Orientador : Eduardo Marone / Co-orientadores : Rodolfo Jose Angulo, Bastiaan Adriaan Knoppers / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná / Resumo: A dinâmica hídrica e do material particulado em suspensão (MPS) e suas principais funções motrizes (maré e aporte de água doce) foram analisadas nas baias de Antonina e Paranaguá. Utilizaram-se dados de 8 monitoramentos efetuados numa seção transversal durante ciclos semi-diumos de maré e de 2 0 perfis longitudinais de medição ao longo das baias de Antonina e Paranaguá, realizados em diferentes estágios do ciclo maré (estofa, enchente, vazante). Estas medições incluem ciclos de sizígia e quadratura, em condições de reduzido (inverno) e elevado aporte de água doce (verão). Paralelamente, quantificaram-se o aporte de água doce e a carga MPS dos principais rios da bacia de drenagem deste sistema estuarino. Os aportes médios de água doce e MPS provenientes da drenagem continental foram cerca de 4 vezes superiores durante o verão, em função do maior excedente hídrico (?3,5 vezes) e potencial de erosividade pela chuva (? 8 vezes) observados neste período em relação ao inverno. A maior parte da carga de MPS (50-80%) foi introduzida no sistema em curtos períodos de tempo (5-11%). A variação sazonal do aporte de água doce exerceu forte controle na salinidade media, no posicionamento do limite de intrusão de sal e na magnitude de estratificação vertical de salinidade ao longo das baias de Antonina e Paranaguá. Entretanto, o gradiente horizontal médio de salinidade foi próximo nos dois períodos (inverno e verão), sofrendo uma intensificação na baia de Antonina, sujeita a uma maior influencia da descarga continental. As correntes, a estratificação de salinidade e as concentrações de MPS apresentaram uma marcada variação entre os ciclos de sizígias e de quadraturas. O grau de mistura ou estratificação vertical foi primariamente governado pela intensidade das correntes de maré e, secundariamente pelo aporte de água doce. A Baia de Paranaguá (numa seção em frente a cidade de Paranaguá) foi classificada como um estuário parcialmente misturado, do tipo 2 do diagrama Estratificação-Circulação, proposto por Hansen & Rattray (1966). O aumento da estratificação vertical de salinidade concomitante a redução da velocidade media das correntes intensificou a circulação gravitacional, diminuindo a fração de sal transportada por difusão. Em condições extremas de alta estratificação do sistema, observadas particularmente nas quadraturas, o transporte de sal estuário acima ocorreu quase exclusivamente por advecção. Nos ciclos com reduzido aporte de água doce e com fortes correntes, predominaram os processos difusivos e a circulação residual orientou-se preponderantemente estuário acima ou abaixo. O efeito combinado das assimetrias nas velocidades medias de correntes e na duração entre os estágios de enchente e vazante explicou a magnitude e o sentido da circulação residual e do transporte de volume resultante do sistema. A dinâmica do MPS relacionou-se intrinsecamente aos processos cíclicos de erosão, ressuspensão e sedimentação condicionados pelas das correntes de maré. A intensidade e estrutura vertical das correntes (gradiente de velocidade) exerceram influencia no montante ressuspendido e, o grau de turbulência, na dispersão do MPS ao longo da coluna d'água. A ressuspensão foi mais pronunciada nas sizígias, sob fortes correntes, enquanto nas quadraturas houve o predomínio da advecção. Identificaram-se defasagens entre as máximas velocidades de corrente e as concentrações de MPS, sendo esta histerese mais pronunciada nas vazantes de sizígia. A zona de máxima turbidez (ZMT) situou-se entre os quilômetros 30 e 40 a montante da desembocadura da Baia de Paranaguá nas enchentes e estofas da alta e, entre os quilômetros 16 e 36 nas vazantes e estofas da baixa, particularmente nas regiões de afunilamento do canal estuarino, onde ocorre uma intensificação das correntes. Encontrou-se uma segunda região de altas