Publicações

Os trabalhos desenvolvidos por equipas de investigação sobre a zona costeira bem como as ferramentas de gestão e ordenamento dasregiões hidrográficas, como, por exemplo, os Planos de Gestão de Bacia Hidrográfica e os Planos de Ordenamento de Estuários, necessitamda definição de margem e de leito e, por conseguinte, do traçado da Linha de Máxima Preia-Mar de Águas Vivas Equinociais (LMPMAVE)que corresponde ao seu limite. Muito embora a definição destas áreas e respetivo limite esteja descrita na lei que estabelece a titularidadedos recursos hídricos, existe uma dificuldade prática em transpor para a realidade do terreno as conceções legais, particularmente emsistemas de transição, como os estuários. Assim, revela-se prioritário o desenvolvimento de uma metodologia abrangente e objetiva capazde responder a este desafio.No presente trabalho, apresenta-se uma abordagem metodológica interdisciplinar e integrada, baseada na recolha e análise deinformação bibliográfica, cartográfica e de campo sobre a área de estudo (estuário do Tejo), bem como a experiência adquirida notraçado deste limite noutros locais do país. Deste modo, foi possível desenvolver um conjunto de critérios para o traçado da LMPMAVEem ambientes de transição, que podem ser divididos em quatro tipologias: a)biofísica, estabelecida através da presença ou ausência devegetação halófita; b)tipo de estrutura/altimétrica, que se prende com as características intrínsecas da estrutura e sua elevação; c) de usodo solo; d) de índole legal, baseada na Lei 54/2005 de 15 de novembro.O desenvolvimento e aplicação desta metodologia ao estuário do Tejo permitiu dispor pela primeira vez do traçado deste limite nesteimportante sistema de transição e, simultaneamente, ultrapassar a dificuldade de implementar os conceitos legais de LMPMAVE noterreno, ao criar critérios objetivos de suporte à sua marcaçã

Like othersimilarcoastalsystems,theAlbufeiralagoonisartificially openedeveryyeartopromotewaterrenewalandclosesnaturallywithinafewmonths.TheevolutionoftheAlbufeiraLagoonInletfromitsopening inApril2010toitsclosure8monthslaterisqualitativelyandquantitativelyanalyzedthroughacombination ofmonthly field surveysandtheapplicationofaprocess-basedmorphodynamicmodel.Field dataalonewouldnotcoverthewholespace

The main purpose of this study is to investigate the uncertainties in the modelling of salinity fields in the Ria de Aveiro lagoon associated with the estimation of river flow discharges. The prediction of fresh water inputs is necessary to properly implement forcing conditions and consequently to provide accurate forecasts of baroclinic circulation in coastal lagoons. Located in the north-western Portuguese coast, the Ria de Aveiro is a shallow vertically homogeneous mesotidal coastal lagoon with a complex geometry. Although it is tidally dominated, it receives freshwater from five rivers, the Vouga, Antuã, Cáster, Boco and Ribeira dos Moínhos, whose contributions are responsible for the salinity variation within the system. This research concerns the accurate prediction of river flow to be used in the operational forecast system of the lagoon. Given the lack of observed data for river discharges, as there are only two real time measuring stations located in the Vouga and Antuã river basins, but far from the lagoon, alternative estimation approaches are needed. In order to estimate the river discharges for all five rivers, two different approaches were considered: the first estimates the Vouga river flow, the major fresh water source, based on the nearest real time measuring station and estimates the other river flows based on river basin areas proportionality; the second establishes river flows based on the precipitation/river flow relationships for the Vouga and Antuã rivers and on the areas of the other river basins using the SWAT model. The methodology comprises the exploitation of the 3D unstructured-grid hydrodynamic model SELFE, required to adequately simulate the flow and transport of salt in very complex domains such as the Ria de Aveiro. The model is forced by water elevations at the ocean boundary and river flows at the river boundaries, and atmospheric drivers at the surface (wind stress, atmospheric pressure and heat fluxes). The salinity model predictions were compared with data from seven stations, and its accuracy was assessed through Root Mean Square Error (RMSE). The river flows estimated by the first method led to the best fit between observed and predicted salinity.

Microtextures in quartz attributed to aeolian transport, principally bulbous edges and abrasion fatigue haveseldom been tested in the laboratory under controlled conditions. A wind tunnel experiment was conducted,using glass spheres (>70% SiO2) as a proxy for quartz, with the objective of determining the extent of mechanicaldamage to silica/glass transported in a mixture with quartz beach sand. The microspheres were microscopicallyimaged prior to transport in a wind tunnel, subjected at velocities ranging from 4 to 13 m/s insequential runs of 10 min. The range in velocity is capable of lifting grains into the air column or saltatingquartz grains and silica/glass spheres to produce mechanical impact, i.e. abrasion commonly experiencedin aeolian transport. With increasing velocity silica/glass spheres, which displayed minor imperfectionsprior to transport, began to show significant grain damage exhibiting increasing depth into the silica/glassfabric

We present a new formulation to predict the bed shear stress under skewed/asymmetric oscillatory flows(with or without a co-linear mean current), extending the work of Nielsen (1992). The nonlinearity of theoscillatory flow is incorporated through the use of two parameters: the index of skewness or nonlinearity,and the waveform parameter. The new formulation is tested against the bed shear stress estimated fromthe log-fit and momentum-integral methods, using oscillatory data from oscillating water tunnel experiments.The new formulation and the momentum-integral method agree well, but differ from those withthe log-fit method, possibly because both methodologies lead to different results for the phase lead betweenthe bed shear stress and the free-stream velocity. The new bed shear stress formulation is incorporated in aquasi-steady bedload formula, and accurately reproduces net transport rates under non-linear, nonbreakingwaves with and without an opposing current.

