de oxigenação das águas superficiais, fato que dificulta a respiração dos peixes e tem potencial de provocar mortandades. A formação de vasa negra no
substrato é um fenômeno natural, pois suas águas são relativamente plácidas e recebem há
muito tempo o afluxo de detritos inorgânicos, proveniente dos ecossistemas aquáticos e terrestres. A decomposição da matéria orgânica presente nos sedimentos pode representar
uma parte significativa do consumo de oxigênio no corpo de água (MACHADO, 2009).
A demanda biológica de oxigênio (DBO) pode ser dividida em duas partes
(ROSMAN, 2010):
1. DBO carbonácea: demanda de oxigênio dissolvido para decompor a matéria
orgânica;
2. DBO nitrogenada: demanda de oxigênio dissolvido devido à nitrificação.
Neste modelo, a DBO é representada apenas pela parte carbonácea. Na Figura
12 ilustrada a estimativa da espessura do lodo não consolidado que foi considerado nas simulações de DBO como fonte sem vazão líquida. Naquela ocasião, no ano de 2000, o volume total calculado de lodo não consolidado era de ~ 660.000 m³.
36
Figura 12: Estimativa da espessura da vaza (lodo não consolidado) existente em
2000,resultando da diferença entre os ecos de baixa e alta freqüência (ROSMAN,
2009).
5.3.5. VAZÃO DOS RIOS E SAÍDAS
Os dados referentes às vazões dos rios considerados na modelagem, foram dados secundários disponíveis nos estudos de hidrodinâmica ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas realizado por ROSMAN em 2009. Foram considerados dois rios na região modelada além de
quatro saídas. As vazões médias adotadas estão apresentadas na Tabela 3:
37
Tabela 3: Vazões médias dos rios e saídas adotadas para a modelagem.
RIOS E SAÍDAS
Rios Macacos e Cabeças
QM (L/S)
300.0
Saída – Vasco
1.0
Saída – Hípica
1.0
Saída – Rebouças
20.0
Saída – Leblon
45.0
5.3.6. CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS AFOGADOS
Em linhas gerais indo da Lagoa para o mar, o Canal do Jardim de Alah seguiria no alinhamento atual aproximadamente até onde se encontra a atual comporta. Daquele ponto em
diante, ao invés de seguir via canal dividindo as praias de Ipanema e Leblon, o fluxo seria
captado por dutos afogados. Tais dutos seriam enterrados sob a areia e aflorariam em desemboque submerso para além da linha batimétrica de 10 m. A praia de Ipanema-Leblon
deixaria ser dividida e passaria a ser uma faixa contínua de areia. A Figura 13 mostra a concepção proposta. As características dos referidos dutos estão expostas na Tabela 4:
Figura 13: Esquema da ligação da lagoa ao mar via dutos afogados (ROSMAN, 2009).
38
Tabela 4: Características adotadas para a modelagem com dutos afogados.
NOME
DUTOS AFOGADOS LRF-MAR
Comprimento (m)
360.00
Área Hidráulica (m²) – 4 dutos
21.24
Raio Hidráulico (m)
0.65
Ampl. Rug. Equiv. (m)
0.01
Perda Carga A
0.10
Perda Carga B
0.80
Outras Perdas
1.04
Comporta Basculante
Ausente
39
6. PROGNÓSTICO AMBIENTAL
O prognóstico ambiental foi realizado objetivando antecipar situações ambientais projetadas
após implantação dos dutos afogados.
6.1. PROGNÓSTICO DA HIDRODINÂMICA AMBIENTAL DA LRF
O prognóstico da hidrodinâmica ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas tratou especificamente das situações projetadas referente à variação de níveis de água, circulação hidrodinâmica e renovação das águas.
6.1.1. VARIAÇÃO DE NÍVEIS DE ÁGUA
Os níveis de água da Lagoa Rodrigo de Freitas têm sido mantidos em cotas que, em média,
ficam cerca de 50 cm acima do nível médio do mar (NMM) na praia de Ipanema-Leblon. A
persistência de níveis tão altos é devida aos bloqueios da embocadura do canal por areia e
às operações da comporta. Ambos os motivos mantém a lagoa estagnada (ROSMAN,
2009). A Figura 14 mostra os níveis de água, apresenta valores de salinidade medidos na
boca do Canal do Jardim de Alah junto ao Clube Caiçaras, e valores de precipitação de chuva na bacia da Lagoa Rodrigo de Freitas entre setembro e novembro de 1999.
40
Figura 14: Níveis de água medidos na Lagoa Rodrigo de Freitas e no mar entre setembro e
novembro de 1999 (ROSMAN, 2009).
Podemos observar que ao longo dos mais de dois meses de medição, apenas
durante cerca de 10 horas, ou menos que 0.7% do tempo total, a salinidade na seção de
medição apresentou valores equivalentes à da água do mar, com valores superiores a 30.
Isso implica em que, durante mais de dois meses o canal do Jardim de Alah praticamente
funcionou apenas como canal de extravasamento, evidenciando que não ocorreu qualquer
entrada significativa de água do mar na lagoa. Dessa forma durante esse período a renovação das águas da lagoa com água do mar foi praticamente zero; as entradas de peixes e
larvas do mar para a lagoa foram igualmente desprezíveis.
Outra questão a ser observada é que não há correlação entre os níveis da lagoa
e o nível médio do mar. Isso ocorre, pois estando o nível de água (NA) da lagoa quase sempre acima do NA do mar, não haveria como entrar água do mar para a lagoa. Observa-se
que as modificações de NA da Lagoa decorrem basicamente de eventos de chuva na bacia
e de operações de comporta no canal. Tais operações permitem o extravasamento das águas da Lagoa para o mar, após dragagem do bloqueio de areia na embocadura.
41
Analisando os prognósticos na Figura 15, foi observado que o cenário de frente
fria e vento usual apresentaram características muito próximas. O nível médio da Lagoa Rodrigo de Freitas ficaria sempre correlacionado ao nível médio do mar. As oscilações de nível
da lagoa ocorreriam seguindo as marés, contudo com amplitudes atenuadas na ordem de
70%, em ambos os cenários. Quanto aos níveis médios diários, verifica-se uma atenuação
da ordem de 8% (Frente Fria) e 10% (Vento Usual) e uma defasagem da ordem de 12 horas
entre os NM diários na LRF e no mar.
Comparando os níveis históricos na Lagoa Rodrigo de Freitas, mostrados na Figura 14, com níveis projetados mostrados na Figura 15, conclui-se que haveria um rebaixamento do nível médio diário da ordem de 10 cm.
