Publicações

A morfologia, a hidrodinâmica, a dinâmica sedimentar e a qualidade da água do estuário do rio Ave foram caracterizadas através da compilação e análise de dados históricos, da colheita e análise de sedimentos de fundo e da aplicação de modelos numéricos.O caudal fluvial controla em grande parte a hidrodinâmica porque o prisma de maré é restringido pela reduzida dimensão do estuário, em largura e em comprimento (a propagação da maré é limitada por açudes). A fraca intensidade das correntes de maré provoca condições deficientes de auto-manutenção de profundidades na embocadura, agravadas pelo constante afluxo de areia proveniente da praia a sul. Na zona superior do estuário, os sedimentos predominantemente silto-argilosos são responsáveis por taxas de sedimentação moderadas em zonas abrigadas. A qualidade da água afluente ao estuário é má, com níveis muito elevados de coliformes, fosfatos e matéria orgânica (CBO5), o que é agravado pelo lançamento de águas residuais no próprio estuário.

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Three alternative methods to remove oscillations in two-dimensional Eulerian-Lagrangian salt transport simulations are compared: a Flux-Corrected Transport (FCT) scheme, a non-linear filter (NLF) and the explicit introduction of diffusion. The three formulations are implemented in a high-accuracy Eulerian-Lagrangian model (ELM), and are applied to the salinity propagation in the Guadiana estuary (Portugal). This test allows both for a stringent comparison in a real setting where adequate field data is available, and to assess the practical consequences of the choice of the numerical scheme. The evaluation of the schemes confirms a previous analysis showing that the FCT-based method provides the best results, closely followed by the non-linear filter. For these methods, oscillations are removed with minimal numerical damping, and the agreement with field data is good. The performance of the base model with non-zero diffusion coefficients is case-dependent, improving its results as the mixing of the front increases due to larger river flows. For the Guadiana estuary, the choice of the numerical scheme is crucial: important indicators, such as the domain-integrated residence time and the limit of salinity intrusion, may have errors up to 25%, if an artificially diffusive method is used to avoid numerical oscillations.

Barotropic tides in the Iberian Atlantic shelf were simulated using a finite element model. The model was validated with data from twelve coastal gauges. The model reproduces the known behavior of semi-diurnal tides, which propagate northward as Kelvin waves, and predicts the existence of amphidromes in the Strait of Gibraltar for the diurnal waves. Model results were then used to specify boundary conditions for a tidal model of the Guadiana estuary. Results show that the spatial variability of tidal boundary conditions in estuarine models can be necessary for the accurate representation of the mixing between estuarine and ocean waters.

An improvement on the simulation of outgoing waves on a time dependent numerical model for water wave propagation in the nearshore region is presented. The governing equations consist of a system of first order partial differential equations (PDEs), the equation of continuity and the equation of motion. A comparative study of first order radiation boundary conditions (BCs) and first order radiation BCs combined with sponge layers is presented for cases where outgoing waves leave the numerical domain of calculation through the open boundary. A reduction of spurious reflections from the numerical open boundaries can be obtained with an irrelevant increase in terms of computational cost.

This paper investigates the generation of flow mass errors in finite element shallow water models and the effect of these errors in the mass conservation of Eulerian-Lagrangian transport simulations. Flow mass errors are shown to be similar for several primitive and wave equation formulations. These errors occur primarily in areas of steep bathymetric gradients and near complex boundaries. Forcing Eulerian-Lagrangian transport simulations with nonconservative flow fields generates important mass imbalances, which can be mitigated by refining the flow grid.Comparatively, refining the transport grid only reduces marginally the mass errors.

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A two-dimensional simulation of wave propagation is used to investigate wave transformation over the complex bottom geometry of the Tagus estuary entrance. The application of a hyperbolic numerical model based on the mild-slope equation in such large coastal area, where wave transformation is due to the simultaneous occurrence of the processes of refraction, diffraction, reflection and breaking, is done for the first time.Wave climate analysis is obtained for a vital area, the access to the port of Lisbon, where there is no field data available. Like in other coastal areas worldwide, navigation routes and strong currents are an obstacle to find strategic locations for wave-rider stations. Model results reveal the sheltering effects of the existent submerged sand bars in the estuary entrance against small frequency wave energy entering through the navigation channel. High frequency incoming waves are less susceptible to dissipate energy through the process of wave breaking over the bars, thus causing higher disturbance into the channel.

