Combining sampling, profiling, remote sensing and modelling to efficiently monitoring estuarine and coastal water quality

Monitoring of coastal and estuarine water quality has been traditionally performed by sampling with subsequent laboratory analysis. This has the disadvantages of low spatial and temporal resolution and high cost. In the last decades two alternative techniques have emerged to overcome this drawback: profiling and remote sensing. Profiling using multi-parameter sensors is now in a commercial stage. It can be used, tied to a boat, to obtain a quick “picture” of the system. The spatial resolution thus increases from single points to a line coincident with the boat track. The temporal resolution however remains unchanged since campaigns and resources involved are basically the same. The need for laboratory analysis was reduced but not eliminated because parameters like nutrients, microbiology or metals are still difficult to obtain with sensors and validation measurements are still needed. In the last years the improvement in satellite resolution has enabled its use for coastal and estuarine water monitoring. Although spatial coverage and resolution of satellite images in the present is already suitable to coastal and estuarine monitoring, temporal resolution is naturally limited to satellite passages and cloud cover. With this panorama the best approach to water monitoring is to integrate and combine data from all these sources. The natural tools to perform this integration are numerical models. Models benefit from the different sources of data to obtain a better calibration. After calibration they can be used to extend spatially and temporally the methods resolution. In Algarve (South of Portugal) a monitoring effort using this approach is being undertaken. The monitoring effort comprises five different locations including coastal waters, estuaries and coastal lagoons. The objective is to establish the base line situation to evaluate the impact of Waste Water Treatment Plants design and retrofitting. The field campaigns include monthly synoptic profiling, using an YSI 6600 multi-parameter system, laboratory analysis and fixed stations. The remote sensing uses ENVISAT\MERIS Level 2 Full Resolution data. This data is combined and used with the MOHID modelling system to obtain an integrate description of the systems. The results show the limitations of each method and the ability of the modelling system to integrate the results and to produce a comprehensive picture of the system.

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.

Coupling anchovy eggs and hydrodynamic model as an assessement tool for estuarine ecohydrological management

Nitrate and urban waste water directives have raised the need for a better understanding of coastal systems in European Union. The incorrect application of these directives can lead to important ecological or social penalties. In the paper this problem is addressed to Ria Formosa Coastal Lagoon. Ria Formosa hosts a Natural Park, important ports of the southern Portuguese coast and significant bivalve aquaculture activity. Four major urban waste water treatment plants discharging in the lagoon are considered in this study. Its treatment level must be selected, based on detailed information from a monitoring program and on a good knowledge of the processes determining the fate of the material discharged in the lagoon. In this paper the results of a monitoring program and simulations using a coupled hydrodynamic and water quality / ecological model, MOHID, are used to characterise the system and to understand the processes in Ria Formosa. It is shown that the water residence time in most of the lagoon is quite low, of the order of days, but it can be larger in the upper parts of the channels where land generated water is discharged. The main supply of nutrients to the lagoon comes from the open sea rather than from the urban discharges. For this reason the characteristics and behaviour of the general lagoon contrasts with the behaviour of the upper reaches of the channels where the influence of the waste water treatment plants are high. In this system the bottom mineralization was found to be an important mechanism, and the inclusion of that process in the model was essential to obtain good results.

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.

Intervenção da Escola Superior de Tecnologia na reabilitação estrutural do Teatro Lethes

O presente artigo descreve duma forma sumária a cooperação estabelecida entre a Universidade do Algarve (UAlg), através da Escola Superior de Tecnologia (EST), com a Delegação Regional do Algarve do Ministério da Cultura, no processo de reabilitação do Teatro Lethes, em Faro (Figura 1), levada a cabo pela empresa S.T.A.P. – Reparação, consolidação e modificação de estruturas, S.A.

An integrated framework for combining gist vision with object segregation categorisation and recognition

There are roughly two processing systems: (1) very fast gist vision of entire scenes, completely bottom-up and data driven, and (2) Focus-of-Attention (FoA) with sequential screening of specific image regions and objects. The latter system has to be sequential because unnormalised input objects must be matched against normalised templates of canonical object views stored in memory, which involves dynamic routing of features in the visual pathways.

Optimal dynamic control of laminated adaptive structures using a higher order model and a genetic algorithm

This paper deals with a finite element formulation based on the classical laminated plate theory, for active control of thin plate laminated structures with integrated piezoelectric layers, acting as sensors and actuators. The control is initialized through a previous optimization of the core of the laminated structure, in order to minimize the vibration amplitude. Also the optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuator efficiency. The genetic algorithm is used for these purposes. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of freedom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, which can be surface bonded or embedded on the laminate. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. To calculate the dynamic response of the laminated structures the Newmark method is considered. The model is applied in the solution of an illustrative case and the results are presented and discussed.

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.

Modelação hidrológica da bacia drenante da albufeira de Pracana

O uso inadequado do solo assim como práticas agrícolas incorrectas podem ter como consequência a contaminação dos recursos hídricos por poluição de origem difusa.Na perspectiva de identificar possíveis fontes de poluição, o objectivo deste trabalho é quantificar as cargas de nutrientes de origem natural, urbana e agrícola que chegam à albufeira de Pracana. Pretende-se efectuar a análise das alterações de carga resultantes de diferentes cenários do uso do solo, recorrendo à modelação matemática. Este conhecimento vai contribuir para a compreensão dos processos que dão origem à poluição existente na albufeira e os factores que condicionam o seu estado trófico.A ferramenta utilizada para a realização do estudo foi o modelo SWAT (Soil Water Assessment Tool, USDA Agricultural Research Service).