42
Figura 15: Prognóstico de níveis de água na Lagoa Rodrigo de Freitas em função das variações do nível do mar; (a) cenário de frente fria e
(b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
43
6.1.2. CIRCULAÇÃO HIDRODINÂMICA
A Lagoa Rodrigo de Freitas não tem apresentado nos últimos anos estratificação vertical de
densidade (MARQUES, 2009). Utilizou-se por isso um modelo bidimensional, integrado na
vertical, para analisar a hidrodinâmica. A Figura 16 apresenta um mapa com a malha de discretização e a batimetria do domínio de interesse no cenário projetado da LRF e zona costeira adjacente utilizando os dutos afogados descrito anteriormente.
Figura 16: Domínio modelado da Lagoa Rodrigo de Freitas e zona costeira adjacente no cenário projetado com os dutos afogados, indicando a malha de discretização em
elementos finitos e a batimetria atual referente ao nível médio do mar.
44
Assim como ocorrido com a variação dos níveis de água da LRF, a circulação
hidrodinâmica para os cenários de frente fria e vento usual apresentaram características similares. A circulação resultante da entrada da água do mar via dutos afogados e o vento seria ainda fraca, como pode ser observado da Figura 18 a Figura 25, onde estão representados, os padrões típicos da enchente e da vazante nas marés de quadratura e sizígia na Lagoa. Verifica-se nas figuras que, exceto em região próxima ao Canal do Jardim de Alah, as
velocidades são pequenas. Dessa forma, a prática de remo na Lagoa não sofreria qualquer
prejuízo. No entanto, no Canal Jardim de Alah as velocidades seriam mais elevadas.
Além disso, a maré é muito pequena em relação à onda de maré, o nível d’água
na Lagoa oscila praticamente como uma superfície horizontal, o que implica em gradientes
de pressão muito pequenos e, conseqüentemente, correntes fracas. Observa-se ainda que
as velocidades de corrente durante a enchente são maiores do que na vazante, principalmente pelo fato da perda de energia que ocorre no fluxo de entrada no duto (vazante) ser
maior do que a perda de energia que ocorre no fluxo de saída do duto (enchente). Quanto
aos ventos, as condições de brisa consideradas nas simulações também não são capazes
de gerar correntes fortes, mas devemos destacar que elas podem contribuir para evitar a
estratificação da coluna d’água e melhorar a homogeneização horizontal das massas
d’água. Quanto à influência dos rios, verifica-se uma pequena diferença para as situações
de enchente e vazante. Na vazante, quando o fluxo do rio fica a favor da maré, as correntes
são um pouco maiores do que na enchente, contudo ainda assim, muito pequenas.
Os volumes que entrariam e sairiam da Lagoa Rodrigo de Freitas a cada dia não
devem ser entendidos como trocas de massas d’água, pois parte do volume que sai é o
mesmo que entra. No item Renovação das Águas será abordado a renovação das águas na
LRF em função das trocas efetivas de massas de água entre a Lagoa e o mar. As vazões
médias calculadas seriam da ordem de 10 m³/s em marés de sizígia e em marés de quadratura na ordem de 8 m³/s. Os volumes por dia que entrariam e sairiam da LRF seriam da ordem 755 m³/d nas marés de sizígia e 569 m³/d nas de quadratura. Na Tabela 5 é apresenta-
45
do um resumo das vazões médias e volumes de água diários da Lagoa Rodrigo de Freitas
via dutos afogados.
Tabela 5: Resumo de vazões médias e volumes de água diários que entrariam e sairiam da
Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados.
MARÉS DE SIZÍGIA
MARÉS DE QUADRATURA
Vazão média
Volume/dia
Vazão média
Volume/dia
10 m³/s
755m³/d
8 m³/s
569m³/d
Figura 17: Vazões no Canal Jardim de Alah com ligação Lagoa-Mar via dutos afogados.
46
Figura 18: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com
ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
47
Figura 19: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de quadratura com
ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
48
Figura 20: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quad ratura com
ventos de frente fria, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
49
Figura 21: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de quadratura com
ventos usuais, conforme o 19º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
50
Figura 22: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ve ntos de frente fria, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
51
Figura 23: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de enchente em maré de sizígia com ve ntos usuais, conforme o 13º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
52
Figura 24: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos de frente fria, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
53
Figura 25: Exemplo de padrão de circulação hidrodinâmica média na coluna de água em situação de vazante em maré de sizígia com ventos usuais, conforme o 10º dia expresso no gráfico de vazões da Figura 17.
54
6.1.3. RENOVAÇÃO DAS ÁGUAS
Em geral o termo tempo de residência no ambiente estuarino é usado para designar o tempo médio em que o material dissolvido e particulado fica retido no estuário antes de serem
transportados para o oceano adjacente (GÓMEZ-GESTEIRA et al., 2003). O tempo de residência é um parâmetro conveniente que representa na escala de tempo os processos de
transporte físicos que ocorrem nestes ambientes, e muitas vezes são usados como parâmetros de comparação na escala de tempo de processos biogeoquímicos (CUCCO &
UMGIESSER, 2006).
Na situação atual a deficiente ligação da Lagoa com o mar através do Canal do
Jardim de Alah é resultante da obstrução freqüente da respectiva embocadura, motivada
pela deposição de areias movimentadas pela agitação marítima. Embora haja um grande
esforço de limpeza desta zona do Canal, por dragagem mecânica localizada e (quase) permanente, ele não tem sido suficiente para controlar o assoreamento do Canal ao longo da
sua extensão até à Lagoa Rodrigo de Freitas. Como conseqüência, a troca de massas
d’água entre a Lagoa e o mar é deficiente, reduzindo a renovação das águas, o que repercute na degradação da qualidade da água (AMBIENTAL, 2002).
Verificou-se pelos resultados do modelo de circulação hidrodinâmica, que as correntes na LRF continuariam com pequenas magnitudes. Sendo assim, torna-se necessário,
além de mais realístico, considerar a atuação de ventos locais, os de frente fria e os ventos
usuais, além da variação da maré. Os resultados apresentados mostram que em ambos os
casos a taxa de renovação são muito próximas, dessa forma será considerado o mesmo
tempo de residências para os dois cenários. Aplicando um modelo de bidimensional de
transporte euleriano ao resultado hidrodinâmico, obteve-se o mapeamento do tempo de residência previsto após a implantação dos dutos afogados. Os modelos foram rodados até
não haver mais locais com concentração superior a 10% da inicial. A Figura 26 apresenta a
identificação e localização das estações que são mencionadas no presente capítulo.
55
Figura 26: Identificação e localização das estações, saídas e rios considerados na modelagem.
Os gráficos da Figura 27 apresenta as taxas de renovação das águas na LRF
em diferentes estações. Os cruzamentos de cada curva com as linhas indicadas
,
e
representam os tempos transcorridos para renovação de 20%, 50% e 90% das águas
nas respectivas estações. Como se pode observar, exceto para as regiões mais próximas
do Canal do Jardim de Alah, como na estação Lagoa-SW, as taxas de renovação de água
56
pelo escoamento médio na coluna de água são bastante similares. O tempo para renovação
de 50% das águas da LRF nas diferentes estações varia de 3 a 12 dias, sendo mais rápido
na região próxima do Canal do Jardim de Alah e mais lento na extremidade NE da LRF.