The efficient resolution of the boundary layers occurring in geophysical flows has motivated the search for criteria to optimize the vertical nodal placement in three-dimensional shallow water models. This paper describes the implementation and testing of an adaptive grid technique for the internal mode of shallow water models. The technique uses an r-method in which the nodes are moved vertically based on the velocity gradients between consecutive nodes. One-dimensional tests show that the method behaves well in tidal- and wind-driven flows, both in well-mixed and stratified conditions. Average accuracy improvements of 50% were obtained relative to uniform grids, with a 15% CPU time increase. The adaptive technique accounts accurately for the space and time variability of the flow, thus being attractive for any type of problem. Furthermore, the technique does not require an a priori knowledge of the flow conditions, thus simplifying greatly the modeling procedure. Keywords: adaptive grid, shallow water model, three-dimensional, vertical discretization.

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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.

O objectivo do presente trabalho foi o estabelecimento de um modelo matemático do fenómeno da refracção das ondas de gravidade, apoiado num pro¬grama cálculo automático bastante aperfeiçoado e enquadrado por uma técnica de utilização prática que permitisse a resolução rápida dos problemasinerentes ao cálculo de um conjunto de diagramas de refracção, independentemente do número de ondas monocromáticas a analisar.Numa primeira parte, apresentam-se algumas considerações sumárias so¬bre o método de estabelecimento do programa de cálculo e sobre a necessidade de se dispor de um modelo matemático de refracção. A segunda parte é dedicada ao estudo do fenómeno da refracção das on¬das de gravidade e seu tratamento numérico. No Cap.3 indicam-se, de forma Muito sintética, os fundamentos da teoria das ondas de pequena amplitude sendo deduzidas as principais expressões utilizadas no estudo da refracção. É apresentada a teoria da refracção de uma onda sinusoidal, sendo abordado um vasto leque de problemas tais como os aspectos energético e geométrico da refracção, as soluções analíticas para fundos algébricos, as zonas de convergência e cáusticas, a refracção por efeito de correntes, e as aproximações da teoria da refracção. Por último criticam-se os métodos gráficos habituais de cálculo de planos de ondulação. No Cap. 4 são deduzidas as equações de base do tratamento numérico da refracção das ondas sinusoidais como um problema de valores iniciais. No Cap. 5 são apresentadas as dife¬rentes técnicas de cálculo e de interpolação das principais grandezas di¬rectamente ligadas a obtenção de uma ortogonal e dos sucessivos valores da amplitude relativa da onda. São indicados os métodos numéricos de integração das equações diferenciais do raio de onda e do coeficiente de afasta¬mento de ortogonais. E feita referencia a técnicas de alisamento da batimetria. Em todos os casos são apresentados os métodos utilizados no LNEC as¬sim como outros referidos na bibliografia. No Cap. 6 são indicadas, para os vários programas preparados no LNEC, as técnicas de cálculo e de inter¬polação e os métodos numéricos de integração usados. São apresentadas, de uma forma exaustiva, todas as verificações dos programas levadas a cabo após o seu estabelecimento, designadamente a verificação analítica e a comparação dos resultados obtidos com os métodos numéricos e gráficos para fundos ir¬regulares. No âmbito da verificação dos programas é ainda feita referência a resultados obtidos por outros autores e a ensaios em modelo reduzido. Por último tiram-se conclusões sobre a escolha dos programas a lançar em exploração.A terceira e última parte é consagrada à análise do actual programa de cálculo de diagramas de refracção. Assim, no Cap. 7 indicam-se, em li¬nhas muito gerais, o tipo de dados a fornecer, as hipóteses de exploração do programa e o seu modo de funcionamento; é ainda feita uma análise da estrutura do programa, relativamente pormenorizada. 0 Cap. 8 é consagrado à discrição da forma de utilização prática do programa, sendo discutidas as perspectivas de custo da sua utilização cobrindo todas as hipóteses de exploração do programa, ilustrados com os dados e resultados respectivos. No Cap. 9 apresentam-se as conclusões do trabalho e indicam-se as linhas de orientação a seguir no que respeita ao aperfeiçoamento do modelo matemático da refracção e ao estabelecimento de outros modelos matemáticos dependentes ou não daquele.0 texto principal de dissertação encerra-se com 96 referencias bibliográficas, correspondentes aos principais trabalhos consultados pelo autor, na realização do presente estudo; esta bibliografia refere-se a Abril de 1975. Em Anexo no Apêndice I, apresentam-se os elementos referentes aos programas inicialmente estabelecidos no LNEC e cujo aperfeiçoamento posterior conduziu ao programa actualmente em exploração. São indicados, em linhas gerais, as formas possíveis de exploração daqueles programas, o seu modo de funcionamento e os dados a fornecer. É feita uma análise de pormenor da es¬trutura dos programas, sendo descrita a sua forma de utilização prática, e apresentados vários exemplos de aplicação ilustrados com os dados e resul¬tados respectivos. São indicadas algumas verificações efectuadas a estes programas.

