Publicações

Descreve-se um sistema de modelos para simular a evolução dos fundos de zonas costeiras sujeitas a maré, composto por um modelo hidrodinâmico de elementos finitos acoplado a um modelo de transporte de sedimentos de volumes finitos. As principais características do sistema de modelos são: 1) novas formas de actualizar o campo de velocidades sem correr o modelo hidrodinâmico; 2) resultados do modelo hidrodinâmico fornecidos ao modelo de transporte no domino do frequência; 3) passo de cálculo adaptativo no modelo de transporte; 4) novo critério para determinar a necessidade de correr o modelo hidrodinâmico; e 5) filtragem de oscilações batimétricas.Palavras-Chave: Morfodinâmica; volumes finitos; estuários.

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The characterisation of the dynamics of Figueira da Foz beach, in the West coast of Portugal, is presented based on the analysis of previous studies and results obtained from the application of a numerical model. Advances on the understanding of the beach dynamics have been achieved by the quantification of the annual and seasonal longshore transport and several beach profile parameters. An evaluation of the contribution of the wave climate components on the longshore transport was also obtained. The results allow sustaining a prediction of the effect of a future change of the wave climate on the longshore transport. Figueira da Foz shoreline change was simulated based on different conceptual scenarios and the results, although not quantitatively conclusive, allow the understanding of the influence of the neighbouring beach hard rock outcrops on the recent evolution.

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Barotropic tidal propagation, circulation and salinity intrusion in the Guadiana estuary are described, based on two-dimensional numerical simulations supported by field data. Results are integrated through selected indicators, which provide detailed insight into the variability of the estuarine dynamics with the tides, the river flow and the spatial location. The estuarine dynamics is strongly affected by the generation of non-linear tidal constituents. Quarter-diurnal constituents distort the tide along the estuary, resulting in strong flood dominance. As a consequence, the estuary experiences accretion for low river flows. Residual velocities are directed upstream in shallow areas and downstream in the main channel. This pattern is responsible for higher salinities near the eastern margin, explaining the observed cross-sectional distribution of benthic organisms. The Coriolis effect and the residual currents patterns contribute to the efficient mixing of the river plume, promoting the renewal of the estuarine water. Residence times, computed with a new method based on particle tracking simulations, vary between four months and one week, for river flows between 8 and 300 m3/s. Maximum salinity intrusion depends on the tidal amplitude, which accounts for 8 km of its variability, and on the river flow. For very low river flows, the 0.5 isohaline penetrates up to 40 km into the estuary. The oligohaline, mesohaline and polyhaline regions extend for about 5 km each, and their locations shift by about 20 km with the tide. The estuary is stratified for river flows above 100 m3/s, and well mixed for river flows below 10 m3/s.

A high-resolution finite element model of barotropic tides in the Iberian Atlantic shelf is presented. The model accurately reproduces available tidal data, with average amplitude discrepancies at twelve Atlantic stations below 3% and 15% for semi-diurnal and diurnal tides, respectively. The accuracy of the model simulations is also supported by a qualitative comparison with velocity data. Model results are then used to examine the generation of shelf waves by diurnal tides off the western Portuguese coast. Shelf waves in this area are responsible for large diurnal currents, which can exceed semi-diurnal currents by an order of magnitude. Numerical experiments show that these shelf waves can be generated by obstacles perpendicular to the coastline, and are enhanced in the presence of wide and shallow shelves and steep continental slopes. In the Portuguese coast, the Tagus plateau is responsible for most of the shelf wave generation.

Ten numerical schemes to reduce spurious oscillations in transport simulations were implemented and tested in an Eulerian-Lagrangian control volume finite element model. The schemes included both new and existing Flux Corrected Transport (FCT) algorithms and non-linear filters. The ability of the methods to eliminate numerical oscillations while preserving mass and minimizing the introduction of numerical diffusion was compared in 2D tests of varying complexity. The application of local mass correction algorithms was shown to be vital to avoid the introduction of mass errors by FCT. While none of the methods emerged as optimal for all cases, a new FCT method with a local mass correction scheme and a non-linear filter can be recommended as the best approaches in general. The method of choice depends on the problem being solved, in particular on the concentration gradients and on the grid resolution.

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Os sistemas de previsão em tempo real desempenham um papel fundamental na gestão derisco e mitigação das consequências de eventos extremos em zonas costeiras. O leque de utilizadoresdestes sistemas aumentou significativamente nos últimos anos, englobando a comunidade científica eoperacional do panorama nacional, gestores costeiros e empresas que desenvolvem aplicações queintegram previsões em tempo real (aplicações para surf, vela, mergulho, observação de cetáceos, etc.).Este interesse crescente promoveu o desenvolvimento de uma plataforma interativa para geração desistemas de previsão em tempo real da circulação para locais à escolha do utilizador. Esta plataforma,denominada OPENCoastS.pt, é baseada no WIFF

A sensitivity analysis was performed on the mean infragravity wave period by varying fiveinput parameters associated to short-waves. The mean infragravity wave period was estimated fromthe short-wave directional spectrum using a second-order wave theory.The analysis was based on a sensitivity index and showed that the mean infragravity wave period ismore sensitive to both the significant short wave height and the mean short wave period than to thewater depth, the directional spreading coefficient and the JONSWAP peak-enhancement factor. Themaximum value of the mean infragravity wave period obtained (60 s) indicates that larger meaninfragravity wave periods might not be forced by the second-order wave theory, thereby depending onthe bottom topography.