Projected rates of global sea level rise and human pressures have increased attention to the potential for landformchange in estuaries. This paper assesses the status of the fetch-limited beaches in the Tagus estuary, one of the largestestuaries in Europe, with a focus on distinguishing active beaches from inactive vegetated banks and identifyingconditions under which they change state. A total of 26 beaches were identified in the inner estuary and 49 in thetributary basins on 2007 aerial photographs and compared with conditions on older photographs (1944-1958). Lengths,widths and maximum fetch distances for beaches were measured and site visits were made to determine their originsand present conditions. Beaches occur at eroding uplands or marshes or on spits extending from eroding uplands.Human-created beaches occur on spoil areas, within niches formed by structures and where vegetation is eliminated orprevented from colonizing (e.g. boat launches and recreational surfaces). Basin infilling, with increase in the elevationof low tide terraces and the formation of bars, is reducing wave energies, and some beaches are reverting to vegetatedbanks. Beaches that become vegetated banks because of human actions occur where use for boating or recreation isabandoned and where spits that form off spoil deposits reduce fetch distances upwind.

Sea level rise (SLR) is increasing the risk of flooding in marginal low-lying estuarine areas. High water levels inestuaries are associated with the simultaneous occurrence of various phenomena ranging from high tidal levels to largefresh-water discharges. The intense and diverse human occupation of some of these marginal areas increases the floodvulnerability, endangering human lives and causing heavy economic and environmental losses. This issue becomeseven more relevant since the European Floods Directive establishes mandatory guidelines to all member statesregarding flood risk assessment, integrating flood maps with territorial characteristics. The present study aims to assessthe vulnerability to floods of a specific area in Tagus estuary, by integrating hydrodynamic modelling results with landuse cartography. Results suggest that about 16.1% of the estuarine marginal fringe could be flooded for the 2050scenario, rising up to 23.7% for the 2100 scenario. Moreover, industrial and urban areas will be the most affected sites.Considering future development scenarios planned for that site, the results point to an increasing vulnerability of urbanareas and therefore to the relevance of this knowledge in future planning and management guidelines as well asmeasures to adapt to SLR. The uncertainties and implications of the study are also discussed, and future research topicsare indicated.

The western sector of Ria Formosa, a lagoon system in the south of Portugal, represents approximately 90% of the total tidal prism of the lagoon and includes three inlets. Two sets of field campaigns to characterize the hydrodynamics of this sector in neap and spring tide conditions were conducted in the autumn of 2011 and spring 2012. The main findings related to the inlets hydrodynamics and water exchanges between the lagoon and the ocean along semi-diurnal tidal cycles are presented. To estimate the relative contribution of the three inlets to the water exchanges between Ria Formosa and the ocean, discharges were evaluated hourly along complete neap and spring semi-diurnal tidal cycles and the tidal prisms computed. In addition, two sea level time series measured in Faro-Olhão inlet and Faro commercial pier were harmonically analyzed. The results were compared with previous studies and used to validate the ELCIRC hydrodynamic model. This model provided additional information about the circulation and tidal prisms and distortion inside the western Ria Formosa. This study confirmed the Faro-Olhão inlet as the main inlet in terms of contribution for the total tidal prism. It is shown that the Ancão inlet lost hydraulic efficiency, contributing less than 6% to the total tidal prism in all situations and the Armona inlet gained efficiency in spring tide and lost efficiency in neap tide. Moreover, the Faro-Olhão inlet exhibits flood prisms higher than ebb prisms under neap and spring tides, suggesting a residual circulation towards the Ancão and Armona inlets.

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Long-wave propagation and scalar transport, two processes commonly simulated in coastal engineering, are reviewed from a modeling perspective. A general description of each is given, followed by a discussion on a particular numerical issue. We first examine the vertical grid resolution in three-dimensional shallow water models. We show that, for practical applications and current computational resources, converged solutions cannot be obtained for uniform grids. A methodology to optimize vertical nodal placement in shallow water models is proposed and validated. We then examine mass imbalances in Eulerian-Lagrangian solutions of the transport equation. The mechanisms for mass error generation are reviewed, and individual solutions are proposed

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A new method to optimize vertical nodal placement in 3D shallow water models is developed and validated. The method is based on equalizing along the water column the truncation errors for the vertical diffusion term in the momentum equations. Truncation errors are estimated a priori, based on simplifying assumptions on the eddy viscosity profile. Grids are then generated iteratively by moving the nodes to where the largest errors are expected. A validation of the overall approach for 1D and 3D barotropic tidal simulations shows that grids generated with the new method compare favorably with non-uniform grids previously proposed. Key words: Vertical discretization, truncation errors, Localized sigma coordinates

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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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