concentrações de MPS na interface entre a água doce e a salgada, que pode estar associada ao processo de circulação gravitacional vertical. Embora a turbidez tenha sido elevada nesta região, as concentrações de MPS não se sobressaíram em relação aos outros locais da baia sujeitos a forte ressuspensão. / Abstract: The water and suspended particulate matter (SPM) dynamics and its main forcing functions (tides and freshwater discharge) were analysed in the bays of Antonina and Paranagua. A data set comprised measurements over 8 semi-diurnal tidal cycles made in one cross section and of 2 0 longitudinal profiles along the bays of Antonina and Paranagua, monitored in the different tidal stages (ebb, flood and slack). These meaairements included spring and neap cycles, in conditions of low (winter) and high (summer) freshwater discharges. The freshwater discharge and SPM load from the drainage basin were quantified at the same time. Means of river discharge and SPM load from the estuarine watershed were about 4 times bigger during summer than winter, in function of higher hydric excess (about 3,5 times) and larger rainfall erodibility (about 8 times) in the first period. The major part of SPM load (50-80%) was introduced into the system in short periods of time (5-11%). The seasonal variation of freshwater discharge controlled strongly: the mean salinity, the position of maximum salt intrusion, and the range of vertical salinity stratification along the bays of Antonina and Paranagua. However, the mean horizontal gradient of salinity was close in the both periods (summer and winter), showing an intensification into the Bay of Antonina that undergoes a higher influence of the continental discharge. Currents, salinity and concentrations of SPM showed a pronounced spring-neap variability. The intensity of vertical mixing or stratification was firstly determined by tidal currents and, secondarily by freshwater input. The Bay of Paranagua, for one cross section in front of the city of Paranagua, was classified as a partly mixed estuary, of type 2 of the Hansen & Rattray's (1966) classification. The increasing of vertical stratification together with the reduction of mean current velocity intensified the gravitational circulation, decreasing the salt fraction transported by diffusion. During extreme conditions of high stratification, observed especially in neap cycles, the upstream salt transport was almost exclusively by advection. In the cycles with low freshwater input and strong currents, preponderated the diffusive processes; the residual circulation was oriented basically landward or seaward. The joined effect of the asymmetries on the mean velocity and on the duration between ebb and flood explained the magnitude and direction of residual current and resultant water transport of the system. The SPM dynamics was intrinsically related to cyclical processes of erosion, resuspension and sedimentation, driven by tidal currents. The intensity and vertical structure of currents (velocity gradient) showed influence on the quantity of eroded matter. The amount of turbulence affected the vertical SPM dispersion. The resuspension was more conspicuous in spring tides, with strong currents, while in neap tides, advection preponderated. Lags between the maximum currents and SPM concentrations were observed, with more pronounced hysteresis during spring ebb-periods. Turbidity maximum zone situated between the kilometres 30 and 40 upstream the mouth of Bay of Paranagua, during floods and slack of high water, and between kilometres 16 and 36, during ebbs and slack of low water, mainly in regions of channel narrowing, where currents are intensified. One second region of high SPM concentrations was found in salt and fresh water interface, that may be related to vertical gravitational circulation. Although the turbidity has been higher in this region, the SPM concentrations were not bigger than other places of the bay that were subjected to strong resuspension.