Mostra também que após cerca de 30 dias quase 90% das águas da LRF foram renovadas,
em todos os pontos.
Analisando os mapas (Figura 28 a Figura 32) juntamente com o gráfico da Figura 27 obtêm-se uma boa idéia da efetividade da renovação das águas da LRF propiciada
pela ligação lagoa-mar. Destes mapas observamos que o tempo de residência é variável na
área da Lagoa, pela composição das áreas de diferentes colorações no decorrer dos dias de
simulação, estima-se um tempo de residência de cerca de 20 a 30 dias para a Lagoa como
um todo. Levando em conta efeitos tridimensionais, e o fato da água do mar ser mais fria e
salgada que as águas da Lagoa, a renovação real seria mais rápida. Isso ocorreria, porque
águas mais frias e salgadas nas marés enchentes iriam para o fundo, e nas vazantes as águas que sairiam seriam águas misturadas, menos salgadas e mais quentes da Lagoa. Portanto haveria trocas mais efetivas devido à circulação residual por diferença de densidade
que, pelo fundo ocorreria no sentido do interior da Lagoa e pelas camadas mais superficiais
no sentido do Canal do Jardim de Alah.
Desta forma, os dutos afogados tornariam a qualidade da água da Lagoa melhor, reduzindo o tempo de residência, tendo em vista que atualmente, a LRF tem sua comunicação com o mar bloqueada pelo assoreamento, sendo rompida esporadicamente ou
necessitando de permanentes dragagens.
57
Figura 27: Tempos de renovação efetiva das águas em diferentes regiões da Lagoa Rodrigo de Freitas. Os cruzamentos de cada curva com
as linhas indicadas
,
e
representam os tempos transcorridos para renovação de 20%, 50% e 90% das águas na respectiva estação; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF
ser sutil.
58
Figura 28: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de
águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 1.0 hora após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
59
Figura 29: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de
águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 5 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
60
Figura 30: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de
águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 10 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
61
Figura 31: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de
águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 20 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
62
Figura 32: Distribuição espacial das taxas de trocas de águas da Lagoa Rodrigo de Freitas com o mar, mostrando taxas de renovação de
águas na Lagoa e efeitos da saída das águas para o mar, 30 dias após a abertura da ligação via dutos afogados. (a) cenário de
frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
63
6.2. PROGNÓSTICO DA QUALIDADE DAS ÁGUAS DA LRF
O prognóstico da qualidade das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas tratou das situações
projetadas referente aos parâmetros físico-químicos de salinidade, temperatura, oxigênio
dissolvido (OD) e demanda bioquímica de oxigênio (DBO). A distribuição temporal dos parâmetros contemplados no presente capítulo está da Figura 33 a Figura 36.
No decorrer dos 60 dias modelados após abertura dos dutos, podemos observar
que em aproximadamente 10 dias os parâmetros analisados encontram-se estabilizados.
Também foi observado que não houve alterações significativa entre os cenários de frente
fria (inverno) e vento usual (verão), exceto para temperatura que apresentou maiores valores pra o cenário de vento usual (verão).
Os parâmetros apresentaram valores dentro do esperado. A salinidade no decorrer dos dias apresentou maiores valores nas estações próximas ao canal Jardim de Alah, o
que era previsto, já que o canal é a ligação da lagoa com o mar. Os menores valores foram
registrados próximo ao deságüe dos rios e saídas. Dessa forma pode-se observar um gradiente de salinidade na área da Lagoa Rodrigo de Freitas.
Para a temperatura foi observado além da diferença entre os valores nos cenários (verão e inverno), gradiente de temperatura onde menores valores foram observados
próximo ao cana Jardim de Alah, devido a influência das águas do mar que entram na LRF.
Maiores valores foram registrados nas estações a norte, que apresentam menores profundidades.
O OD e a DBO apresentaram em média valores em discordância com o permitido pelo CONAMA 357 (OD> 5mg/L e DBO< 5mg/L) nas regiões mais ao norte da LRF. Vale
apena ressaltar que os valores iniciais que geraram tais resultados foram baseados nos estudos do EIA/RIMA de 2002.
64
Figura 33: Distribuição temporal da salinidade nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa -mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF
ser sutil.
65
Figura 34: Distribuição temporal da temperatura nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa -mar via
dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
66
Figura 35: Distribuição temporal do OD nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa -mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
67
Figura 36: Distribuição temporal do DBO nas águas da Lagoa Rodrigo de Freitas 60 dias após abertura da ligação Lagoa-mar via dutos afogados; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser sutil.
68
6.2.1. SALINIDADE
Dentre os parâmetros base para a compreensão dos processos que controlam a qualidade
de água de um sistema costeiro, a salinidade é fundamental por ser um fator de controle da
força iônica da água, que é determinante para as velocidades reacionais. A salinidade é ainda um parâmetro de referência fundamental pelo fato de condicionar o tipo de espécies biológicas que podem ou não utilizar o meio em questão como seu habitat permanente ou em
algumas das fases do seu ciclo de vida.
Dados de salinidades na LRF medidos nas décadas de 60, 70 e 80 mostram um
padrão freqüentemente de estratificação salina bem definida, com salinidades variando entre 15 e 23 numa camada superficial de ~ 1.5 m, e valores entre 19 e 31 na camada abaixo
até o fundo (LNEC, 2000). Segundo (ROSMAN, 2009), em fevereiro de 1996 houve uma súbita mudança no padrão de salinidades da LRF que persistiu pelo menos até 2000, pelas
seguintes razões:
No final de 95 e início de 96 foi feito um engordamento de 370.10³m³ na
praia do Leblon. Tal engordamento foi executado de modo inadequado,
resultando em uma praia relativamente baixa e excessivamente larga.
Por conta disto, a embocadura do Canal do Jardim de Alah passou a ser
fortemente assoreada, e desenvolveu-se uma verdadeira soleira de areia
em sua frente. Desde então o canal passou a funcionar como canal extravasor, permitindo a água do mar entrar muito raramente;
Medições feitas em Set-Nov/99 comprovam que o canal do Jardim de Alah passou a se comportando como um canal extravasor. Ao longo de
mais de dois meses de medições, ou aproximadamente 1500 horas, só
durante cerca de 10 horas entrou água do mar na Lagoa. Em termos percentuais, em 99,3% do tempo ou o canal funcionou como extravasor, ou
69
estava obstruído, já que em apenas 0,7% do tempo entrou água salgada
na Lagoa.
