Hydrodynamics and exchange of materials in the São Francisco river estuary (AL/SE): effects of morphology and dams

As trocas entre o estuário e a região costeira são fundamentais aos ciclos biogeoquímicos globais e ao balanço de material no sistema continente/oceano. O transporte de escalares nesses sistemas depende da circulação estuarina, cujas principais forçantes são a descarga fluvial, as marés e a morfologia do canal. Alterações nessas forçantes modificam os padrões de circulação e estratificação no estuário, alterando também as trocas estuário/plataforma. O rio São Francisco (RSF) é um importante curso dágua no Brasil, uma vez que atravessa seis estados, abastecendo inclusive regiões de clima semi-árido do nordeste brasileiro. Sua descarga fluvial natural foi alterada pela instalação de uma série de barragens para a produção de energia elétrica, com redução dos picos e da média de vazão. Este trabalho tem por objetivo caracterizar a circulação atual do estuário do RSF, incluindo a influência da morfologia sobre a dinâmica do sistema, além de avaliar a influência da alteração da descarga fluvial sobre a hidrodinâmica, a distribuição de sal e as trocas estuário/plataforma. Para tanto, foram utilizados dados coletados in situ, combinados com a aplicação de um modelo numérico tridimensional validado para a área de estudo. A partir do monitoramento de duas seções transversais ao estuário durante um ciclo de maré semi-diurna, foram avaliados os efeitos da morfologia do canal sobre a circulação estuarina. Os resultados mostraram que além do gradiente de pressão barotrópica e da fricção de fundo, o gradiente de pressão baroclínica e o efeito da curvatura são dinamicamente importantes para o balanço de momento longitudinal. Lateralmente, a média vertical das correntes foi invertida entre as duas seções, coincidindo com o sentido da aceleração centrífuga em cada seção. O modelo numérico foi utilizado para simular a hidrodinâmica, a distribuição de salinidade e os processos de troca em diferentes condições de vazão, simulando cenários anteriores e posteriores à instalação das barragens. Os cenários simulados foram de descarga de Qmin, Q10, Q80 e Qmax (correspondentes a 600, 5.000, 1.200 e 12.000 m3.s-1, respectivamente), determinados a partir da observação da série histórica de vazão do rio. A implantação das barragens no RSF modificou os padrões de circulação e estratificação no estuário, alterando também os processos de troca entre esse sistema e a plataforma adjacente. Os picos de descarga que ocorriam no período pré-barragem expulsavam toda a água salgadado sistema, reduzindo drasticamente o tempo de residência do material no estuário. A redução da vazão média permitiu o aumento do tempo de residência e da importação de material da plataforma. O alcance da intrusão salina atualmente é maior que no período pré-barragem, chegando a mais de 17 km, o que causa transtornos relacionados à captação de água para consumo. Neste trabalho foi estabelecida uma equação exponencial entre a descarga fluvial e o alcance da intrusão salina, ferramenta que pode ser empregada na gestão do recurso hídrico na região. Nas simulações de menor descarga, representativas das condições atuais, houve importação de sal na quadratura impulsionada pelo crescimento do termo de circulação gravitacional, enquanto o cenário pré-barragem resultou apenas em exportação.The exchanges between the estuary and the coastal region are fundamental to the global biogeochemical cycles and to material balance in the continent/ocean system. The transport of scalars in these systems depends on estuarine circulation, whose main forces are fluvial discharge, tides and channel morphology. Changes in these forcings modify the circulation and stratification patterns in the estuary, also changing the estuary/platform exchanges. The São Francisco River (SFR) is an important watercourse in Brazil, as it crosses six states, supplying even semi-arid regions of northeastern Brazil. Its natural fluvial discharge was altered by the installation of a series of dams for the production of electrical energy, with reduction of the peaks and the average flow. This work aims to characterize the current circulation of the RSF estuary, including the influence of morphology on the dynamics of the system, in addition to evaluating the influence of the alteration of the river discharge on the hydrodynamics, the salt distribution and the estuary/platform exchanges. For this, data collected in situ were used, in addition to a validated three-dimensional numerical model for the study area. From the monitoring of two cross-sections of the estuary during a semi-diurnal tidal cycle, the effects of the channel\'s morphology on the estuarine circulation were evaluated. The results showed that in addition to the barotropic pressure gradient and the bottom friction, the baroclinic pressure gradient and the curvature effect are dynamically important for the longitudinal momentum balance. Laterally, the depth-averagedvelocity was inverted between the two sections, coinciding with the direction of the centrifugal acceleration in each section. The numerical model was used to simulate hydrodynamics, salinity distribution and exchange processes under different river discharge conditions, simulating scenarios before and after the installation of the dams. The simulated scenarios river discharges were Qmin, Q10, Q80 e Qmax (corresponding to 600, 5000, 1200, and 12000 m3.s-1, respectively), determined from the observation of the historical series of river discharge. The implantation of the dams in the RSF changed the circulation and stratification patterns in the estuary, also changing the exchange processes between this system and the adjacent platform. The discharge peaks that occurred in the pre-dam period expelled all the salt from the system, drastically reducing the residence time of the material in the estuary. The reduction in the mean river discharge allowed an increase in the residence time and the import of material from the platform. The range of saltwater intrusion is currently greater than in the pre-dam period, reaching more than 17 km, which causes disorders related to the catchment of drinking water. In this work, an exponential equation was established between river discharge and the range of saltwater intrusion, a tool that can be used in the management of water resources in the region. In the lower discharge simulations, representative of the current conditions, salt was imported during neap tide driven by the growth of the gravitational circulation term, while the pre-dam scenario resulted only in salt export