Integration of numerical models in geographic databases: the case of Sado estuary management

Geographic information systems (GIS) are now widely applied in coastal resource management. Their ability to organise and interface information from a large range of public and private data sources, and their ability to combine this information, using management criteria, to develop a comprehensive picture of the system explains the success of GIS in this area. The use of numerical models as a tool to improve coastal management is also widespread. Less usual is a GIS-based management to ol implementing a comprehensive management model and integrating a numerical modelling system into itself. In this paper such a methodology is proposed. A GIS-based management tool based on the DPSIR model is presented. An overview of the MOHID numerical modelling system is given and the method of integrating this model in the management tool is described. This system is applied to the Sado Estuary (Portugal). Some preliminary results of the integration are presented, demonstrating the capabilities of the management system.

A importância dos processos físicos no controlo da eutrofização em estuários

Muitos dos problemas tróficos existentes nos estuários e zonas costeiras têm origem no excesso de nutrientes, em particular Azoto (N) e Fósforo (P), resultante do sucessivo enriquecimento dos rios durante o seu percurso até ao mar e também de descargas directas nestes sistemas. Nixon (1995) definiu eutrofização como o aumento da quantidade de matéria orgânica disponível na massa de água. Esta é uma definição assumida neste estudo, considerando que a eutrofização é o primeiro, de uma sequência de fenómenos resultantes do sobre-enriquecimento de nutrientes, que inclui a alteração de espécies dominantes e o aumento dos níveis de turbidez da água.

Metodologia de gestão dinâmica do estuário do Sado

O estuário do Sado é um sistema litoral onde existem conflitos de gestão ambiental, uma vez que por um lado, localiza-se junto da zona industrial da Península de Setúbal e por outro lado, uma grande parte da sua área está classificada como Reserva Natural. Sendo uma área de especial sensibilidade, torna-se necessário implementar modelos de gestão, que passam pela elaboração de metodologias que avaliem o estado de qualidade da zona costeira. O objectivo deste trabalho é apresentar uma metodologia conceptual de gestão do estuário do Sado, ligado a um modelo dinâmico e ecológico suportado por uma infraestrutura de informação do tipo DPSIR e com base num sistema SIG (Sistema de Informação Geográfica). Desta forma pretende-se integrar a avaliação da qualidade do ecossistema, com base em indicadores da qualidade ambiental previamente seleccionados, com informação socio-económica. Nesta metodologia as propostas de intervenção e a avaliação do seu impacte no estuário são baseadas nos dados ambientais recolhidos e nas previsões dos efeitos dessas acções. Pretende-se que a modelação dinâmica e ecológica do sistema desempenhe um papel fundamental tanto na caracterização do estuário como nas propostas de intervenção. A simulação permite a caracterização do sistema, a comparação de cenários alternativos e a quantificação do impacte de acções de intervenção. Os dados de campo e os resultados da modelação são integrados numa plataforma comum que facilite o relacionamento e o cruzamento de toda a informação. Esta metodologia permitirá assim a elaboração de uma interface de suporte à gestão/decisão do Estuário do Sado para entidades com poder de decisão sobre este ecossistema.

Advanced monitoring of South Portugal water bodies towards WFD

The challenge on implementation of the EU Water Framework Directive (WFD) fosters the development of new monitoring methods and approaches. It is now commonly accepted that the use of classical monitoring campaigns in discrete point is not sufficient to fully assess and describe a water body. Due to this the WFD promote the use of modelling techniques in surface waters to assist all phases of the process, from characterisation and establishment of reference conditions to identification of pressures and assessment of impact. The work presented in this communication is based on these principles. A classical monitoring of the water status of the main transitional water bodies of Algarve (south of Portugal) is combined with advanced in situ water profiling and hydrodynamic, water quality and ecological modelling of the systems to build a complete description of its state. This approach extends spatially and temporally the resolution of the classical point sampling. The methodology was applied during a 12 month program in Ria Formosa coastal lagoon, the Guadiana estuary and the Arade estuary. The synoptic profiling uses an YSI 6600 EDS multi-parameter system attached to a boat and a GPS receiver to produce monthly synoptic maps of the systems. This data extends the discrete point sampling with laboratory analysis performed monthly in several points of each water body. The point sampling is used to calibrate the profiling system and to include variables, such as nutrients, not measured by the sensors. A total of 1427 samplings were performed for physical and chemical parameters, chlorophyll and microbiologic contamination in the water column. This data is used to drive the hydrodynamic, transport and ecological modules of the MOHID water modelling system (www.mohid.com), enabling an integrate description of the water column.