0 caminhamento das areias ao longo das costas marítimas é regulado por leis ainda incompletamente apreendidas, mas cujo conhecimento cada vez mais perfeito se torna indispensável no projecto e ensaio em modelo reduzido de grande parte das obras destinadas a solucionar problemas de hidráulica marítima.Começa-se neste trabalho por caracterizar, sob os pontos de vista hidrodinâmico e de movimentação aluvionar, a orla costeira, zona em que o transporte litoral se processa, abordando-se a seguir o aspecto prático mais importante do fenómeno, ou seja, a previsão dos caudais sólidos a partir das características das ondas e do material móvel que forma a praia.Com este último objectivo analisa-se o conjunto dos dados experimentais disponíveis, segundo uma perspectiva baseada na análise dimensional do fenómeno, para a seguir se proceder a um estudo experimental focado sobre a influência do peso específico e do diâmetro do material móvel.Apresentam-se ainda, em anexo, os conceitos básicos respeitantes às correntes longitudinais, fenómeno que teve também de ser objecto de um estudo aprofundado, por estar intimamente relacionado com o transporte sólido litoral.

Este trabalho constitui um estudo em extensão sobre as característi¬cas mais importantes dos perfis transversais das praias e sobre a evolução resultante da actuação da ondulação. Pretendeu-se assim obter um conhecimento geral sobre este assunto, de modo a permitir, por um lado, o melhor planeamento dos trabalhos marítimos e, por outro, uma melhor interpretação dos modelos reduzidos de fundo móvel.Utiliza-se neste trabalho uma nomenclatura original em língua portuguesa, na tentativa de estabelecer uma equivalência com os termos consagrados na literatura siglo-saxónica.Dentro do esquema geral acima enunciado, são estudadas com maior atenção: o mecanismo da movimentação dos materiais nos fundos; a evolução so¬frida pelos perfis em resultado da actuação das ondas e destas em conjugação com as marés; as características da faixa de rebentação das praias; e as variações da granulometria do material móvel.Quanto à movimentação dos materiais em fundos de maior profundidade, apresenta-se uma interpretação sobre as profundidades a que se inicia o transporte dos sedimentos e o sentido desse transporte.Em relação à evolução dos perfis descrevem-se as suas fases mais significativas, quer para o caso de ondas de período e altura crescentes como decrescentes. Introduzem-se os conceitos de perfis de máxima erosão e máximo enchimento.

O presente trabalho baseia-se num estudo experimental sobre o funcionamento hidráulico de esporões marítimos no caso em que estes limitam troços de praia que se comportam, na sua evolução, como unidades fisiográficamente independentes. Pretende-se, com este estudo, contribuir para o conhecimento do mecanismo de evolução de praias em que são construídos campos de esporões, com vista ao projecto de dispositivos funcionais deste tipo de defesa costeira. Acessoriamente, tirando partido dos esporões como meio de medição do caudal sólido litoral, fa¬zem-se algumas considerações sobre as relações existentes entre o transporte litoral e as características da onda actuante.O relatório é constituído pelas seguintes partes : a Introdução, em que se define o objectivo do estudo e as suas características; o capítulo I, em que se apresentam noções gerais sobre esporões; o Capi¬tulo II, em que se dá conhecimento do estudo experimental realizado, definindo o seu planeamento, a tecnologia experimental, as características dos ensaios realizados, a interpretarão dos resultados obtidos e as conclusões; o Capitulo III, que diz respeito a casos reais de emprego de esporões, em que, após umas generalidades, se apresentam as principais características das obras de defesa da Cova do Vapor - Costa da Caparica, do campo de esporões da praia de Espinho e do esporão da praia do Estoril, finalizando com algumas conclusões; o Capítulo IV em que se apresentam considerações sumárias sobre caudal sólido litoral, as quais compreendem algumas generalidades, considerações teóricas, resultados experimen¬tais, observações na natureza e conclusões; finalmente, as Conclusões Finais, onde se agrupam todas as considerações do estudo que se julgam de primordial interesse.

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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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