Wave–current coupling and coastal water quality in the Baixada Santista : an integrated Eulerian and Lagrangian modeling assessment of submarine outfall plumes with Delft3D and MOHID

Abstract

Resumo: A região costeira do litoral do estado de São Paulo, localizada entre Praia Grande e Guarujá, apresenta múltiplas fontes pontuais que podem comprometer a balneabilidade e a distribuição de nutrientes. A avaliação das dinâmicas e condições das zonas oceânica e estuarina exige uma abordagem integrada que considere os mecanismos físicos do meio, além do transporte e diluição dos contaminantes. Neste contexto foi proposto quantificar a influência da forçante de ondas sobre trajetórias de dispersão de poluentes provenientes de sistemas de disposição oceânicos e corpos hídricos, identificar zonas de risco e comparar, no mesmo domínio e período, estratégias de transporte (abordagem Euleriana e Lagrangeana). Deste modo, foram simulados lançamentos de 5 sistemas de disposição oceânicos e 27 lançamentos pontuais para o ano de 2012, considerando dois cenários gerais para a avaliação da qualidade da água (referência de 2012 e cenário hipotético com vazões máximas e atualizações estruturais pós-2012) e duas configurações da hidrodinâmica local (somente hidrodinâmica e hidrodinâmica acoplada com onda). A calibração hidrodinâmica adotou dois marégrafos e um ondógrafo, enquanto a qualidade da água considerou medições esparsas dos parâmetros simulados. A inclusão de ondas alterou de forma consistente os caminhos de dispersão, com deslocamento predominante para oeste através da Baía de Santos, e resultou em redução das concentrações simuladas. Para enterococos, observou-se redução média de 38% e, para fósforo total, redução média de 85,6%, de modo que nas zonas de contato primário, os enterococos permaneceram abaixo do limite da CONAMA 274/2000 (106 UFC/100 mL) em mais de 90% do tempo nas simulações com ondas. Experimentos com fontes isoladas indicaram plumas confinadas próximas à zona de lançamento dos emissários submarinos e sem impacto na zona de contato primário. Consequentemente, a elevada presença de nutrientes, como fósforo, foi relacionada com as cargas difusas/fluviais. Os resultados mostraram que a consideração explícita da influência de ondas na circulação costeira modifica a interpretação de exposição e de potenciais condições críticas, e que o uso combinado de abordagens de transporte oferece uma leitura mais robusta das zonas de risco, fundamentando propostas de reformulação das normativas e dos padrões de relatórios técnicos para modelagem numérica de poluentes em zonas costeiras

Abstract: The coastal region of the State of São Paulo, located between Praia Grande and Guarujá, presents multiple point sources that may compromise bathing water quality and nutrient distribution. The evaluation of oceanic and estuarine zone dynamics requires an integrated approach considering the physical mechanisms of the medium alongside contaminant transport and dilution. In this context, this study aimed to quantify the influence of wave forcing on pollutant dispersion trajectories from ocean disposal systems and water bodies, identify risk zones, and compare Eulerian and Lagrangian transport strategies within the same domain and period. Consequently, five submarine outfall systems and 27-point discharges were simulated for the year 2012, considering two general water quality scenarios (a 2012 reference and a hypothetical scenario with maximum flows and post-2012 structural updates) and two local hydrodynamic configurations (hydrodynamic-only and wave-coupled hydrodynamics). Hydrodynamic calibration utilized data from two tide gauges and one wave buoy, while water quality assessment considered sparse field measurements of the simulated parameters. The inclusion of waves consistently altered dispersion paths, showing a predominant westward displacement through Santos Bay and resulting in a reduction of simulated concentrations. For enterococci, an average reduction of 38% was observed, while total phosphorus showed an average reduction of 85.6%; in primary contact zones, enterococci levels remained below the CONAMA 274/2000 limit (100 CFU/100 mL) for over 90% of the time in wave-coupled simulations. Experiments with isolated sources indicated that plumes were confined near the outfall discharge zones with no impact on primary contact areas. Consequently, the high presence of nutrients, such as phosphorus, was linked to diffuse and fluvial loads. The results demonstrate that the explicit consideration of wave influence on coastal circulation modifies the interpretation of exposure and potential critical conditions, and that the combined use of transport approaches offers a more robust assessment of risk zones, supporting proposals for the reformulation of regulations and technical reporting standards for numerical modeling of coastal pollutants