O conhecimento dos processos de transporte sedimentar na enseada da Nazaré apresenta aindaalgumas limitações. O presente estudo tem por objetivo analisar as taxas de sedimentação no porto depesca, construído no início da década de 80. A análise baseia-se na comparação de levantamentoshidrográficos realizados desde 1983, mas principalmente entre 2004 e 2015. Obtiveram-se taxas desedimentação médias da ordem de 0,03 m/ano, não se registando diferenças acentuadas entre osdiferentes sectores do porto (anteporto, canal de acesso e bacia interior). Esta estimativa é coincidentecom o esforço de dragagem conhecido. As elevadas profundidades na proximidade do porto e aorientação do trecho costeiro parecem contribuir para a inexistência de problemas de dinâmicasedimentar. Contudo, recomenda-se o acompanhamento da evolução da praia da Nazaré, imediatamentea norte, dado o seu progressivo robustecimento, induzido pelo molhe norte do porto.

Caracteriza-se a dinâmica sedimentar na zona do Porto de Leixões e avalia-se o impacte doprolongamento do quebra-mar norte através da análise de dados de campo e de resultados demodelos numéricos. Sedimentos provenientes do rio Leça depositam-se maioritariamente nazona montante do porto. As melhores condições de abrigo aumentarão esta deposição,reduzindo a sedimentação a jusante. Na zona costeira, o abrigo proporcionado pelos quebramaresdificulta a mobilização de areia e o seu transporte para o interior do porto. No entanto,forma-se por vezes uma corrente de deriva de sul para norte que é parcialmente capturadapelo porto durante a enchente, podendo transportar areias muito finas para o interior do porto.O prolongamento do quebra-mar dificultará a entrada no porto de areias finas e médias deorigem marítima, mas reforçará a captura da deriva litoral pelo quebra-mar norte, potenciando aentrada de areias muito finas no porto. A praia de Matosinhos irá rodar no sentido anti-horário.A médio prazo, a acumulação de areia junto ao quebra-mar sul poderá assorear o canal deacesso, e a erosão a sul poderá fomentar galgamentos na praia. Finalmente, penetra areia noporto através do quebra-mar norte em situações energéticas.

Field observations were performed at an embayed beachto investigate infragravity (IG) wave (0.005-0.04 Hz) dynamics. Offshore short-wave conditions measured by the Cabo Sillero buoy (323 m depth) were characterized by a mean significant wave height of 0.9 m and a mean peak wave period of 9 s. Analysis of field observations demonstrate that for this embayed beach two IG wave peaks can be detected (0.01 and 0.025 Hz). The IG wave band can be separated in two frequency bands due to the different wave propagation characteristics (0.005-0.02 and 0.02-0.04 Hz). The bound wave generation mechanism was identified based on a negative correlation between the short-wave envelope and the IG wave elevation for a time lag of 5 s. The phase-lag evolution of the IG wave increasingly lags behind the short-wave envelope shorewards.

As inundações de margens estuarinas são causadas pela maré, o vento, a pressão atmosférica, a agitação marítima e o caudal fluvial. Esta combinação de agentes forçadores dificulta os estudos de inundação estuarina, no que se refere quer à simulação conjunta dos diferentes processos, quer à associação de um período de retorno a uma determinada área de inundação. Recentemente, desenvolveu-se uma metodologia simples que permite simultaneamente construir mapas das áreas inundáveis e associar-lhe um período de retorno. O presente artigo começa por descrever sucintamente esta metodologia. Valida depois os resultados da sua aplicação ao estuário do Tejo por comparação com a aplicação de uma abordagem alternativa mais sofisticada, na qual são simulados detalhadamente eventos reais. Esta comparação mostra que, apesar das simplificações, a abordagem descrita produz resultados realistas. Finalmente, ilustra a metodologia através da sua aplicação ao estuário do Mondego. Mostra-se que os diques existentes são suficientes para conter inundações de origem marítima na situação atual, o que poderá ser alterado pela subida do nível médio do mar. A ilha da Murraceira também está sujeita a inundação em cenários de subida do nível médio do mar.

This study evaluates the impact of bars on the dynamics of infragravity waves on a dissipative beach. Numerical simulations were performed with the SWASH model with a setup previously validated on a laboratory experiment. Bars increase the significant infragravity wave height across the inner surf zone by up to 25%. This growth is explained by nonlinear energy transfers between infragravity and short waves that occurred over the bar trough. Infragravity wave energy losses near the shoreline are higher, by approximately 30%, for the barred when compared to the unbarred beach profile.