Atualmente a Lagoa é um sistema bem misturado, tanto vertical quanto horizontalmente. A salinidade média é da ordem de 12 a 14, ou seja, bem mais baixa do que a salinidade na zona costeira. O canal Jardim de Alah apresenta grandes variações de salinidade
ao longo de sua extensão, em particular quando permite a admissão de maré oceânica, com
valores próximos da salinidade do mar na extremidade marítima (MARQUES, 2009). A Figura 37 apresenta a identificação e localização das estações que são mencionadas no capítulo
6.2.1.
70
Figura 37: Identificação e localização das estações de salinidade assim como os valores adotados nas saídas e rios considerados na modelagem.
Como condição inicial, foi considerada uma salinidade da Lagoa de 14 e a do
mar de 34. Com o passar dos dias, em marés enchentes e vazantes (Figura 40 a Figura 46),
a gradação da salinidade mostrou-se crescente em direção ao Canal Jardim de Alah e decrescente em direção à afluência dos rios Macacos e Cabeças junto da Ilha Piraquê e saída
Rebouças. Pôde-se constatar que depois desse período a LRF sofreria uma grande modifi-
71
cação em relação a esse parâmetro. A gradação da salinidade apresentada é tipicamente
de sistemas estuarinos, o qual favorece a diversidade biológica.
Vale a pena ressaltar que os resultados modelados são valores de salinidade
médios na coluna de água. Contudo, efeitos tridimensionais causados por diferenças de
densidade mostram na realidade uma situação de estratificação salina dinâmica da coluna
d’água, com salinidades menores nas camadas superficiais e maiores no fundo, como ilustrado na Figura 38 e na Figura 39.
Figura 38: Perfis de correntes e salinidades – valores médios por ciclo de maré, em um plano vertical que vai do Canal do Jardim de Alah até as proximidades da Ilha do Piraquê. A Figura retrata a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de
Alah, como projetado na COPPE em 1992. Figura adaptada de (MARTINS &
ROSMAN, 1999).
72
Figura 39: Padrões de salinidades médias por ciclo de maré, em seis planos horizontais: z =
– 0,1m; z = –0,5m; z = –1,0m; z = –2,0m; z = –3,0m e z = –3,5m. A Figura retrata
a situação 15 dias após a abertura do Canal do Jardim de Alah, como projetado
na COPPE em 1992, em simulação dinâmica puramente com marés astronômicas
e vazão fluvial de 1,0 m³/s, não se considerou vento nem marés meteorológicas.
(Em cinza aparecem as regiões mais rasas do que a cota do plano do corte). Figura adaptada de MARTINS & ROSMAN, 1999.
73
Figura 40: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil.
74
Figura 41: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil.
75
Figura 42: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil.
76
Figura 43: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local
na LRF ser sutil.
77
Figura 44: Distribuição espacial da salinidade em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil.
78
Figura 45: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local
na LRF ser sutil.
79
Figura 46: Distribuição espacial da salinidade em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local
na LRF ser sutil.
80
6.2.2. TEMPERATURA
Um dos mais importantes fatores a serem considerados em estudos aquáticos é a temperatura da água, devido a sua decisiva influência sobre a densidade, a viscosidade e os movimentos de convecção da água. Além dessa importante influência física e hidrológica de
grandes conseqüências biológicas, a temperatura tem, ainda, uma ação direta sobre a distribuição e periodicidade e a reprodução dos organismos (MARGALEF, 1983).
A temperatura também exerce influência sobre as diferentes reações químicas e
bioquímicas que ocorrem no ambiente e a formação de estratificação térmica nos ecossistemas aquáticos. Quando este fenômeno ocorre, formam-se estratos ou camadas heterogêneas de organismos e dos diversos fatores físico-químicos (ESTEVES, 1988). De suma importância é a temperatura para a produtividade biológica da água, tanto para o ritmo do metabolismo das espécies quanto para o ritmo do processo fotossintético (MARGALEF, 1983).
Foram simuladas pelo modelo situações de inverno (frente fria) e verão (vento
usual), com o objetivo de prever as temperaturas das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas
após a conclusão das obras de implantação dos dutos afogados. Estas estações do ano foram escolhidas por serem as que apresentam cenários extremos para esse ambiente. A simulação de inverno foi feita com nebulosidade de 20% e temperatura mínima de 15ºC e
máxima de 28ºC. Na simulação de verão foi feita simulação sem nebulosidade com temperatura mínima de 16ºC e máxima de 30ºC. Os modelos de qualidade de água – modalidade
térmico – foram rodados por um período de 60 dias. Quanto à Lagoa, a temperatura inicial
considerada nas simulações foi de 27ºC enquanto o mar teve temperatura inicial de 22ºC.
Para um período de variações de temperatura estabilizada (de 60 dias) e, portanto mais realística, os resultados são apresentados na seqüência da Figura 47 à Figura
53. As figuras mostram uma distribuição de temperatura muito semelhante para os diferentes instantes de maré, com águas mais quentes a noroeste da Ilha Piraquê, por ser uma região mais rasa, além de localizada ao fundo da Lagoa; e a região mais fria ao sul, por rece81
ber maior influência das águas marinhas, apresentando um maior gradiente de temperatura.
Esta região representa a única onde se verifica uma sensível diferença de temperatura para
cada instante de maré.
Ao contrário dos parâmetros anteriormente abordados pode-se perceber diferenças entre os cenários modelados. Essa diferença deu-se principalmente pelas condições
distintas de nebulosidade estabelecidas por serem condições características de verão e inverno.
82
Figura 47: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
83
Figura 48: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
84
Figura 49: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
85
Figura 50: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
86
Figura 51: Distribuição espacial da temperatura em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
87
Figura 52: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
88
Figura 53: Distribuição espacial da temperatura em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos
afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual.
89
6.2.3. OXIGÊNIO DISSOLVIDO (OD) E DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO (DBO)
As séries temporais (janeiro de 1996 a março de 2001) de OD denotam a grande variabilidade deste importante indicador de qualidade das águas. Os valores oscilaram entre 0,6
mg/L e 22 mg/L, sendo que valores inferiores a 5 mg/L foram registrados em diversos pontos da laguna em várias coletas. Estes registros violam os padrões estabelecidos pela Resolução CONAMA 357/2005 para águas salobras de Classe 1 onde, em qualquer amostra, o
OD não deve ser inferior a 5 mg/L. Embora horizontalmente as águas da Lagoa Rodrigo de
Freitas mostraram-se bastante homogêneas para o OD, em geral perfis estratificados com
maiores concentrações na superfície são freqüentemente registrados (AMBIENTAL, 2002).
Foram observados elevados valores de sobre-saturação associados principalmente com ciclos diários de variação do OD (setembro e outubro de 2000). Assim, valores
mais elevados foram observados à tarde, entre 14:00 e 18:00, enquanto que concentrações
mais reduzidas foram de forma geral observadas à noite e no início da manhã, entre 23:00 e
7:00. Esta variação diária estaria associada às elevadas taxas de produtividade primária,
características de sistemas hipertrófico. Valores de sobre-saturação, como os observados,
são comuns em corpos d’água com grande biomassa fitoplanctônica (AMBIENTAL, 2002).
