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The effects of tidal flats on the hydrodynamics of the Tagus estuary are analysed using an accurate high-resolution shallow water model, supported by field data. Tidal flats act mainly as filters, rather than sinks, transferring energy from astronomic to non-linear frequencies. Tidal flats also play a major role in determining the strong resonance mode that amplifies semi-diurnal constituents.We show that the upper estuary, with extensive tidal flats, has an increasing accretion rate. This "filling-up" results from a positive feedback between sediment deposition and the hydrodynamics: accretion in the upper estuary increases the duration of ebbs, decreasing sediment flushing, and further increasing accretion.

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An efficient numerical model of the mild-slope equation, describing water wave propagation (combined refraction-diffraction), based on robust iterative methods is presented. The elliptic formulation (boundary value problem) of the governing equation is selected for numerical treatment because it is particularly suited to complex wave fields like those encountered inside harbours. The requirement that the computational model be capable of dealing with large problem domains is addressed by implementing and testing two iterative solvers, both belonging to the family of Krylov subspace methods. The two solvers are based on the Stabilised Bi-Conjugate Gradient Method (Bi-CGSTAB) and the Generalised Minimum Residual (GMRES) method. The performance characteristics of the solvers are established using results for two standard test cases widely used as benchmarks in coastal modelling. It is shown that the Bi-CGSTAB algorithm has a considerably better convergence rate than the GMRES algorithm and, moreover, it is faster and more efficient than other published methods for the same problem.

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We investigate the effect of tracking errors on the accuracy and stability of Eulerian-Lagrangian methods (ELMs) for the solution of the transport equation. A combination of formal analysis and numerical experimentation demonstrates that the effect is severe. Even moderate tracking errors substantially affect the preservation of the zeroth, first and second moments of concentration ( mass, phase and diffusion) and may lead to the instability of otherwise stable and very accurate ELMs. The use of accurate tracking algorithms is strongly recommended for Eulerian-Lagrangian simulations involving complex flows. Key Words: Transport equation. Eulerian-Lagrangian methods. Tracking methods. Mass conservation. Numerical experimentation. Accuracy

Three-dimensional simulations of barotropic tides are used to investigate the complex circulation at the mouth of the Tagus estuary. Comparison with field data shows that elevations are well represented in the main area of interest, but velocities are slightly over-predicted due to a simplified treatment of intertidal flats. Model results show the existence of strong velocity phase lags (up to 1.75 hours for the semi-diurnal constituents) between the shallow areas and the deep channel. These phase lags are partially responsible for the generation by advective accelerations of a strong residual velocity field (velocities reach 0.5 m/s -1) with well defined eddies. The interaction between the residual and tidal velocity fields in turn generates strong chaotic stirring.Localized sigma coordinates (LSC), a recently proposed method which allows the number of nodes per vertical to vary horizontally, are used for the first time in a three-dimensional application. A previously proposed criterion for the horizontal distribution of the total number of vertical nodes is shown to be inadequate when advective accelerations are important. However, with an alternative criterion, the use of LSC reduces maximum errors by a factor of two relative to traditional sigma coordinates.

The variability of estuarine residence times is elucidated through accurate, diagnostic numerical tracking of a large number of particles, complemented with statistical analysis. Residence times are shown to have strong spatial and temporal variability, which is accentuated by exchanges between the estuary and the coastal ocean due to chaotic stirring at the mouth. The concept of a single residenc time per estuary, while convenient from both ecological and engineering viewpoints, is therefore shown to be an oversimplification. Maps of residence times and cumulative histograms are examined as alternatives. The former are attractive only for once-through tracers, while the latter appear useful over a broader range of tracer characteristics. Key Words: Residence Times Tejo estuary

Evaluating horizontal gradients in three-dimensional shallow water models that use bottom-following sigma coordinate can lead to large errors near steep bathymetry. A technique that has been proposed to minimize this problem involves computing horizontal gradients in cartesian coordinates, while treating all other terms in a sigma-coordinate framework. We study this technique through both truncation error analysis and numerical experimentation, and compare it to the direct application of sigma coordinates. While the cartesian coordinate method can be more attractive when horizontal gradients are zero, the sigma coordinate method can be more accurate in other physically relevant situations. Also, the cartesian coordinate method introduces significant numerical diffusion of variable sign near the bottom (where physical diffusion is particularly small), thus potentially leading to instabilities. Overall, we consider the sigma coordinates to be the best approach.