Os sistemas de previsão e monitorização em tempo real constituem ferramentas inovadoras para a gestão otimizada da água em meios estuarinos e costeiros. O LNEC desenvolveu uma plataforma para a gestão em tempo real dos meios aquáticos, baseada na WIFF

Analisaram-se os processos de sedimentação no porto de Portimão, situado no estuário do rio Arade. O trabalho envolveu a comparação de nove levantamentos hidrográficos realizados entre 2000 e 2015. Foi tida em consideração a intervenção de dragagem executada em 2007-2008. Excluindo o efeito da dragagem, o canal de acesso e a bacia de manobra, à cota -8,0 m ZH, constituem a área do estuário que registou a taxa de sedimentação média mais elevada, sendo a taxa de sedimentação da bacia de manobra (0,07-0,09 m/ano), a montante, superior à do canal de acesso (0,03-0,04 m/ano), a jusante. Verifica-se alguma variabilidade entre levantamentos consecutivos, que não decorre necessariamente de uma efetiva evolução morfológica. Conclui-se que o porto apresenta condições de manutenção relativamente favoráveis, dado que o assoreamento da barra por captação de material sedimentar da zona costeira exterior é pouco significativo.

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The hydrodynamics and sediment dynamics of a low energy estuarine beach was analysed. The beach is subjected to local wind waves generated in an area of restricted fetch, wake waves generated by catamarans and a semi diurnal meso-tidal regime. Only storm events of short duration modify the beach profile, which, once the normal hydrodynamic conditions are restored, naturally recovers its initial shape. The beach is characterised by having a steep upper slope until mean sea level, followed, seaward, by a low gradient terrace, and a bimodal sediment distribution. To investigate the hydro sedimentologic beach behaviour, wind, topo-hydrographic and sedimentologic data were used as input and validation of process based numerical modelling. Wave generation and transformation in an area of restricted fetch, nearshore circulation, sediment transport and morphological evolution were simulated for average annual conditions and storm conditions. The statistical analysis of a six-year wind data series allowed to derive the average wind regime, based on which, the average annual wave regime and the average annual longshore sediment budget, 14.5x103 m3year-1, were calculated. The contribution of the individual components of the representative wave regime, discretised by directional sector and height class of incidence, was evaluated as well as the spatial distribution of the longshore sediment transport in the active part of the beach profile. The characteristics of the wave groups generated by the passage of catamarans at different speeds were estimated and their action on the beach morphology was simulated. Although when the catamarans travel at 20 knots speed the average annual wake wave energy dissipated at the beach is 2.5 times higher than the average annual wind wave energy, the erosion effect on the beach profile is still not relevant for the present traffic. In opposition, short duration storm events generate the formation of an erosion scarp at the upper part of the beach face. The numerical modelling of this phenomenon allowed to acknowledge on the protective effect that the low gradient terrace has on the beach face.

A presente tese tem como objetivo melhorar a gestão dos sistemas de distribuição de água através da utilização de métodos probabilísticos e estatísticos para analisar os dados de contadores inteligentes. Assim, é proposta uma metodologia para avaliação da incerteza em medições de caudal dinâmicas, baseada apenas nas próprias medições, no método de bootstrap por blocos e no ajustamento de um modelo adequado aos dados em estudo. De seguida, é desenvolvida uma metodologia de amostragem probabilística estratificada dos clientes para identificação de uma amostra representativa onde deverão ser instalados contadores inteligentes, sendo os estratos definidos pelos grupos obtidos numa análise de clusters baseada em dados de faturação. É ainda apresentada uma metodologia para a decomposição¸ de séries temporais de caudal em consumo autorizado, consumo não autorizado, roturas e perdas, utilizando técnicas de suavização de séries temporais e análise do espetro singular (singular sprectum analysis). Por último, são testados alguns métodos robustos e de analise funcional para deteção de valores anómalos em series temporais de caudal.

A compreensão dos impactes das alterações climáticas é fundamental para agestão a longo do prazo dos ecossistemas estuarinos. Esta compreensão sópoderá ser efectiva considerando a variabilidade climática natural e o papelrelativo das intervenções antropogénicas nestes ecossistemas. Assim, apresente dissertação analisa a influência das alterações climáticas e pressõesantropogénicas na qualidade da água e dinâmica ecológica da Ria de Aveirocom base numa abordagem integrada, que combinou a análise de sériestemporais dos últimos 25 anos e a modelação numérica de elevada resoluçãode cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas.A componente de modelação de qualidade da água e ecológica foi melhoradaa vários níveis. A análise de sensibilidade do modelo 3D hidrodinâmicoecológicoECO-SELFE aplicado à Ria de Aveiro e a revisão das constantes desemi-saturação para absorção de nutrientes pelo fitoplâncton contribuírampara a precisão e robustez das aplicações. A concentração do fitoplâncton foisignificativamente influenciada pelas taxas de crescimento do fitoplâncton e demortalidade e excreção do zooplâncton, e apresentou uma sensibilidadereduzida à variação das constantes de semi-saturação na gama identificadapara as diatomáceas. O acoplamento do ECO-SELFE a um modelo de campopróximo e a integração do ciclo do oxigénio aumentaram a sua capacidade derepresentação dos processos e das escalas espaciais relevantes. A validaçãodo ECO-SELFE foi realizada com base num conjunto de campanhasespecíficas realizadas no canal de Mira. Os padrões espaciais e temporaisobservados para as várias variáveis (clorofila a, nutrientes, oxigénio dissolvido,salinidade, temperatura da água, correntes e níveis) foram simulados comerros menores ou semelhantes aos obtidos neste tipo de aplicações.A análise dos padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade daágua e ecológica na Ria de Aveiro a diferentes escalas, efectuada com basenos dados históricos de 1985 a 2010 complementados pelas campanhasrealizadas, sugeriu uma influência combinada da variabilidade climática e dasacções antropogénicas. Os cenários futuros de alterações climáticas eintervenções antropogénicas simulados evidenciaram uma influência maissignificativa das alterações climáticas quando comparadas com os efeitos dasacções antropogénicas analisadas. As variações mais significativas sãoprevistas para os cenários de subida do nível do mar, seguidos dos cenáriosde alterações dos regimes hidrológicos, evidenciando o papel da circulação(maré e caudal fluvial) no estabelecimento da qualidade da água e dinâmicaecológica na laguna. Para os cenários de subida do nível do mar são previstosdecréscimos significativos da clorofila a e dos nutrientes a jusante e nas zonasintermédias do canal, e um aumento significativo da salinidade a montante.Estas alterações poderão favorecer modificações da composição e distribuiçãodas comunidades, afectando a cadeia alimentar e causando uma progressãopara montante de espécies marinhas. Os resultados sugerem ainda que osefeitos poderão ser mais significativos em estuários pouco profundos.