A redução na concentração de OD durante a noite demonstra o elevado consumo neste período, indicando que a produção fotossintética durante o dia não é suficiente
para manter o sistema com grau satisfatório de oxigenação. Na realidade, as algas estão
produzindo e também consumindo OD durante o dia, porém a produção é muito maior que o
consumo, enquanto que durante a noite, somente ocorre o consumo. Esta variação demonstra o equilíbrio instável em que o sistema da Lagoa Rodrigo de Freitas se encontra, onde a
ressuspensão de sedimentos ou aporte através da drenagem pode afetar a oxigenação das
águas.
Os dados disponíveis sobre a DBO e DQO das águas da Lagoa Rodrigo de Freitas abrangem informações mensais entre abril e setembro de 1997 e entre novembro de
90
1998 e março de 2000. Os valores foram bastante elevados até fevereiro de 2000 quando
ocorreu acentuada redução nas demandas química e bioquímica de oxigênio. Os maiores
déficits de OD foram observados entre dezembro de 1998 e fevereiro de 2000, quando foram registradas taxas elevadas (DBO > 200 mg/L e DQO > 1.500 mg/L). Estes valores de
DBO e DQO indicam que os teores de OD são também controlados pelas carências oriundas da decomposição bioquímica da matéria orgânica lançada na laguna através das águas
residuais e dos sedimentos. Também para a DBO, os valores observados estão acima do
padrão estabelecido para águas da Classe 1. Em fevereiro de 2000 (dia 09/02/2000) houve
um pico de DBO o qual coincidiu justamente com o evento de mortandade de peixes 1
(AMBIENTAL, 2002).
Através do balanço de massas de oxigênio dissolvido o relatório LNEC (2000)
propõe que na ausência da fonte de oxigênio oriunda da produção primária fotossintética, a
Lagoa Rodrigo de Freitas tenderá para hipoxia ou mesmo anoxia. Indicando que quaisquer
fatores que interfiram na produção fotossintética das algas podem resultar em desequilíbrios
na disponibilidade de OD do sistema. O estudo considera ainda, que para atingir condições
de equilíbrio mais estável em relação à oxigenação das águas, é necessária a redução do
aporte de matéria orgânica oxidável. Porém tal redução, provavelmente resultará em redução na disponibilidade de nutrientes, contribuindo para a redução da produção autóctone e
para uma situação de equilíbrio.
Para a realização das simulações foram considerados como parâmetros iniciais
os descritos na Tabela 6 e Figura 54. Os resultados de OD são apresentados na seqüência
da Figura 55 a Figura 61, e os resultados de DBO da Figura 62 a Figura 68, os resultados
referem-se ao período de 60 dias de simulação. Assim como ocorrido com os parâmetros
anteriormente abordados, exceto temperatura, os cenários de frente fria e vento usual apresentaram características muito próximas.
1
Mortandades em fevereiro de 2000, com 14 t, e em março de 2000, com 132 t.
91
Tabela 6: Valores iniciais dos principais parâmetros na modelagem de OD e DBO foram adotados conforme EIA/RIMA, 2002.
LAGOA
LIMITE DO MAR ABERTO*
PRAIAS
RIO*
OD (mg/L)
6
8
8
3
DBO (mg/L)
5
3
3
10
*Valores permanentes.
Figura 54: Identificação e localização das estações de OD e DBO assim como os valores
adotados nas saídas e rios considerados na modelagem.
92
Em relação a simulação de oxigênio dissolvido (OD) constatou-se que a influência das águas mais poluídas do rio somente se faz sentir no entorno da ilha do Piraquê e da
saída Rebouças. Nessa área o OD é da ordem de 3 mg/L no desemboque na Lagoa, passando para valores maiores ao sul da referida ilha. A concentração de OD nas praias do Leblon e de Ipanema é da ordem de 6 mg/L, devido à saída das águas da Lagoa. Esta influência é menor quanto mais se afasta da praia em sentido ao mar aberto, e quanto mais se afasta da boca do canal do Jardim de Alah (Figura 55 a Figura 68).
Nas simulações da demanda bioquímica de oxigênio (DBO), após 10 dias é claramente perceptível a influência do rio e da penetração da água do mar na Lagoa. O rio traz
uma concentração de DBO elevada (10 mg/L), tornando mais poluída a região do Piraquê,
dessa forma o canal a oeste desta ilha apresenta concentrações até a ordem de 9 mg/L, ao
sul e à leste da ilha as concentrações são em média 5 mg/L. Vale ressaltar que as estações,
Lagoa-NE e Lagoa-SE apresentaram comportamento opostos: a primeira estação apresentou valores crescente (oscilando com a maré) no decorrer dos 60 dias; a outra estação contudo apresentou valores decrescentes, também variando com a maré, para os valores de
DBO (Figura 36). Após 60 dias de simulação a diferença mais marcante, assim como o OD,
foi a grande influência das águas do rio, que chegam á ilha do Piraquê aumentando a concentração de DBO no entorno desta ilha. Essa situação se prolonga para o noroeste da Lagoa. De modo geral, a parte central apresentou valores de DBO em torno de 4 mg/L; e a
parte sul em torno de 3 mg/L. Também foi observado que em marés enchentes há entrada
de água marinha trazendo concentrações de DBO um pouco menores.
93
Figura 55: Distribuição espacial do OD em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
94
Figura 56: Distribuição espacial do OD em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
95
Figura 57: Distribuição espacial do OD em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
96
Figura 58: Distribuição espacial do OD em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
97
Figura 59: Distribuição espacial do OD em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
98
Figura 60: Distribuição espacial do OD em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
99
Figura 61: Distribuição espacial do OD em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogado s
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
100
Figura 62: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 1 hora após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
101
Figura 63: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 5 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
102
Figura 64: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 10 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
103
Figura 65: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 20 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF
ser sutil.
104
Figura 66: Distribuição espacial do DBO em maré vazante 30 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados
com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF ser
sutil.
105
Figura 67: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 45 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afogados com o mar; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na LRF
ser sutil.
106
Figura 68: Distribuição espacial do DBO em maré enchente 60 dias após abertura da ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas via dutos afog ados com o mar ; (a) cenário de frente fria e (b) cenário de vento usual. Resultados similares devido ao efeito do vento local na
LRF ser sutil.
107
7. CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
A Lagoa Rodrigo de Freitas é uma lagoa costeira essencialmente urbana, que apresenta um
complexo sistema Lagoa-Canal-Orla. Atualmente esse sistema lagunar manifesta elevado
estado trófico, sob a enorme influência de águas residuais. A grande variabilidade vertical e
diurna de oxigênio dissolvido é fortemente controlado pela produção primária, o que lhe confere um equilíbrio ecológico dinâmico muito frágil. A deficiência da ligação da Lagoa com o
mar pela freqüente obstrução do Canal do Jardim de Alah resulta em uma deficitária troca
de massas de água entre a Lagoa e o mar. Como conseqüência há redução na renovação
das águas que por sua vez repercute na degradação da qualidade da água que em alguns
momentos chega a ocasionar grandes mortandades de peixes.