Orientador: Eduardo Marone / Co-orientadores: Rodolfo José Angulo, Evlyn M. L.M. Novo / Acompanha CD-ROM / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná / Resumo: A análise morfodinâmica do sistema costeiro aborda os processos causadores e transformadores de feições morfológicas, bem como as forças geradoras desses processos e seus mecanismos de interação. A grande variabilidade espacial e temporal dos processos costeiros e estuarinos é um desafio para o entendimento geral tanto da freqüência quanto da magnitude desses processos, bem como de seu grau de influência no transporte e balanço de sedimentos, na morfologia costeira e nos processos ecológicos. A capacidade de análise sinóptica das imagens de satélite, dados históricos e obtidos in situ, e o potencial de análise espacial do geoprocessamento, foram empregados na identificação e compreensão dos processos morfodinâmicos no Complexo Estuarino de Paranaguá (CEP) e região costeira adjacente. O CEP possui dois eixos principais (L-0 e N-S), cujas condições ambientais (salinidade, temperatura, correntes, sólidos em suspensão, turbidez e clorofila) foram monitoradas mensalmente durante 26 meses. O eixo L-O, comparado ao eixo N-S, apresenta maior produtividade primária e sofre maior influência da bacia de drenagem. Os processos estuarinos, mais importantes, relacionados ao transporte de sedimentos são o aporte de sedimentos fluviais, de escala temporal sazonal e episódica, e a zona de máxima turbidez, a qual é regulada pela maré de sizígia. Nas margens arenosas da desembocadura do CEP, a evolução da linha de costa foi monitorada, entre 1985 e 2000, por oito imagens do satélite Landsat, as quais se mostraram úteis para tal finalidade. As alterações morfológicas apresentam padrões diferenciados de resposta, em diferentes locais da desembocadura, sob a ação das forçantes (ondas, correntes e ventos). As alterações de maior magnitude estão relacionadas à modificação no padrão anual de ventos, que por sua vez influi no estado de agitação do mar, sendo a intensificação de ventos dos quadrantes Sul e Sudeste indutora de processos erosivos. Há indícios de que estas alterações no padrão de ventos e a conseqüente variação na linha de costa estejam vinculadas ao momento de inversão entre os eventos El Nino-La Nina. O comportamento das correntes na região costeira foi descrito, e o transporte de sedimentos por tração foi estimado, utilizando dados obtidos por correntômetro eletromagnético no canal de acesso ao CEP. A deriva litorânea foi confirmada como sendo preferencialmente para Norte. O transporte por tração dos sedimentos de fimdo ocorre tranversalmente e longitudinalmente à linha de costa. As correntes de maré são as causadoras do transporte transversal à costa, o qual predomina no sentido costa afora. O transporte longitudinal à costa ocorre quase exclusivamente em momentos de intensa energia de ondas e preferencialmente para Norte. Uma imagem Landsat-7 foi obtida em um desses momentos de intensa energia, geralmente ocasionados devido à entrada de frentes meteorológicas, onde três tipos de processos costeiros (pluma estuarina, correntes de retomo e frente de superfície), relacionados a transporte de sedimentos, puderam ser descritos. A pluma estuarina, intensificada pela ressuspensão dos sedimentos de fimdo, ultrapassou a isóbata dos 20 metros. Correntes de retomo erosivas foram vinculadas a um processo de circulação de maior magnitude, envolvendo troca de propriedades entre a zona de surfe e a plataforma rasa. Fortes correntes de maré vazante de sizígia e a ressuspensão de sedimentos regularam o processo de evolução de uma frente de superfície de escala temporal de 30 horas e escala espacial da ordem de 10 km. Nesta frente foi observado transporte de sedimentos tanto transversalmente quanto ao longo da linha de costa. O CEP é particularmente vulnerável a eventos de grande energia que nele atuam, principalmente na escala temporal "evento" (dias a meses) e age como um fomrcedor de propriedades (sedimentos, nutrientes, poluentes) para a plataforma rasa. Palavras-chave: Morfodinâmica; Processos; Estuário; Zona Costeira; Transporte de Sedimentos; Monitoramento Ambiental; Landsat; Linha de Costa; Baía de Paranaguá. / Abstract: The moiphodynamic analysis of coastal systems can be applied to the study of processes that generate and transform morphologic features, as well as to understand the forcings of those processes and their interaction mechanisms. The great space and temporal variability of coastal and estuarine processes are a challenge for the general understanding of the frequency and magnitude of those processes, its influence on the sediment transport and budget, in the coastal morphology