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A temática dos derrames de hidrocarbonetos continua a ser um assunto de extremaimportância dados os graves impactes continuadamente causados no meio marinho. O desenvolvimentode ferramentas para auxilio às autoridades responsáveis pela gestão costeirano combate e mitigação deste tipo de acidentes é prioritário nos planos estratégicos governamentais.Neste trabalho propõe-se um novo sistema integrado de análise de hidrocarbonetos desenvolvidopara aplicação a derrames em zonas costeiras, portuárias e oceânicas. Desenvolveuseuma nova metodologia baseada na sinergia da modelação numérica com a detecção remotapor satélites. Este sistema integra uma componente de modelação numérica flexível(2D/3D) e um novo algoritmo de segmentação de manchas de hidrocarbonetos observadasem imagens SAR. O algoritmo de detecção remota foi concebido para validar os resultadosdo sistema de modelos. O sistema de modelação baseia-se numa abordagem Euleriana-Lagrangeana para a resolução dos processos de evolução dos hidrocarbonetos, utilizandomalhas não-estruturadas para a representação dos domínios de estudo numa perspectivamulti-escala. O modelo de hidrocarbonetos inclui a maioria dos processos relevantes numderrame à superfície e na coluna de água e inclui um novo algoritmo para a retenção costeiraque considera a dinâmica intertidal para aplicação a domínios praias, lagunas e estuários.Realizaram-se diversas aplicações sintéticas e reais que comprovaram a precisão, robustez,fiabilidade e flexibilidade do sistema integrado, com custos computacionais e níveisde complexidade variável. A aplicação do sistema ao caso Prestige permitiu demonstrarque a sinergia entre a modelação numérica e a detecção remota é uma mais-valia para aprevisão de derrames de hidrocarbonetos no mar e serviu como base para uma análise qualitativada influência da precisão da previsão do vento como agente forçador.Futuramente, o sistema poderá ser aplicado na optimização de planos de contingência,sustentando análises de risco, e em sistemas de alerta e aviso para acidentes de poluição.