A solução proposta no presente estudo para sanar o quadro ambiental descrito,
foi a construção de dutos afogados que seriam enterrados sob a areia e aflorariam em desemboque submerso após a isóbata de 10 m. Indo da Lagoa para o mar, o Canal do Jardim
de Alah seguiria no alinhamento atual aproximadamente até onde se encontra a atual comporta. Daquele ponto em diante, ao invés de seguir via canal dividindo as praias de Ipanema
e Leblon, o fluxo seria captado pelos dutos. A praia de Ipanema-Leblon deixaria ser dividida
e passaria a ser uma faixa contínua de areia. Foi realizada uma análise comparativa entre
dois cenários. Um levava em consideração direções e magnitudes de ventos de frente fria e
outro de ventos usuais. Esta análise revelou diferenças, em linhas gerais, muito pequenas
entre os dois cenários.
O nível médio da Lagoa Rodrigo de Freitas ficaria sempre correlacionado ao nível médio do mar. As oscilações de nível da lagoa ocorreriam seguindo as marés, contudo
com amplitudes atenuadas na ordem de 70%. Quanto aos níveis médios diários, verificou-se
uma atenuação da ordem de 10% e uma defasagem da ordem de 12 horas entre os NM diários na LRF e no mar. A circulação hidrodinâmica resultante da entrada da água do mar via
dutos afogados e o vento seria ainda fraca. Dessa forma, a prática de remo na Lagoa não
108
sofreria qualquer prejuízo. Contudo, no Canal Jardim de Alah as velocidades seriam mais
elevadas.
O tempo para renovação de 50% das águas seria de 3 a 12 dias, sendo mais rápido na região próxima do Canal do Jardim de Alah e mais lento na extremidade NE. O tempo de residência seria variável na área da Lagoa, estimando uma renovação de quase 90%
das águas em cerca de 30 dias. Levando em consideração efeitos tridimensionais, e o fato
da água do mar ser mais fria e salgada que as águas da Lagoa, a renovação real seria mais
rápida. Isso ocorreria, porque águas mais frias e salgadas nas marés enchentes iriam para o
fundo, e nas vazantes as águas que sairiam seriam águas misturadas, menos salgadas e
mais quentes da Lagoa. Portanto haveria trocas mais efetivas devido à circulação residual
por diferença de densidade que, pelo fundo ocorreria no sentido do interior da Lagoa e pelas
camadas mais superficiais no sentido do Canal do Jardim de Alah.
Em marés enchentes e vazantes, no decorrer dos 60 dias de simulação, a gradação da salinidade mostrou-se crescente em direção ao Canal Jardim de Alah e decrescente em direção à afluência dos rios Macacos e Cabeças junto da Ilha Piraquê e saída Rebouças. Pôde-se constatar que depois desse período a LRF sofreria uma grande modificação em relação a esse parâmetro. A gradação da salinidade apresentada seria tipicamente
de sistemas estuarinos, o qual favorece a diversidade biológica. Levando em consideração
os efeitos tridimensionais, a troca de água entre a Lagoa e o mar resultaria em uma estratificação salina que em nada se assemelha a estratificação estagnada do passado, mas sim
em uma situação bastante dinâmica. Dessa forma, as águas mais salinas e frias do mar fluiriam para a camada do fundo da LRF renovando o ambiente todos os dias com águas saturadas de oxigênio dissolvido.
Ao contrário dos parâmetros anteriormente abordados, para a temperatura foram
identificadas diferenças entre os cenários modelados de inverno (frente fria) e verão (vento
usual). Essa diferença deu-se principalmente pelas condições iniciais estabelecidas. A incidência das radiações solares é distinta nesses dois períodos motivo pelo qual observamos
109
maiores temperaturas nos resultados de verão. Após aproximadamente 10 dias de simulação, a variação de temperatura entra em equilíbrio, independente da temperatura inicial da
Lagoa. Os resultados mostram uma distribuição de temperatura muito semelhante para os
diferentes instantes de maré, com águas mais quentes a noroeste da Ilha Piraquê, por ser
uma região mais rasa, além de localizada ao fundo da Lagoa; e a região mais fria ao sul, por
receber maior influência das águas marinhas, apresentando um maior gradiente de temperatura. Esta região representa a única onde se verifica uma sensível diferença de temperatura
para cada instante de maré.
Em relação a simulação de oxigênio dissolvido (OD) constatou-se que a influência das águas com menores concentrações de OD do rio somente se faz sentir no em torno
da ilha do Piraquê e próximo a saída Rebouças. A concentração de OD nas praias do Leblon e de Ipanema é da ordem de 6 mg/L (2 mg/L abaixo da inicial), devido à saída das águas da Lagoa. Esta influência é menor quanto mais se afasta da praia em sentido ao mar
aberto, e quanto mais se afasta da boca do canal do Jardim de Alah. Após 60 dias de simulação observou-se que assim como ocorrido com o OD, houve grande influência das águas
do rio para a demanda bioquímica de oxigênio (DBO). As águas chegariam à ilha do Piraquê
aumentando a concentração de DBO no seu entorno. Essa situação se prolonga para o noroeste da Lagoa. Foi observado que em marés enchentes há entrada de água marinha trazendo concentrações de DBO um pouco menores.
Uma observação importante a ser feita é que está sendo realizada uma revisão
do sistema de esgotamento sanitário local, pelo projeto Lagoa Limpa, que está promovendo:
filmagem das galerias de águas pluviais (em andamento atualmente), limpeza da rede de
esgotamento sanitário (em andamento atualmente), obras de melhoria do sistema de esgoto
(em andamento atualmente) e a construção do Centro de Controle Operacional de Esgotos
– CCO. Com essas intervenções, a descarga fluvial na LRF apresentará valores de OD e
DBO distintos dos modelados, que seguiram os valores do EIA/RIMA 2002. Dessa forma
poderemos esperar valores mais altos de OD próximo a descarga fluvial assim como meno-
110
res valores DBO, na mesma área. O projeto Lagoa Limpa tem como objetivo contribuir para
a recuperação ambiental da Lagoa e a melhoria da qualidade de suas águas, implementando medidas estruturantes e buscando desenvolver soluções para reverter o processo de degradação.