We propose an empirical law for vertical nodal placement in tidal simulations that depends on a single parameter, p. The influence of dimensionless numbers on the optimal value of p is analysed through a series of numerical experiments for an individual vertical, and a single value of p is found to be adequate for all cases. The proposed law can lead to gains in accuracy of over two orders of magnitude relative to a uniform grid, and compares favorably with non-uniform grids previously used in the literature. In practical applications, the most effective use of this law may require each vertical to have a different number of nodes. Criteria for the distribution of the total number of nodes among different verticals are also proposed, based on the concept of equalizing errors across the domain. The usefulness of the overall approach is demonstrated through a two-dimensional laterally-averaged application to a synthetic estuary. Key words: Vertical discretization. Sigma coordinates.Localized sigma coordinates. Tidal flow. Numerical experimentation.

Descreve-se um estudo sobre a evolução morfológica, a hidrodinâmica e a dinâmica sedimentar do estuário do rio Minho, no qual se analisaram os problemas de assoreamento e de erosão do sistema. Numa primeira fase do estudo, efectuou-se: (a) a recolha de informação de base relativa às características do estuário e às diversas intervenções humanas na bacia hidrográfica e no estuário (construção de barragens, extracção de inertes, dragagens); (b) a comparação de cartografia e de levantamentos topo-hidrográficos, datados de 1886 a 2006, e a análise de outros elementos (fotografia aérea, dados de maré), para apreciação da evolução morfológica do estuário; e (c) a identificação das causas mais prováveis, naturais ou humanas, dessa evolução. Numa segunda fase do estudo, efectuou-se a aplicação de modelos matemáticos para: (a) a simulação da hidrodinâmica e da dinâmica sedimentar; e (b) a simulação dos efeitos das intervenções realizadas. Verifica-se que o elevado preenchimento sedimentar do estuário não é um fenómeno recente. Porém, o sistema está sujeito a um processo contínuo de evolução morfológica, que deve ser tido em consideração na gestão do estuário.

Flows in the River Murray were severely reduced between 2000 and early 2010, with the result that freshwater discharges did not reach the sea. During this period, the morphology of the Murray Mouth was strongly controlled by flood dominant tidal asymmetry, coupled with a high-energy offshore wave climate. Constant dredging of incoming marine sediments was required to prevent closure of the mouth and thus ensure the continuation of tidal flushing of the sensitive Coorong coastal lagoon.The mechanisms for the generation of tidal asymmetry in a mixed, mainly diurnal, tidal regime have not previously been well understood. This paper identifies the key drivers and unique factors responsible for the tidal asymmetry and morphodynamics of the Murray Mouth in the absence of freshwater outflows. Results of numerical hydrodynamic and morphodynamic modelling of the Murray Mouth are presented in conjunction with findings from analytical tidal studies.Tidal asymmetry in the Murray Mouth and Coorong coastal lagoon is found to be caused by both cyclic and persistent distortion of the tidal signal. The use of standard relationships between the M2 and M4 tides as asymmetry indicators is shown to be invalid for a mixed tidal regime. Cyclic offshore tidal asymmetry is attributed to relationships between the frequencies of major astronomic driving tides and may be a significant contributing factor to seasonal inlet closure in regions experiencing diurnal or mixed tides. Within the shallow, microtidal lagoon, bathymetry-induced tidal transformations are profound, and inlet and channel configurations have been identified as important controlling factors.

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Owing to the decline of traditional salt production, a large number of saltpans in the Ria de Aveiro, Portugal, arecurrently abandoned and deteriorating. A study was undertaken to characterize the hydrodynamic and sedimenttransport conditions, in order to understand their role in the deterioration of the saltpan walls and to assist in thedevelopment of rehabilitation strategies. In a small tidal channel, samples of surface sediment were collectedboth in a saltpan wall and in the channel axis. Field measurements of water level, velocity, salinity, watertemperature and suspended sediment concentration were made over two tidal cycles. It has been found that thesediment from the saltpan wall consists mainly of silt and clay material (about 80%), with median grain-size ofthe order of 0.018 mm. The sediment collected in the bottom of the channel is much coarser (median grain-sizeof 0.3-0.5 mm). The water levels indicate that tidal propagation between the inlet and the study area is notappreciably affected in terms of amplitude. Velocities showed maximum values of 0.40 m/s in the channel axisand 0.20 m/s near the bottom of the saltpan wall. Salinities (31.3-34.4