As margens estuarinas são constituídas por diversos elementos morfo-sedimentares, interdependentes entre si através de processos hidrodinâmicos, sedimentares, morfológicos e ecológicos. Estas características conferem à zona marginal do estuário uma sensibilidade particular a desequilíbrios entre o suporte morfológico e sedimentar e à acção dos agentes hidrodinâmicos, climáticos e antrópicos. A presente tese contempla o estudo da evolução morfo-sedimentar de margens estuarinas, procurando identificar as condições genéticas, caracterizar e quantificar os processos evolutivos actuais e passados. A área em estudo situa-se na margem sul do estuário interno do Tejo, entre Alcochete e Cacilhas, incluindo a restinga do Alfeite e a baía do Seixal. Efectuou-se a caracterização hidrodinâmica, morfológica e sedimentar da região em estudo e a avaliação dos padrões evolutivos à mesoescala e microescala. O estuário do Tejo é caracterizado por extensas zonas intertidais constituídas por rasos de maré e sapais. Estas áreas são alimentadas por sedimento em suspensão de origem fluvial, redistribuído pelas correntes de maré. Contrastando com o predomínio da sedimentação essencialmente silto-argilosa, surgem na margem sul praias e restingas de natureza arenosa que indicam a actividade de ondas de geração local. A morfologia da restinga do Alfeite evidencia a actividade de ondas, quer na sua formação, quer na sua evolução temporal. A sua instalação, há cerca de 500 anos atrás, terá correspondido a um episódio de mobilização considerável de material grosseiro proveniente de fontes sedimentares próximas - as rochas detríticas miocénicas e pliocénicas. A instalação da restinga proporcionou a manutenção de um ambiente de baixa energia, constituído por rasos de maré e sapais (baía do Seixal). O clima de agitação local está sobretudo relacionado com as nortadas, devido às maiores distâncias de fetch associadas e à intensidade mais elevada dos ventos daquele quadrante. O clima de agitação médio, obtido através de um modelo de previsão da agitação, caracteriza-se por alturas significativas de onda entre 0,2 e 0,4 m e por períodos de zero ascendente de 2 s. Em condições extremas a altura significativa de onda pode atingir 1,3 m. As ondas de geração local no estuário interno têm capacidade para causar a ressuspensão, transporte e acumulação de areias na margem sul, virada às direcções de fetch mais longo. Identificaram-se dois domínios principais de transporte longitudinal, envolvendo um caudal sólido semelhante de 20 000 - 30 000 m3/ano. Estes resultados concordam como as direcções de desenvolvimento e de progradação das restingas de areia. O padrão de dispersão de material sedimentar concorda também com a localização de fontes sedimentares potenciais. A restinga do Alfeite mostra uma variação morfológica evidente nos últimos 150 anos, dominada pelos processos de erosão e envolvendo a redução da área da praia em cerca de 15 ha. As modificações mais importantes ocorreram no período 1930-1979, com uma taxa de erosão média de 0,3 ha/ano, que coincidiu com intensa intervenção antrópica no sistema envolvendo alteração dos balanços sedimentares locais. As taxas de erosão obtidas através da análise evolutiva à mesoescala concordam com os volumes sedimentares avaliados para a deriva litoral local. O padrão evolutivo à microescala da praia do Alfeite mostra igualmente um comportamento particular de resposta a alterações hidrodinâmicas locais e à acção antrópica. O padrão de evolução à mesoescala e microescala da baía do Seixal sugere uma diferença acentuada entre o comportamento das zonas subtidal e intertidal inferior, com alguma dominância dos processos erosivos (com uma taxa de erosão média de 1-2 cm/ano), e o da zona supratidal com taxas de sedimentação relativamente elevadas (1cm/ano). O modelo morfo-sedimentar proposto para a baía do Seixal é essencialmente um modelo de redistribuição de sedimentos entre os rasos de maré superiores e sapais e os canais; resulta a selecção natural entre siltes grosseiros e areia e uma fracção mais fina com componente orgânica importante. À macroescala, o modelo evolutivo proposto será interrompido por episódios de entrada excepcional de material, principalmente através da rede hidrográfica local, associados a eventos extremos. As margens estuarinas são particularmente sensíveis a alterações extremas dos balanços sedimentares locais, sendo clara a interdependência entre a evolução morfológica e a interferência antrópica no sistema.

Os estuários são sistemas ricos em recursos naturais e de grande fragilidade ecológica. O seu uso, como suporte de múltiplas actividades, faz com que seja necessário definir planos de gestão destinados a compatibilizar tais utilizações, salvaguardando o equilíbrio ecológico e a saúde pública. Reviram-se os conceitos de estuário, suas características e tipos. Identificaram-se princípios e metodologias para a sua gestão, que requerem o uso de instrumentos, dentre os quais são objecto central do presente estudo os sistemas de indicadores ambientais. O modelo de enquadramento adoptado foi o de Pressão Estado Resposta. As aplicações do conceito de indicador ambiental a estuários são recentes e limitadas, devido à especificidade destes sistemas, em particular, da coexistência de escalas de tempo distintas no controlo dos processos hidrodinâmicos e das suas características bio-geo-químicas. A caracterização ambiental dum estuário requer a aplicação de uma metodologia que inclui, além de informação de contexto, a identificação das zonas homogéneas, definidas com base em critérios morfológicos, de salinidade e de gestão, e das escalas de tempo relevantes, para definir os domínios de integração espacial e temporal das variáveis observadas, que conduzem aos valores significativos. A estes é removida a dimensão, sendo normalizados por aplicação de operadores algébricos e gráficos, inferindo-se a conformidade com a qualidade ambiental a partir dos valores dos indicadores normalizados. A metodologia inclui a definição de classes de qualidade. A metodologia foi ensaiada no estuário do Tejo. A sua caracterização, cobrindo as temáticas da eutrofização e estado de oxigenação, da qualidade estética e da contaminação bacteriológica e por xenobióticos, demonstrou a exequibilidade do método. Os resultados, se bem que de interesse relativo por recorrerem a dados heterogéneos e, por vezes, sem actualidade, revelam um estuário com baixa susceptibilidade à poluição, onde o incumprimento das normas de emissão pelas fontes poluentes era dominante. Porém, o estado do estuário revelou-se, em grande parte da sua extensão, bom ou excelente relativamente a alguns parâmetros, embora tenham sido identificadas situações de não conformidade. A metodologia é, assim, exequível, mesmo quando aplicada a um estuário complexo como o Tejo, e capaz de diferenciar situações de qualidade ambiental distintas. Constitui um instrumento de gestão útil para o apoio ao planeamento de programas de monitorização, para a sistematização da informação e para a comunicação clara com os responsáveis pelas decisões e com o público.