Modelação ecológica no estuário do Sado

Os modelos matemáticos são ferramentas poderosas para avaliar o impacto humano em sistemas costeiros e estuarinos de estrutura complexa. Neste artigo utiliza-se um sistema de modelos matemáticos para simular o comportamento hidrodinâmico e biológico do estuário do Sado. Estudos experimentais de análise da evolução da biomassa de fitoplâncton durante os últimos 10 anos indicam que o ecossistema se encontra numa situação relarivamente estável, exibindo pouca tendência para a eutrofização (Cabeçadas, 1993). Neste Artigo procura-se caracterizar o estado trófico do sistema, confirmar as conclusões obtidas experimentalmente e interpretar os processos que ocorrem na região do estuário.

Calibração de um sistema de modelação para o estuário do Guadiana

Com a entrada em funcionamento da barragem do Alqueva o regime de caudais no rio Guadiana irá ser alterado. Actualmente a albufeira do Alqueva encontra-se em fase de enchimento sendo garantido um caudal mínimo de 5 a 10m3/s que passa para o estuário. Neste cenário torna-se importante conhecer o comportamento das principais variáveis físicas que caracterizam o estuário do Guadiana, nomeadamente níveis, correntes salinidade e transito de sedimentos. Neste artigo utiliza-se o sistema de modelação MOHID, efectuando-se a calibração do modelo para as medidas de campo disponíveis. Esta tarefa insere-se num trabalho de modelação mais amplo de caracterização do Guadiana do ponto de vista hidrodinâmico e de transporte de propriedades.

Modelação lagrangeana dos processos de transporte na Ria Formosa

Apresenta-se um modelo de advecção-difusão do tipo Lagrangeano para a simulação da dispersão de massas de água provenientes de fontes pontuais e descreve-se o modelo hidrodinâmico usado na simulação do escoamento. Estes modelos são utilizados para a caracterização hidrodinâmica da Ria Formosa do ponto de vista da qualidade da água. Tentam-se encontrar razões para os problemas associados aos viveiros de bivalves, sugerindo-se formas de melhorar a qualidade da água.

Modelação da qualidade microbiológica da água na Ria Formosa

Este estudo integra-se numa avaliação hidrodinâmica e monitorização microbiológica da qualidade da água da Ria Formosa. A monitorização foi implementada pela DRAOT Algarve com a colaboração da EST, da FCMA e do IST. A metodologia utilizada consiste na aplicação de um modelo matemático para simulação das variáveis hidrodinâmicas e da qualidade da água. Utilizam-se como traçadores os coliformes fecais (CF), considerados indicadores de contaminação fecal pelo Dec-Lei 236/98 de 1 de Agosto, relativo à qualidade de águas do litoral e salobras para fins aquícolas- águas conquícolas. As águas da ria são usadas para cultura de diversas espécies conquícolas de bivalves. Estes são organismos que filtram e retêm no seu interior material particulado existente em suspensão na água tais como os CF entre outros microorganismos presentes na água. Para avaliar a concentração de coliformes nos bivalves e gastrópodes foi desenvolvido um modelo que simula a bioacumulação desta propriedade por parte do bivalve. Da sua aplicação permite classificar a Ria em várias classes conforme o estabelecido no Dec. Lei nº 293/98 de 18 de Setembro.

A three-dimensional hydrodynamic model with generic vertical coordinate

A three-dimensional primitive equation model and its application to a tidal estuary is described. The model solves the primitive equations for incompressible fluids with Boussinesq and hydrostatic approximations. The discretization is based on the finite volume method and allows a general vertical coordinate. The computational code is implemented in such a way that different vertical coordinates can be used in different parts of the domain. The model was designed to be able to simulate the flow both in the open ocean and in coastal and estuarine zones and can be coupled in a simple way to ecological models. The model was implemented successfully in several estuarine and coastal areas. Results are show for the Sado estuary in Portugal to illustrate model accuracy and potential. Quantitative validation is based on field data (water levels and velocities) while qualitative verification is based on the analysis of secondary flows.