Logo após a abertura dos dutos haverá alterações iniciais e transientes das variáveis ambientais e bióticas. Esses efeitos podem ser positivos ou negativos ao ambiente. A
seguir serão apresentados alguns desses efeitos:
O aumento da DBO para oxidação da biomassa morta, e a conseqüente disponibilização de nutrientes via decomposição estarão relacionados às alterações ambientais
que ocorrerão na Lagoa durante o período inicial de mudança dos padrões de salinidade e
circulação. As características biológicas das comunidades aquáticas que sofrerão estes impactos não possibilitam a execução de ações mitigadoras. Contudo esse aumento da DBO
será por um período pois após o consumo da matéria orgânica disponível em excesso, esse
parâmetro entraria em equilíbrio.
Valores de OD, abaixo da referência da legislação pertinente, nas regiões
próximo a desembocaduras de rios (Ilha Piraquê e saída Rebouças) somente atingirão os
valores estabelecidos pela legislação se os rios em questão forem tratados e que não cheguem poluídos à Lagoa (atividade em andamento, pelo projeto Lagoa Limpa). Caso isso não
ocorra a abertura via dutos afogados somente amenizarão os problemas relacionados ao
OD.
A disponibilização de metais pesados presentes no sedimento resultante da
alteração dos padrões de salinidade apresentará efeitos de importância ambiental, econômica e social. Uma vez que podem implicar em alterações nas comunidades aquáticas e bioacumulação de metais pesados nos peixes. Este último fato, se confirmado, é de extrema relevância, pois podem implicar em contaminação do pescado produzido na Lagoa. Contudo,
os processos que podem resultar na biodisponibilização de metais pesados do sedimento
para a biota aquática não podem ser evitados. Assim, faz-se necessário o monitoramento da
111
presença destes elementos nas águas e sedimentos e na ictiofauna quanto à possível contaminação.
A redução da biomassa fitoplanctônica resultante das alterações no padrão
de circulação do sistema lagunar e o tempo de residência da água, assim como, as alterações na estrutura da comunidade fitoplanctônica resultantes da mudança do padrão de salinidade podem vir a ser um impacto positivo. Contudo deve-se ficar atento a essas mudanças na estrutura da comunidade, pois podem resultar no aparecimento de espécies potencialmente nocivas ou tóxicas. Sendo assim, seria necessário o monitoramento da comunidade
fitoplanctônica.
O aumento da diversidade biológica e aumento da biomassa, resultante da alteração do padrão de salinidade é um impacto positivo que não precisa ser mitigado.
A mudança no ciclo de vida da comunidade de peixes existente, resultante da
alteração do padrão de salinidade, embora possa ter profundas implicações no ecossistema
do ambiente, não pode ser atenuado, uma vez que os processos envolvidos não são totalmente conhecidos e não podem ser controlados. Porém devido a sua importância deverá
ser realizado o monitoramento da ictiofauna.
O presente estudo apontou que a proposição de uma ligação permanente entre
a Lagoa Rodrigo de Freitas e o mar cumpre o objetivo de mitigar os problemas ambientais
relacionados ao oxigênio dissolvido na coluna d’água e de sanar de modo definitivo os seguintes problemas ambientais: má qualidade de água em função do excessivo estoque de
nutrientes na LRF que se acumulam pelo fato do sistema atual não exportar em taxas suficientes os nutrientes que recebe; o contínuo processo de assoreamento do Canal do Jardim
de Alah, que acarreta em altos custos de manutenção de sua capacidade de extravasamento e garantia da macrodrenagem da bacia da LRF; a perda das características estuarinas
em função da estagnação e uniformização das águas da Lagoa, acarretando em biodiversidade reduzida e má qualidade ambiental; e a LRF interligada permanentemente ao mar voltaria a apresentar padrões de graduação de salinidade típica de sistemas estuarinos o que
112
levaria a significativo aumento da diversidade biológica. Inicialmente poderá ser observado
conseqüências adversas no ambiente, contudo, em questão de meses haveria uma mudança radical na fauna e flora da LRF que apresentaria melhoria da qualidade da água, aumento da diversidade de peixes e redução dos riscos de mortandade e recuperação de espaços
aquáticos da Lagoa.
113
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, M. S., 1997, Evolução geológica da Lagoa de Carapebus - Macaé - RJ. Dissertação de M.Sc., PPG em geologia e Geofísica Marinha/UFF, Rio de Janeiro - RJ.
ALVES, D. T. D. M.; ARGENTO, M. S. F.; CRUZ, C. B. M. & ZEE, D., 1998, "Qualidade Ambiental da Lâmina D’água da Lagoa Rodrigo de Freitas - RJ Subsídios aos Estudos
de Impactos Ambientais em Lagoas Costeiras." In: Anais IX Simpósio Brasileiro de
Sensoriamento Remoto, pp. 79-88,
AMBIENTAL, 1999, Campanha Complementar do Projeto da Lagoa Rodrigo de Freitas e
Praias do Leblon, Ipanema e Arpoador – Solução Integrada de Reabilitação Ambiental - Relatório Final. In: Fundação Rio - Águas e Prefeitura do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro. pp.
AMBIENTAL, 2002, EIA/RIMA - Solução Integrada de Reabilitação Ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas, Canal do Jardim de Alah e Praias do Arpoador, Ipanema e Leblon.
In: Estudo de Impacto Ambiental (EIA) e o seu respectivo Relatório de Impacto Ambiental (RIMA). FEEMA, Rio de Janeiro. pp.
ANDRADE, H. A. S., 1973, Conclusões Químicas Sobre as Razões da Ocorrência de Mortandades Súbitas na Lagoa Rodrigo de Freitas com Base no Balanço de Materiais.
Tese de D.Sc., I.E.S / Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
ANDREATA, J. V.; MARCA, A. G.; SOARES, C. L. & SANTOS, R. S., 1997,"Distribuição
mensal dos peixes mais representativos da Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro, Brasil." Revista Brasileira de Zoologia, v. 14, n. 1, pp. 121 - 134.
BECKER, A.; LAURENSON, L. J. B. & BISHOP, K., 2009,"Artificial mouth opening fosters
anoxic conditions that kill small estuarine fish." Estuarine Coastal and Shelf
Science, v. 82, n., pp. 566-572.
BOGGS, S., JR., 1995, Principles os sedimentology and stratigraphy. 2nd. Prentice-Hall
Inc.
BRITO, F. S., 1971, Um caso peculiar em urbanização: Saneamento de lagoa salobra poluída em clima tropical - a Lagoa Rodrigo de Freitas. In: Relatório Técnico. Escritório
Saturnino de Brito, Rio de Janeiro. pp. 35
BRITO, I. M. & LEMOS, E. E., 1982,"Evolução geológica e fauna da Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro." Anais da Academia Brasileira de Ciências, v. 54, n. 1, pp.
143-164.
CUCCO, A. & UMGIESSER, G., 2006,"Modeling the Venice Lagoon residence time." Ecological Modelling, v. 193, n., pp. 34–51.
ESTEVES, F. A., 1988, Fundamentos de Limnologia. 2ª ed. Rio de Janeiro, Interciência/FINEP.