Eulerian-Lagrangian methods (ELMs) are increasingly used to simulate groundwater and surface water transport and water quality, largely due to their ability to use large time steps and to formally decouple processes with distinct time scales. Yet, two severe limitations remain: (1) ELMs do not inherently conserve mass, AND (2) in multiple dimensions, robust implementations of "higher-order" ELMs are expensive. Our research focused on the understanding of the main sources of errors in ELMs. We analyzed systematically the impact and relative importance of tracking errors, integration errors and forcing by non-conservative flow fields, on measures of mass conservation, overall accuracy and stability. From this analysis, we propose new methodologies and general guidelines towards mass conservative, globally accurate and stable multi- dimensional ELM transport simulations in estuarine and coastal regions. We performed a pioneering study of the influence of tracking errors, demonstrating their very strong negative impact on mass conservation, overall accuracy and stability. Low-order tracking methods are strongly discouraged in the presence of complex flow fields, typical of estuaries, because they are too inaccurate to allow overall mass balance and phase preservation, and they lead to potential instability. We show that the evaluation of the integrals at the feet of the characteristic lines is an important source of mass and overall errors, which can be controlled through grid refinement. To avoid such errors, we develop a new method that combines the flexibility and local mass properties of control volume finite element methods (CVFE), with a new quadrature integration technique. Subdivision quadrature overcomes stability constrains of traditional quadratures and allows for easy implementation in multiple dimensions. We find subdivision quadrature CVFE-ELMs to be an attractive alternative to current finite element ELMs in estuaries and coasts. Non-conservative flow fields are the primary concern for estuarine and coastal applications because ELMs cannot mitigate their effect without jeopardizing overall accuracy. We found bathymetric gradients and complex geometry to be the main sources for flow mass errors, and grid refinement to be inadequate to eliminate them. Consequently, mass imbalances in ELM solutions cannot be removed by grid refinement. Control volume finite elements and conservative-equation-based formulations are equally ineffective in the presence of a non-conservative flow. The problem needs to be addressed at the source, i.e., the circulation models that generate the flows. A detailed analysis of residence times illustrates the importance of improving numerical models, and provides new insights on the variability of residence times in estuarine systems. A new methodology is proposed, which emphasizes the importance of local analysis of residence times to understand the fluxing properties of a complex system, while providing an alternative approach to traditional bulk evaluations of residence times. Key Words: Flow mass conservation. Transport Mass conservation. Transport equation. Eulerian-Lagrangian methods. Finite Volumes. Finite elements. Accuracy Analysis. Residence Times.

The thesis deals with the numerical modelling of random wave propagation in the nearshore region. The mathematical modelling is based on the mild - slope equation.The mild - slope equation has been considered in a linear elliptic form in order to take into account wave refraction, diffraction, and reflections, and therefore to allow for the applicability of the model without constraints even to areas like harbours where reflections play an important role. Owing to the fact that we are dealing with a boundary value problem, the mathematical methods for solving the linear system of equations generated after discretising the governing equation and the boundary conditions imposed are fundamental to developing an efficient numerical model. A range of mathematical methods for solving the linear elliptic form of the mild-slope equation as well as a range of appropriate radiation boundary conditions are analysed, implemented and compared. Comparisons with available results, experimental and numerical, for different cases of study, validate the model for monochromatic waves.To overcome the difficulty of applying the linear elliptic model over large areas, a multigrid technique was deployed in a numerical model of a non-linear transformed form of the mild-slope equation in order to accelerate convergence. This technique was applied to a range of iterative solvers and satisfactory results were obtained.A numerical model of a hyperbolic form of the mild-slope equation, an initial value problem, was also developed and extended in order to test a range of radiation boundary conditions. Results show that "sponge layers" provide the best means of dealing with radiation type boundary conditions.The elliptic model was then further developed by extending it to random waves using the concept of superposition of spectral components. The importance of frequency and directional spreading was investigated. Based on the energy balance equation the phenomenon of breaking of irregular waves in the surf zone was incorporated, using two different approaches, in the model which was applied to cases that had been experimentally studied before. The results from this part of the work are unique and demonstrate the practical usefulness of the model.

STERNA é um sistema de modelos matemáticos para a simulação de processos hidrodinâmicos e de qualidade da água em estuários não-estratificados. Este sistema é constituído pelo modelo hidrodinâmico MOHID, previamente existente, e por um modelo de transporte e por um conjunto de módulos de qualidade da água, desenvolvidos no decurso deste estudo. As equações de conservação da massa e de conservação da quantidade de movimento, do modelo hidrodinâmico, e a equação de advecção-difusão, do modelo de transporte, são resolvidas pelo método das diferenças finitas, a partir de uma formulação bidimensional (2D), integrada na vertical.Descreve-se a aplicação do sistema STERNA ao estuário do Tejo. Os resultados são comparados com observações efectuadas em campanhas do "Estudo Ambiental do Estuário do Tejo". Estas observações compreendem: a) séries temporais de correntes, salinidade, temperatura e sedimentos em suspensão, com cerca de 24 horas de duração; b) séries de valores mensais de salinidade, temperatura, clorofila-a, fosfato, amónia, nitrato, CBO e oxigénio dissolvido, com 4 anos de duração. Verifica-se, para a generalidade dos parâmetros, uma concordância satisfatória entre observações e resultados dos modelos.Os dados de campo e o sistema de modelos proposto servem de suporte a uma análise das características do ambiente no estuário do Tejo. Discutem-se, em particular: as trocas de maré entre o estuário e o exterior; a importância da estratificação de densidade; os fluxos de calor através da superfície; os mecanismos de formação da zona de turvação máxima; os factores responsáveis pela limitação da produção primária fitoplanctónica; os processos envolvidos no ciclo do fósforo e do azoto; e a ocorrência de défices de oxigénio. Conclui-se pela importância de uma abordagem integrada no estudo dos processos estuarinos.Palavras-chave: Modelos matemáticos; método das diferenças finitas; hidrodinâmica de estuários; qualidade da água; estuário do Tejo.