and ecological processes. The capacity of synoptic analysis of satellite images, historical data and in situ collected information, as well as the potential of geoprocessing for space analysis, were used in the identification and understanding of the morphodynamic processes in the Estuarine Complex of Paranaguá (CEP) and adjacent coastal area. The CEP has two main axes (E-W and N-S), whose environmental conditions (salinity, temperature, currents, suspended particulate matter, turbidity and chlorophyll) were monthly monitored during 26 months. The E-W axis compared to the N-S axis presents larger primary productivity and it suffers larger influence of the drainage basin. The more important estuarine processes are related to the transport of sediments, the contribution of fluvial sediments, and some episodic phenomena as well as other of seasonal scale. The maximum turbidity zone is regulated by the spring tide dynamic. In the sandy margins of the outlet of the CEP, the evolution of the coastline was monitored between 1985 and 2000 using eight Landsat images, which were shown useful for such purpose. The morphologic alterations showed differentiated patterns of response in different places of the outlet and under the action of the main acting forces (waves, currents and winds). The larger alterations are related to the modification in the annual pattern of winds, which influences the sea state. The intensification of winds of South and Southeast responsible for erosional processes. There are indications that these inter-annual alterations in the wind regime, and the consequent variation in the coastline, are linked to transition among the El Nino to La Nina events. The current behaviour in the coastal area was described, and the bedload transport of sediments was estimated using data obtained by electromagnetic currentmeters moored in the access channel of the CEP. The drift current was confirmed as being drive mainly to North. The bedload transport of the bottom sediments happens across and along the coastline. The tidal currents are responsible for the across-coast transport, which prevails in the seaward sense. The longitudinal transport happens almost exclusively in events of intense wave energy and mainly to the North. A Landsat-7 image was obtained in one of those moments of intense energy, generally due to the passage of meteorological fronts, where three types of coastal processes related to the sediment transport (estuarine plume, rip currents and surface front) could be described. The estuarine plume, intensified by the ressuspension of the bottom sediments, surpassed the isobath of 20 meters. Erosional rip currents were linked to a larger magnitude circulation process, involving change of properties between the surf zone and the inner continental shelf. High flooding spring tidal currents and the sediments ressuspension seems to regulate the evolutionary process of a surface front of temporary scale of around 30 hours and a space scale of the order of 10 km. In this front, sediment transport was observed obliquely as well as along the coastline. The CEP is particularly vulnerable to events of great energy that act in it, mainly in the "event" time scales (days to months) and it acts as an exporter of properties (sediments, nutrients, pollutants, etc.) for the inner continental shelf. Key Words: Morphodynamic Processes; Estuary; Coastal Zone; Sediments Transport; Environmental Monitoring; Landsat; Coastline; Bay of Paranaguá.

Orientador: Rodolfo José Angulo / Co-orientadores: Eunice da Costa Machado, Nicolai Mirlean / Acompanha CD-ROM / Dissertaçao (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra. Curso de Pós-graduação em Geologia / Resumo: As obras de dragagem são essenciais para o desenvolvimento e a manutenção da navegação oceânica e fluvial, para o gerenciamento de outros usos, bem como para a recuperação de ambientes aquáticos. A remoção e disposição final dos sedimentos dragados representam uma parte importante em todo o gerenciamento hídrico. Diferentemente dos trabalhos que verificam o impacto de dragagens, esta pesquisa se distingue por investigar a presença dos elementos químicos em duas frações distintas, uma fracamente ligada e considerada como de maior biodisponibilidade, e outra fortemente ligada às partículas do sedimento. Com isso, é mostrado não somente o efeito da dragagem na concentração total dos metais e metalóide no sedimento, mas também, como a dragagem influencia a fração considerada atualmente de maior biodisponibilidade e toxicidade. Outro aspecto abordado trata da polêmica entre a legislação ambiental e as atividades de dragagem. O estudo foi realizado em três etapas complementares: 1) Etapa 