Os modelos numéricos, devidamente validados com dados, constituem uma ferramenta atractiva para o apoio à gestão da qualidade da água e do bom estado ecológico em estuários e zonas costeiras. Com este propósito desenvolveu-se um modelo acoplado hidrodinâmicoecológico tridimensional (ECO-SELFE), o qual foi aplicado e validado na Ria de Aveiro para diferentes escalas espácio-temporais. Este modelo permite simular, para os ciclos do carbono, do azoto, do fósforo, da sílica, do ferro e do oxigénio, um conjunto de variáveisecológicas (zooplâncton, fitoplâncton, bacterioplâncton, matéria orgânica, nutrientes, carbono inorgânico dissolvido, oxigénio dissolvido e carência química de oxigénio). O modelo foi validado na Ria de Aveiro por comparação com dados medidos em diferentes períodos doano, que permitiram avaliar o seu desempenho em toda a extensão da Ria e a escalas temporais curtas (ciclo diurno). A validação do ciclo diurno, realizada com dados de campanhas específicas efectuadas no canal de Mira, mostra a capacidade do modelo simularadequadamente a dinâmica ecológica na Ria de Aveiro, com diferenças inferiores a 20-30%. Evidencia também a capacidade do modelode representar os gradientes longitudinais ao longo de um ciclo diurno. A análise da influência das cargas de nutrientes afluentes e dos caudais fluviais realçou a importância destes últimos (em interacção com outros processos físicos) na variação da concentração de clorofila a nos vários canais da Ria. Os resultados mostram ainda a importância da especificação correcta das condições de fronteira e da parametrização dos processos ecológicos.

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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.

The final technical report of the project

The present report summarizes the field campaigns of the project MOSAIC.pt, performed between January and March 2019 in the Cova-Gala, Vieira and São Pedro de Moel beaches, located in the Portuguese west coast. The campaigns aimed to characterize the response of the beaches, with diverse typology, to the hydrodynamic forcing and included topographic surveys by GNSS-RTK, drone surveys, superficial sediment sampling and the report of the territorial elements affected.

The present report summarizes the 6th field campaign of the project UBEST, performed in the Tagus estuary on November 6, 2018. This campaign was the third in the Tagus estuary and was representative of autumn conditions. Seven stations were chosen along the estuary. In situ measurements of temperature, salinity, pH and dissolved oxygen were carried out and water samples were collected to determine in laboratory the concentration of nutrients, chlorophyll a, total suspended solids, and confirm dissolved oxygen and pH on samples where pH sensors were not available. The data acquired will contribute to a better understanding of the biogeochemical functioning of the Tagus estuary and to calibrate and validate numerical models (hydrodynamic and biogeochemical), that will attempt to predict the response of the estuary to future scenarios of climate change and anthropogenic inputs.

The present report summarizes the 4th field campaign of the project UBEST, performed in the Tagus estuary on May 10, 2018. This campaign was the first in the Tagus estuary and was representative of spring conditions. Seven stations were chosen along the estuary where in situ measurements of temperature, salinity, pH and dissolved oxygen (% and mg/L) were carried out and water samples were collected to determine in laboratory the concentration of nutrients, chlorophyll a, total suspended solids, and confirm dissolved oxygen and pH on samples where pH sensors were not available. The data acquired will contribute to better understanding the biogeochemical functioning of the Tagus estuary and to calibrate and validate numerical models (hydrodynamic and biogeochemical), that will attempt to predict the response of the estuary to future scenarios of climate change and anthropogenic inputs.

The present report summarizes the 5th field campaign of the project UBEST, performed in the Tagus estuary on September 27, 2018. This campaign was the second in the Tagus estuary and was representative of summer conditions. Seven stations were chosen along the estuary. In situ measurements of temperature, salinity, pH and dissolved oxygen (% and mg/L) were carried out and water samples were collected to determine in laboratory the concentration of nutrients, chlorophyll a, total suspended solids, and confirm dissolved oxygen and pH on samples where pH sensors were not available. The data acquired will contribute to a better understanding of the biogeochemical functioning of the Tagus estuary and to calibrate and validate numerical models (hydrodynamic and biogeochemical), that will attempt to predict the response of the estuary to future scenarios of climate change and anthropogenic inputs.

This report describes the design and installation of the Parque das Nações online monitoring station and the procedures relative to its maintenance and data verification undertaken between January 2016 and February 2017. This station is equipped with a SEBA MPS D3 multiparameter probe, which measures water levels, conductivity and water temperature, and a SEBA Slimcom2 data logger, for data acquisition and transmission. The data acquired during the period to which this report refers are also briefly presented. This monitoring station is under operation in the scope of the projects H2020 BINGO and FCT UBEST.