Although three-dimensional (3D) modeling of coastal and estuarine flows is becoming common, several limitations remain related to our ability both to describe and to numerically simulate the correct physics. Two key limitations concern vertical resolution: the lack of flexibility of current methods for vertical discretization prevents the optimal use of computational resources, and guidelines for vertical nodal placement are not available.The major contribution of this thesis is the development, analysis and test of an approach that allows for an unprecedented flexibility in the vertical refinement of the domain. This approach, which we refer to as localized sigma coordinates (LSC), is the first to allow the number of nodes per vertical to vary horizontaly, and can therefore be considered a natural extension to the use of unstructured grids in the horizontal.To take advantege of the LSC, we perform the first systematic study for the vertical discretization in barotropic tidal flow simulations. The resulting optimal grid can reduce the errors relative to a uniform grid by over an order of magnitude and compares favorably with non-uniform grids previously proposed. A criterion to guide the horizontal distribution of the total number of nodes is proposed and discussed in the context of simple one- and two-dimensional models, and is then extended to three dimensions. Accounting for advection in three dimenions forces modifications to the criterion, but the overall concept proved to be useful: using a variable number of nodes per vertical reduces the maximum velocity errors by a factor of two.As part of our analysis of the LSC, we investigate the evaluation of the horizontal gradients in sigma-coordinate shallow water models. We show that horizontal gradients should be computed in sigma rather than z-coordinates, and that the so-called hydrostatic inconsistency typically associated with sigma coordinates does not correspond to a numerical inconsistency. The large errors associated with the evaluation of horizontal gradients can be by-passed through appropriate horizontal resolution, and a procedure to define this resolution is proposed based on results from a truncation error analysis.An application to the Tagus estuary demonstrates the enhanced accuracy provided by the LSC, and provides new insights into the estuarys 3D barotropic circulation. Strong residual currents (depth-averaged eulerian residual velocities of up to 0.5 m/s) are generated by advective accelerations and have a major impact on the mixing characteristics at the mouth of the estuary. The assymetry between ebbing and flooding promotes exchanges between marine and estuarine waters, while he interaction between tidal and residual flows leads to strong chaotic stirring.The good performance of the LSC in a complex application establishes this method as an attractive alternative to the traditional sigma- and z-coordinates.

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O desenvolvimento de actividades balneares, associadas ao turismo e lazer,tem conduzido a inúmeras intervenções para melhoramento e expansão depraias existentes. Mais raramente tem sido encarada a criação de praiasartificiais, em costas rochosas, sendo escassa a informação existente sobrea elaboração deste tipo de projectos.No sentido de contribuir para preencher esta lacuna, desenvolve-se umametodologia estruturada que contempla a análise dos aspectos e problemasdeterminantes da estabilidade de praias artificiais.

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O presente relatório tem como objectivo a descrição da campanha de campo designada porMORFEED IX, realizada no âmbito do Projecto MORFEED (Mophodynamic feedback of estuarinemargins to climate change), financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (contratoPTDC/AAC-AMB/100092/2008).O principal objectivo do projecto MORFEED consiste no desenvolvimento de um modeloconceptual que traduza a resposta das margens estuarinas a diferentes cenários de alteraçõesclimáticas. Com vista à prossecução deste objectivo foi seleccionado o estuário do Tejo como localde estudo.Neste projecto participam o Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), que coordena, ea Fundação da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FFCUL) através dos centros deinvestigação Instituto Dom Luís (IDL), Centro de Geologia (CGUL) e Centro de Oceanografia (CO).A campanha de campo MORFEED IX realizou-se na Póvoa de Santa Íria (imediações doparque industrial da Solvay), margem direita do Estuário do Tejo, durante a manhã do dia 23 deJulho de 2012.

O trecho compreendido entre a foz do Douro e o cabo Mondego apresenta o maisacentuado processo de evolução da costa portuguesa, com erosões a sul deEspinho e a sul da embocadura da Ria de Aveiro e acumulação a norte destaembocadura. A comparação de linhas de água de diferentes datas, complementadacom a estimativa dos balanços de areia resultantes de perdas e ganhos ocorridosnas fronteiras norte e sul e no interior das três zonas referidas permitiu: quantificaras áreas e volumes perdidos pelo trecho de costa; caracterizar a evolução edistribuição espacial dessas perdas ao longo tempo; e interpretar de formaquantificada os processos de erosão e acumulação ocorridos entre a foz do Douro eo cabo Mondego.

