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Astudy has been conducted to provide updated estimates (period 1980-2000) of the transfer of sedimentary materialfrom the Guadiana river (SW Europe) to the coastal ocean, focusing on the role played by the estuarine system. Thedischarge of fine suspended sediment from the river to the estuary has been calculated based on measured data andcompared with previous estimates. Numerical models of cohesive and non-cohesive sediment transport have beenused to provide order of magnitude estimates of sediment fluxes from the estuary to the continental shelf for differentfreshwater flow scenarios. Episodic flood events play a crucial role in the discharge of sediment from the Guadianariver to the coastal ocean. Apparently, the estuary retains only a minor share (about 10%) of the total amount of finegrainedsediment produced in the drainage basin, which is presently estimated at 0.5-1.5 x 10 t year . Based on thecalculation of sediment transport capacities, it is estimated that the order of magnitude of the transfer of sand fromthe estuary to the coastal region is 0.1 x 10 m year , which seems in agreement with the recent pattern of shoreline

This paper investigates the effect of natural and artificial morphological changes in a tidal inlet on the tidal propagation and on the water exchanges with the sea, through data analysis and numerical modeling. Bathymetric and tidal data reveal a strong seasonal signal, as a result of the changes in the relative importance of tidal and wave action: during the maritime winter the M2 tidal amplitude decreases by 50% and flood dominance increases. This trend is reverted during maritime summer, and tidal amplitudes can be further enhanced by dredging of the inlet.Hydrodynamic and residence time (RT) simulations were set up for three different bathymetric configurations of the lower lagoon, representative of distinct situations. Hydrodynamic results confirmed that tidal propagation depends strongly on the bathymetric configuration. At the transitions between channels, tidal energy losses occur and flooddominance increases. Dredging the channels and repositioning the inlet throat improve tidal propagation and promote sediment flushing to the sea.The spatial variability of RTs was evaluated through the integration of individual particle results in morphologically relevant units, while time variability was examined within the tidal and neap/spring cycles. Residence times depend heavily on the morphological changes associated with both dredging operations and inlet migration, and on the particle releasetime, both within the tidal cycle and within neap/spring cycles. The relative importance of each of these factors depends on the particle location within the lagoon. The upstream regions of the lagoon have very large RTs (years), as a result of the small tidal amplitudes and velocities. In some of these regions, RTs vary by a factor of 4 depending on the bathymetry ofthe inlet. In the lower lagoon, tidal amplitude also has a significant effect on RTs. Dredging the channels and repositioning the inlet throat from the southern margin to a central position improves the flushing of both southern and northernchannels.

Hydrodynamics, salinity intrusion and stratification in the Guadiana estuary were characterized using two- and three-dimensional models for fresh water flows covering the range of monthly averaged river flows for dry to wet years. Two- and three-dimensional circulation model results were then used to investigate the flushing properties of the lower estuary for passive organisms and for organisms with vertical migration capabilities, respectively. Stratification can occur in the Guadiana estuary for river flows as small as 10 m3 s-1, depending on the tidal amplitude.For homogeneous or weakly stratified conditions, salinity can be found upstream of Alcoutim (km 40) during neap tides, and extends even furtherfor spring tides. For a river flow of 10 m3 s-1, euhaline conditions reach 25 km upstream of the mouth during spring tides. For larger riverflows, the region under stratified conditions is located in the downstream 10 km, and its extent depends mainly on the tidal phase. For river flowsbetween 50 and 300 m3 s-1, salinity intrusion does not extend beyond km 20. As the river flow increases, the upper limits of the several halineregions approach one another, creating a lower estuary where salinity conditions have a wide range of horizontal variability. Residence times of passive organisms in the lower Guadiana estuary depend on the magnitude of the river flow, tides and other mechanisms, varying from a fewhours to 60 days in the range of river flows considered. The variability of residence times with different environmental conditions is similar for all river flows, the upper limit of residence times being about one order of magnitude larger than the lower limit. For river flows above 200 m3 s1, both limits of residence times are small (from a few hours to a few days), showing the dominant role of river flow in these conditions.However, active organisms, with vertical migration capabilities, can remain inside the Guadiana estuary under strong river flows, by taking advantage of the phase lag along the vertical profiles of velocity under stratified conditions. Permanence conditions improve for organisms located in the main channel, due to the larger stratification in deeper areas. The tidal amplitude also plays an important role, spring tides being more favourable to permanence than neap tides.

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Internal solitary waves (ISWs), travelling towards the South South-West (SSW), are now well documented in the northern and central Bay of Biscay. These are formed from large-amplitude internal tides which result from the interaction of the barotropic tide with the steep shelf-break topography. In the present paper, we investigate available satellite imagery (Synthetic Aperture Radar (SAR) and ASAR data) to reveal that the southern Bay of Biscay is also a hotspot region which has a high level of ISW activity. Here, the ISWs travel towards the East North-East from the Cape Finisterre region off North-West Spain. In fact, we reveal the presence of two wave-trains travelling in slightly different directions (0551T and 0401T). By calculating the strength of the barotropic tidal forcing in the region, and identifying the likely propagation pathways (rays) of internal tidal (IT) energy, we identify the generation sites for these wave-trains as lying on either side of the Ortegal Promontory (OP). This is an undersea headland projecting towards the North-West from the north-western coast of Spain (near 441N, 8.51W), and over which the barotropic tides are forced to flow. For each generation site, IT rays emanating from critical topography (where the ray slope is equal to the topographic slope) in regions of strong barotropic forcing, rise to the surface (for one site after a reflection from the sea-floor) and pass through the thermocline close to the earliest occurrences of the ISWs in the respective wave trains. These rays would then produce, through nonlinear processes, the ISWs through the same local generation mechanism that has been used to explain the occurrence of the ISWs in the northern and central Bay. The local generation mechanism may therefore be more widely applicable than previously thought. In addition, the methods we have used to deduce the generation sites for these waves are expected to prove equally useful for studies in other areas of the world s oceans.