O presente estudo tem como objetivo caracterizar o regime de agitação marítima na zona costeira entre as embocaduras dos rios Mondego e Lis no período 1952-2010. Enquadra-se no âmbito de um estudo mais alargado, cujo objetivo é o estudo da dinâmica sedimentar costeira e a previsão da evolução futura da linha de costa do mesmo trecho.A série cronológica compreende 59 anos de dados, de 1952 a 2010, resultando num total de 86200 trios de valores para os parâmetros Hs, Tp e Dir, indissociáveis na caracterização do regime de agitação marítima. Numa primeira fase, estimam-se as frequências de ocorrência relativas destes parâmetros por classes de intervalos semiabertos no limite superior e com amplitudes 0.50 m, 2 s e 10º, respetivamente, sendo consideradas para as direções escalões de 5º quando se justifica maior pormenor. São analisados os parâmetros estatísticos média, desvio-padrão, mínimo e máximo, e 1º, 2º e 3º quartis das séries temporais destes três parâmetros, correspondentes aos regimes geral e sazonais. A sazonalidade considerada tem por base o inverno marítimo, de outubro a março, e o verão marítimo, de abril a setembro, e a mensalidade, na qual a análise incide sobre cada mês individualmente e na inter mensalidade.Concluiu-se que a zona de estudo está sujeita a um regime geral de agitação marítima de elevada energia caracterizado por uma forte sazonalidade. Com características médias Hs 2.15 m, Dir 299.5ºN e Tp 11.6 s, e Hs mais frequente de 1.00 1.50 m associada a Dir 300 310ºN e Tp 8-10 s, o regime geral regista eventos máximos com Hs de 13.13 m. Eventos de Hs>5.00 m representaram 3.69% das ocorrências, sendo que Hs>9.50 m ocorreram exclusivamente para Dir 270 290ºN e Tp 16-22 s, e os valores médio e máximo de Hs no inverno/verão marítimo foram 2.66/1.63 m e 13.13/8.32 m, respetivamente. Da análise mensal verificou-se que as médias de Hs e Tp são máximas em janeiro, 3.02 m e 14 s, respetivamente, e mínimas em julho, 1.39 m e 9 s, restringindo se as médias mensais de Dir a 289 311ºN, com as obliquidades extremas, oeste/noroeste (289/311ºN), em janeiro/agosto. Da comparação com outros estudos concluiu-se que a sazonalidade e anos atípicos influenciam as análises baseadas em períodos restritos e que uma análise baseada numa série temporal de dados de agitação marítima muito longa robustece a representatividade dos parâmetros expostos neste estudo.

The agricultural area of the Lezíria Grande de Vila Franca de Xira is part of one of the case studies at the Tagus Research Site, in the scope of the BINGO project (Horizon 2020). Thus, as a support for the characterization of this area, three exploratory visits were performed to the agricultural area of the upper Tagus estuary, and in particular to the irrigation area of the Lezíria Grande de Vila Franca de Xira (Aproveitamento Hidroagrícola da Lezíria Grande de Vila Franca de Xira) and to one of the adjacent

We present herein the implementation, test and performance comparison of GPUs inphysical and cloud/virtual environment of: i) an image processing algorithm for coastalapplications using Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery; ii) a hybrid programmingalgorithm (CPU/GPU) to automatically compute the correspondences between similarimages. The first test is based on an algorithm developed by LNEC in OpenCL and therespective Python wrapper. The second test uses the photogrammetry software

A necessidade de proteger as povoações costeiras e mitigar o efeito erosivo observado na costa oeste portuguesa, resultante da carência sedimentar, levou a que a extensão de 30 km de linha de costa (LC) a sul da Figueira da Foz tenha sido fortemente intervencionada através da construção de esporões e defesas longitudinais aderentes. Este estudo caracteriza o transporte sedimentar potencial induzido pela agitação marítima combinada com a variação do nível do mar devida às marés astronómica e meteorológica a sul da embocadura do rio Mondego, no período de 1952 a 2010. Com base na análise estatística da série temporal de parâmetros de onda (hindcast) relativos ao referido período, identificou-se um regime com grande variabilidade interanual e sazonal e bastante energético, com 40% de ocorrência de Hs superior a 2 m e direção média 299.5ºN. Do cálculo do transporte longitudinal potencial (LITDRIFT) destacam-se valores anuais bastante variáveis, entre 580 1500 x103 m3.ano-1, com deriva para sul de média 385 x103 m3.ano-1 em 78% dos anos, identificando-se também a distribuição transversal do transporte longitudinal na zona ativa, com extensão variável (~2000 m). Entre 2008 e 2010 foi prolongado o molhe norte da embocadura do rio Mondego em cerca de 400 m, motivando o principal objetivo do presente estudo: avaliar o impacte desse prolongamento nas praias a sul, recorrendo a modelação numérica (LITLINE). O modelo de evolução de LC foi calibrado (1996-2001) e verificado (2001-2008) com base em LC observadas e dados de agitação marítima sinóticos. A previsão da evolução nos 12 anos subsequentes ao prolongamento evidencia um recuo generalizado da LC, acentuado a sotamar dos esporões existentes.

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