Este estudo enquadra-se na área da investigação científica da dinâmica litoral e visa melhorar aavaliação e previsão da vulnerabilidade/resiliência de sistemas dunares, que constituem a maisimportante defesa natural costeira na interface terra-mar, à acção das ondas em condições detempestade marítima caracterizadas por fortes ventos, baixas pressões atmosféricas e curta duração(horas a dias). O objectivo do estudo foi avaliar o desempenho do modelo XBeach, com elevadopotencial para erosão de praias e dunas, relativamente a um dos modelos mais eficazes nesta área,vastamente aplicado a nível mundial em projectos de investigação e consultoria, o modelo Litprof (DHI,2008) do sistema de modelação Litpack. A avaliação do desempenho dos modelos foi feita com base nacomparação da evolução morfológica e em indicadores de desempenho e erro. Apresentam-se ediscutem-se os parâmetros de calibração por defeito (standard set of parameter settings) em ambos osmodelos com os quais se reproduziu o desenvolvimento de um perfil de erosão do tipo barra-fossaobtido em canal de grande escala de laboratório. Com base nas conclusões da avaliação dedesempenho dos dois modelos para estas condições (parâmetros por defeito), recomenda-se que,apesar do indicador de erro utilizado (BSS) apontar para um melhor desempenho do modelo XBeach,seja o modelo Litprof a aplicar num problema de engenharia uma vez que a geometria do perfil é a quemais se aproxima do perfil observado e a erosão da face de praia é sobrestimada, estando assim dolado da segurança. Realizou-se um conjunto de testes aos parâmetros de calibração para os doismodelos e concluiu-se que os parâmetros mais influentes na evolução morfológica foram break,gammax, facua e lws, no caso do modelo XBeach, e Gamma2 e scale parameter , no caso do modelo Litprof. Osparâmetros facua e lws do modelo XBeach foram aqueles que conferiram ao perfil final uma geometriamais próxima da configuração barra-fossa observada. Dos testes aos parâmetros de calibraçãorealizados concluiu-se que ambos os modelos reproduzem o desenvolvimento da barra submersacaracterístico do perfil de erosão, mas foi o modelo Litprof que apresentou o melhor desempenho.

Este estudo enquadra-se na área da investigação científica da dinâmica litoral e visa melhorar aavaliação e previsão da vulnerabilidade/resiliência de sistemas dunares à acção das ondas em condiçõesde tempestade marítima. O objectivo do estudo foi avaliar o desempenho dos modelos XBeach (comelevado potencial para erosão de praias e dunas) e Litprof do sistema de modelação Litpack (um dosmodelos mais eficazes nesta área, vastamente aplicado a nível mundial em projectos de investigação econsultoria) na erosão de dunas. Testaram-se os modelos para um caso de verificação de erosão deduna realizado em canal de grande escala de laboratório. A avaliação do desempenho dos modelos foifeita com base na análise da evolução morfológica e em indicadores de impacto (volume de erosão,recuo da duna e recuo do topo da duna) e de erro (Brier Skill Score). Apresentam-se e testam-se osparâmetros por defeito (standard set of parameter settings) para ambos os modelos. Da avaliação dedesempenho dos dois modelos com os parâmetros por defeito concluiu-se que o desempenho do modeloXBeach é razoável e do modelo Litprof é fraco. Recomenda-se que numa aplicação de engenharia paraprevisão da erosão de dunas, em que importa não só a precisão como também estar do lado dasegurança, o modelo XBeach com os parâmetros por defeito deve ser usado com precaução, uma vezque o volume de erosão foi subestimado. Apresentam-se, discutem-se e testam-se os parâmetros decalibração para ambos os modelos. Concluiu-se que os parâmetros mais influentes na evoluçãomorfológica foram: beta, break, facua, gammax, hswitch, lws e wetslp, para o modelo XBeach eMaximum Angle of Bed Slope, para o modelo Litprof. Os parâmetros lws e wetslp do modelo XBeachforam aqueles que conferiram ao perfil final uma geometria mais próxima da configuração observada. Osresultados obtidos para o indicador de erro BSS evidenciam que o melhor desempenho foi obtido comalteração do parâmetro lws e que o segundo melhor desempenho foi obtido com a alteração doparâmetro wetslp, sendo a ambos atribuída a classificação de excelente. Uma vez que a alteraçãomorfológica alcançada com a modificação do parâmetro lws permitiu melhorar a previsão das duascaracterísticas fundamentais sob o ponto de vista da engenharia que são o recuo do topo da duna e olimite da extensão da zona activa (onde se observou a formação da barra submersa durante aexperiência), considera-se que este parâmetro é de grande relevância na simulação da evolução daerosão de dunas com o modelo XBeach. No seu melhor desempenho o modelo Litprof calibradoreproduziu correctamente o recuo do topo da duna, simulou a formação de uma barra submersa naposição observada experimentalmente, simulou incorrectamente o volume de erosão (cerca de metadedo observado) e o declive da duna, e consequentemente gerou um avanço da duna ao nível do mar emvez de recuo. Por este motivo recomenda-se precaução na aplicação do modelo Litprof para previsão daerosão de dunas. Verificou-se também que a teoria de onda não foi relevante na evolução do perfil nestecaso de estudo. Da comparação dos modelos morfodinâmicos XBeach e Litprof nas duas fases, i.e., nafase de teste com os parâmetros por defeito e na fase de calibração, concluiu-se que foi o modeloXbeach que apresentou o melhor desempenho neste caso de estudo. A execução deste estudo permitiutestar e ficar a conhecer a elevada capacidade do modelo XBeach e a razoável capacidade do modeloLitprof na previsão da erosão de dunas.

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