Sand transport models are often based on semi-empirical equilibrium transport formulae that relate sediment fluxes to physical properties such as velocity, depth and characteristic sediment grain sizes. In engineering applications, errors in these physical properties affect the accuracy of the sediment fluxes. The present analysis quantifies error propagation from the input physical properties to the sediment fluxes, determines which ones control the final errors, and provides insight into the relative strengths, weaknesses and limitations of four total load formulae (Ackers and White, Engelund and Hansen, van Rijn, and Karim and Kennedy) and one bed load formulation (van Rijn).The various sources of uncertainty are first investigated individually, in order to pinpoint the key physical properties that control the errors. Since the strong non-linearity of most sand transport formulae precludes analytical approaches, a Monte Carlo method is validated and used in the analysis. Results show that the accuracy in total sediment transport evaluations is mainly determined by errors in the current velocity and in the sediment median grain size. For the bed load transport using the van Rijn formula, errors in the current velocity alone control the final accuracy. In a final set of tests, all physical properties are allowed to vary simultaneously in order to analyze the combined effect of errors. The combined effect of errors in all the physical properties is then compared to an estimate of the errors due to the intrinsic limitations of the formulae. Results show that errors in the physical properties can be dominant for typical uncertainties associated with these properties, particularly for small depths.A comparison between the various formulae reveals that the van Rijn formula is more sensitive to basic physical properties. Hence, it should only be used when physical properties are known with precision. Keywords: Sediment transport models; Sensitivity analysis; Uncertainty analysis; Monte Carlo method

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The development of a regional tidal model for the Iberian Atlantic coast is described. Preliminary results show that the known behavior of tides in this area is reproduced. Comparison with data at ten tidal stations demonstrates the good accuracy of the models, with average root mean square errors of elevations below 7 cm.

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A hyperbolic numerical model based on the mild-slope equation is used to investigate wave transformation over the complex bottom geometry of the Tagus estuary entrance, where wave transformation is due to the simultaneous occurrence of the processes of refraction, diffraction, reflection and breaking. Wave climate analysis is obtained for a vital area, the access to the port of Lisbon, where there is no field data available. Model results reveal the sheltering effects of the existent submerged sand bars in the estuary entrance for the most energetic waves entering through the navigation channel. High frequency incoming waves, with lower energy, are less susceptible to dissipate energy through the process of wave breaking over the bars, thus causing higher disturbance into the channel.

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Apresenta-se uma metodologia para optimização de estratégias de imersão de dragados não contaminados em estuários. A metodologia utiliza um modelo numérico de elevada precisão para a simulação das trajectórias de partículas individuais de sedimento, desde o seu lançamento até à sua deposição. Os resultados das simulações de um elevado número de partículas são integrados estatisticamente, de modo a optimizar as condições de lançamento, em função do tipo de sedimento e do local e instante de lançamento. A aplicação da metodologia é ilustrada para o estuário do Tejo. A análise evidencia os diferentes comportamentos dos sedimentos finos e grosseiros, devido aos processos que dominam o seu transporte: os sedimentos grosseiros tendem a depositar-se rapidamente, enquanto o movimento dos sedimentos finos é controlado pelo transporte difusivo, depositando-se longe do local de imersão. Apesar da vasta gama de granulometrias de sedimentos neste estuário, demonstra-se ser suficiente ensaiar apenas duas velocidades de queda para representar o comportamento dos vários tipos de sedimentos. Palavras Chave: Imersão de dragados. Modelos de partículas. Estuário do Tejo. Sedimentos. Gestão Costeira.

This paper describes the implementation and testing of three adaptive grid techniques for the vertical structure of shallow water models. The techniques are based on an r-method in which the nodes are moved vertically based on velocity gradients, velocity differences and residuals. The performance of the three methods is compared in a one-dimensional simulation of a stratified tidal flow in which the picnocline moves vertically during the tidal cycle.The method based on velocity gradients is the most accurate and robust, reducing the errors by over 50% relative to fixed grids. CPU costs for the best adaptive grids are only 5% larger than for fixed grids.

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We examine the generation of mass errors in depth-averaged finite element hydrodynamic simulations in coastal systems, and their impact on the mass conservation of Eulerian-Lagrangian transport solutions. The analysis is conducted both with a controlled synthetic test and a complex estuary. We find bathymetric gradients and complex boundaries, typical features of most estuaries, to be the primary sources of local flow mass errors. There is a strong correlation between flow and transport mass errors, which leads to very severe transport mass imbalances for typical horizontal resolutions in coastal applications. Grid refinement is shown to improve mass conservation both on flow and transport simulations. Key Words: Flow mass conservation. Transport mass conservation. Eulerian-Lagrangian methods. Shallow Water Models. Numerical experimentation.

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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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