FEEMA, 1995, Lagoa Rodrigo de Freitas - Acções Propostas para a Melhoria da Bacia.
Rio de Janeiro,
114
FEEMA, 2002,"Qualidade da água da Lagoa Rodrigo de Freitas. Relatório de resultados obtidos através de campanhas de monitoramento e inspeções realizadas no período de
Fevereiro/2000 a Maio/2002." v., n., pp. 40.
GOLDMAN, C. R. & HORNE, A. J., 1983, Limnology. New York, Mc Graw-Hill Book Co.
GÓMEZ-GESTEIRA, M.; DE CASTRO, M. & PREGO, R., 2003,"Dependence of the water
residence time in Ria of Pontevedra (NW Spain) on the seawater inflow and the river
discharge." Estuarine, Coastal and Shelf Science, v. 58, n., pp. 567–573.
KJERFVE, B., 1986, "Comparative oceanography of coastal lagoons." In: W OLF, D. A. (Eds.).
Estuarine variability, Cap. Academy Press.
KJERFVE, B. & MAGILL, K. E., 1989,"Geographic and hydrodynamic characteristics of shallow coastal lagoons." Marine Geology, v. 88, n. 3-4, pp. 187-199.
LNEC, 2000, Lagoa Rodrigo de Freitas e Praias de Leblon, Ipanema e Arpoador: Solução
Integrada de Reabilitação Ambiental. In: Relatório 3 - Qualidade Ambiental. Lisboa.
pp.
LNEC, 2003, Lagoa Rodrigo de Freitas e Praias de Leblon, Ipanema e Arpoador: Solução
Integrada de Reabilitação Ambiental. In: Relatório Síntese. Lisboa. pp. 117
MACHADO, L. B., 2009, Evolução da degradação ambiental da bacia hidrográfica da Lagoa
Rodrigo de Freitas - RJ. Dissertação de M. Sc., PEAMB / UERJ, Rio de Janeiro.
MACHADO, M. C.; ANDREATA, J. V. & MARCA, A. G., 1998, "Impacto humano avaliado
pela hidrobiologia de uma lagoa costeira, Lagoa Rodrigo de Freitas, Rio de Janeiro."
In: Anais do VIII Seminário regional de ecologia, pp. 1423 - 1438, São Carlos,
MACIEL, G. L. R., 2007, Análise de Dados Hidrodinâmicos e Estratificação na Lagoa Rodrigo de Freitas, RJ: Relação Com a Concentração de Oxigênio Dissolvido. Dissertação
de M. Sc., COPPE / UFRJ, Rio de Janeiro.
MARGALEF, R., 1983, Limnologia. Barcelona, OMEGA.
MARQUES, D. D. O., 2009, Investigações sobre a estratificação na Lagoa Rodrigo de Freitas – RJ e seus efeitos no comportamento do oxigênio dissolvido. Dissertação de M.
Sc., COPPE / UFRJ, Rio de Janeiro.
MARTINS, R. P. & ROSMAN, P. C. C., 1999, "Modelo 3D para corpos de água com densidade variável via diferenças finitas." In: (Eds.). Métodos Numéricos em Recursos Hídricos 4, Cap. 3, Rio de Janeiro, Associação Brasileira de Recursos Hídricos.
OLIVEIRA, A. & FORTUNATO, A., 2000, Lagoa Rodrigo de Freitas e Praias de Leblon, Ipanema e Arpoador: Solução Integrada de Reabilitação Ambiental. In: Relatório 3: Caracterização da Situação Actual. Lisboa. pp.
OLIVEIRA, L.; NASCIMENTO, R.; KRAU, L. & MIRANDA, A., 1957,"Lagoa Rodrigo de Freitas - Observações Hidrobiológicas e Mortandade de peixes na Lagoa Rodrigo de
Freitas." Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, v. 55, n., pp.
PINTO, A. C. B., 2007, Modelo Unidimensional para Simulação de Cheias em Rios e Áreas
Urbanas. Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.
115
RANGEL, C. M. A., 2002, Sedimentologia e Geomorfologia da LRF - RJ. Monografia de
Graduação, Departamento de Geografia / UERJ, São Gonçalo.
ROSMAN, P. C. C., 1997, "Subsídios para Modelagem de Sistemas Estuarinos." In: S ILVA,
R. C. V. D. (Eds.). Métodos Numéricos em Recursos Hídricos, Cap. Editora ABRH
ROSMAN, P. C. C., 2009, Estudos de hidrodinâmica ambiental para ligação da Lagoa Rodrigo de Freitas ao mar via dutos afogados, RJ. In: Relatório final. Fundação Coppetec, Rio de Janeiro. 11/2009, pp. 70. (Projeto PENO11113)
ROSMAN, P. C. C., 2010,"Referência Técnica do SisBaHiA." v., n., pp. 209.
ROSMAN, P. C. C.; NEVES, C. F. & MELO, E., 1992, Solução Conjunta dos Problemas de
Erosão na Praia de Ipanema-Leblon e Qualidade de Água na Lagoa Rodrigo de Freitas. In: Relatório Final. COPPETEC, Rio de Janeiro-RJ, Brasil. pp.
SANTANGELO, J. M., 2005, Influência da salinidade sobre a comunidade zooplanctônica de
uma lagoa costeira. Dissertação de M.Sc., PPGE / UFRJ, Rio de Janeiro.
SILVA, A. C. D. Rodrigo de Freitas - Preservação Ambiental de um Cartão Postal. Disponível em: http://www.biologo.com.br/oceano/oceano3.htm. Acesso em: 28 out. 2010,
17:40.
SIMAS, J. G., 2007, Estudo da dinâmica de gases dissolvidos em microcamada de uma lagoa hipertrófica urbana. Monografia de Bacharelado, Departamento de Oceanografia
/ UERJ, Rio de Janeiro.
SMITH, N. P., 1994, "Coastal Lagoon Processes." In: KJERFVE, B. (Eds.). Water, salt, and
heat balances of coastal lagoons, Cap. Elsevier, Elsevier Oceanography Series.
TALKE, S. A.; SWART, H. E. & DE JONGE, V. N., 2009,"An idealized model and systematic
process study of oxygen depletion in highly turbid estuaries." Estuaries and Coasts,
v. 32, n., pp. 602-620.
THOMANN, R. & MUELLER, J. A., 1987,"Principles of surface water quality modeling and
control." Harper Collins Publishers, v., n., pp.
TORRES, J. M., 1990, Lagoa Rodrigo de Freitas. In: Prefeitura da cidade do Rio de Janeiro,
Rio de Janeiro. pp.
VENICE SYSTEM, 1959,"Final resolution of the Symposium on the classification of Brackish
Waters." Archives of Oceanography Limnology, v. 11, n., pp. 243-248.
VON SPERLING, M., 1996,"Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos."
DESA-UFMG, v., n., pp.
116