A methodology to estimate the residence time of estuaries

The residence time has long been used as a classification parameter for estuaries and other semi- enclosed water bodies. It aims to quantify the time water remains inside the estuary, being used as an indicator both for pollution assessment and for ecological processes. Estuaries with a short residence time will export nutrients from upstream sources more rapidly then estuaries with longer residence time. On the other hand the residence time determines if micro-algae can stay long enough to generate a bloom. As a consequence, estuaries with very short residence time are expected to have much lower algae blooms, then estuaries with longer residence time. In addition, estuaries with residence times shorter than the doubling time of algae cells will inhibit formation of algae blooms (EPA, 2001). The residence time is also an important issue for processes taking place in the sediment. The fluxes of particulate matter and associated adsorbed species from the water column to the sediment depends of the particle’s vertical velocity, water depth and residence time. This is particularly important for the fine fractions with lower sinking velocities. The question is how to compute the residence time and how does it depend on the computation method adopted.

Spatial and temporal assessment of sediment contamination in Sado estuary: a methodological approach

For better management of estuarine ecosystems their contamination assessment should be easily communicated to local managers and decision makers. The problem is the lack of available data and the search of methodologies to enable that assessment using only few data. The Sado estuary in Portugal is as good example of a site where human pressures and ecological values collide with each other and where the degree of metal and organic contamination has not been subject to an overall assessment, either in terms of spatial or temporal variability, in a way that managers can understand.

Modelação hidrodinâmica de escoamentos costeiros

As zonas costeiras, os estuários e os sistemas lagunares são regiões de elevada importância do ponto de vista económico devido à intensa actividade nelas desenvolvida. Encontram-se por esse motivo sujeitas a fortes pressões do tipo ambiental. A correcta gestão dos seus recursos deve ser apoiada em ferramentas que possibilitem uma análise precisa dos fenómenos que nelas ocorrem e permitam a previsão da evolução desses sistemas. A recente evolução na capacidade de cálculo dos computadores de pequeno porte tornou viável a utilização de modelos hidrodinâmicos como ferramentas de apoio à decisão.

Simulating water mixing in a barotropic estuary: the effect of vertical discretization

Mixing between estuarine and coastal waters is strongly dependent on the processes that occur in the vertical direction. This applies both for stratified and homogeneous estuaries. In homogeneous estuaries important recirculation flows in the vertical plane can arise, in regions with strong batimetry gradients, produced by the combined action of inertia and friction. On the Platform close to the inlet this structures can trap estuarine water during the ebb period, releasing it to the interior again during the flood.

Hydrodynamic model intercomparison for the patos lagoon (Brazil)

An intercomparison study is carried out between two models with different formulations and spatial discretizations in order to overcome the limitations posed by the standard calibration and validation procedures and improve confidence in the hydrodynamic results for the Patos Lagoon. Numerical simulations were carried out applying the TELEMAC and MOHID models, based on the same boundary conditions and identical calibration coefficients so differences in calculated flow conditions result from the formulations and parameterizations of each model. Results from both models are compared with measurements from three stations inside the lagoon. Preliminary results indicate that both models compare well with the measurements and with each other. These results increase the confidence on hydrodynamic results for the Patos Lagoon and provide the first step towards water quality studies for the area.

Hydrological modelling of Maranhão and Pracana Basins, a first approach

Modelling the hydrology of hydrographic basins has shown itself as a useful tool in environment management. The hydrological models can be used for multiple purposes: estimate runoff from sequences of rainfall, access stream water quality, quantify the diffuse pollution that reaches water masses such as estuaries, rivers and lakes, etc. This study has as final objective to simulate and analyse the flow, sediment transport and water quality as a function of landuse and soil type in the basins of Maranhão and Pracana. The modelling system used is SWAT, Soil Water Assessment Tool. In this first phase of the study the hydrodynamic calibration of the model was performed using measurements of average daily flows in five stations. The model compares well with the measurements; the annual average flows are similar and the majority of the measured flow peaks coincide with the model peaks.