1 - Avaliação dos impactos das dragagens na área compreendida entre a Baía de Antonina e o Porto de Paranaguá, com 9 estações amostrais; 2) Etapa 2 - Avaliação e monitoramento da qualidade do sedimento nas imediações da indústria de fertilizantes FOSPAR - Baía de Paranaguá, com 12 estações amostrais; 3) Etapa 3 - Avaliação da qualidade do sedimento na bacia de evolução do porto de Paranaguá, com 7 estações amostrais. As amostras foram coletadas com auxílio de um buscador de fundo tipo Petit-Ponar. Foram realizadas duas extrações de elementos metálicos, uma extração forte utilizando HF e HNO3 com aquecimento, e outra extração fraca com a utilização de HCI 0,1 N. Em cada amostra foram determinados os teores de arsênio (As) e metais cobre (Cu), cádmio (Cd), cromo (Cr), mercúrio (Hg), níquel (Ni), chumbo (Pb) e zinco (Zn) pelo método de espectrofotometria de absorção atômica e vapor frio (Hg). De todos os elementos analisados no presente estudo, apenas o chumbo não apresentou concentrações acima do limite crítico adotado (Legislação Canadense), enquanto os elementos arsênio, cobre, níquel, zinco, mercúrio, cromo e cádmio apresentaram concentrações elevadas. Na Baía de Antonina, foram encontradas concentrações elevadas de mercúrio, cromo, cádmio, arsênio e níquel, enquanto que na Baía de Paranaguá dominaram os elementos cobre, zinco, arsênio e níquel. Até hoje as análises requisitadas pelos órgãos ambientais em estudos e relatórios ambientais relativos à elementos metálicos, são feitas com 1 tipo de extração, a extração forte (concentração total). Como ficou demonstrado neste estudo, utilizar-se de somente os dois tipos de extrações para análises de metais proporciona apenas uma compreensão débil da dinâmica dos elementos metálicos e não gera subsídios suficientes para determinar qual a potencialidade poluidora do local e qual 0 melhor destino para o material dragado. Palavres-chave: Atividades de dragagem, Elementos metálicos, Baías de Paranaguá e Antonina, Monitoramento Ambiental. / Abstract: Most ports require a certain water depth depending on the size of vessels they service. Dredging and disposal of dredged material are sometimes necessary to maintain required water depths in harbours or access channels where shallowing occurs due to sand-drift, delivery of sediment from a river mouth or where breakwaters trap sand This is the case of Paranaguá and Antonina harbours. While periodic dredging is required in existing major navigational channels and some smaller channels, disturbance of new areas is minimal. The main concern is that dumping dredged material at the disposal site can introduce toxic substances to the area and can smother estuarine biota. This study aims to investigate contaminant concentrations in two different phases, one strongly and other lightly (more bioavailable) associated to sediment particles of Paranaguá Bay. In this study was addressed not only the impact of dredging activities on the bulk concentration of metal and metalloid but also the effect on the more bioavailable fraction. Moreover, environmental legislation for dredging is also discussed. Three stages have been used in an complementary strategy: 1) Assessment of dredging impacts in the area between Antonina Bay and Paranaguá Harbour, with nine sampling stations; 2) Evaluation and Monitoring of sediment quality close to fertilizer industry (FOSPAR) in the middle sector of Paranaguá Bay, with twelve sampling stations; 3) Assessment of sediment quality in the turning basin of Paranaguá Harbour, with seven sampling stations. Superficial sediment samples were taken with a sampler Petit-Ponar. In order to analyse metallic and metalloid elements two extractions were performed, one using HF and HN03 with warming and other weak using HCI 0.1 N. In each sample arsenic (As), copper (Cu), cadmium (Cd), chromium (Cr), mercury (Hg), nickel (Ni), lead (Pb) e zinc (Zn) were determined by atomic absorption spectroscopy of and cold vapor (Hg). From all analysed elements lead only showed concentrations bellow the critic value, here adopted (Canadian guidelines). High concentrations of Hg, Cr, Cd, As and Ni were registered in Antonina Bay, whereas Cu, Zn, As and Ni, dominated in Paranaguá Bay. Until now, only analyses of bulk concentration of metallic elements in superficial sediments are required by state public authorities for environmental impact studies. As demonstrated here, however, only two extractions are still insufficient for a comphreensive assessment of the dynamics of metallic element, their potential toxicity and to support disposal management of dredged material. Keywords: Dredging, contaminated sediments, Paranaguá Bay, Antonina Bay, environmental monitoring