Modelação da evolução da costa do Furadouro (Aveiro)
Diogo Filipe da Silva Fonseca
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira
Doutora Maria Amélia Vieira da Costa Araújo
Júri
Presidente: Professor Doutor Jorge Miguel Silveira Filipe Mascarenhas Proença
Orientador: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira
Vogal: Doutora Filipa Simões de Brito Ferreira de Oliveira
I
D
EDICATÓRIA
III
R
ESUMO
O avanço do mar em relação às praias é cada vez mais uma realidade na costa oeste Portuguesa sendo um assunto que requer, hoje em dia, uma especial atenção, na medida em que põe em risco a perda de território vital, muitas vezes junto a aglomerados urbanos, com consequências ambientais e económicas para as zonas afectadas.
A acção energética do mar aliada à crescente ocupação urbana, bem como as alterações climáticas constituem os principais problemas litorais que afectam as zonas costeiras. Deste modo torna-se cada vez mais importante o conhecimento sobre a evolução da linha de costa a fim de se preverem possíveis cenários futuros. Por esse motivo a modelação numérica assume um papel importante na previsão de cenários de evolução, utilizando para o efeito o software Littoral Processes FM através da interface gráfica MIKE Zero.
Assim, nesta dissertação, após se identificarem os parâmetros que intervêm na erosão costeira e de se obterem os dados necessários à construção do modelo matemático, tais como o clima e agitação marítimo, os dados topográficos e batimétricos e posições de linha de costa em três momentos distintos, simularam-se vários cenários de evolução de linha de costa e de protecção costeira para a zona do Furadouro (Aveiro). São investigados cenários de evolução com a introdução de esporões e quebramares destacados e o cenário de evolução que prevê a evolução da linha de costa sem a introdução de nenhuma obra de engenharia costeira.
Palavras – chave: Evolução da linha de costa; Furadouro; Littoral Processes FM; Erosão costeira; Protecção costeira.
V
A
BSTRACT
The sea rising over beaches has gradually become a reality of the Portuguese west coast, requiring a particular attention, as it puts at risk the loss of vital territory, which is often located near urban areas, whose consequences would be both environmental and economical related.
The sea energy combined with the growing urban areas near the sea, and climate changes are the main littoral problems affecting coastal areas. Thus, it has become more and more important to study the evolution of the coastline in order to predict possible future scenarios. For this reason, numerical modelling has an important role in predicting evolution scenarios, using for this purpose the Littoral Processes FM software through the graphical interface MIKE Zero.
In this thesis, after identifying the parameters involved in coastal erosion and obtained the data needed to build the mathematical model, such the wave climate, topographic and bathymetric data, and coastline positions in three different dates, several scenarios of coastline evolution and coastal protection, were simulated, for the zone of Furadouro (Aveiro). Moreover, several evolution scenarios were taken into account such as the introduction of groins and detached breakwaters, as well as an evolution scenario that predicts the coastline evolution without any coastal engineering work.
Key - words: Coastline Evolution; Furadouro; Littoral Processes FM; Coastal erosion; Coastline protection.
VII
A
GRADECIMENTOS
Em primeiro lugar quero deixar uma palavra muito sentida de agradecimento ao Professor Doutor António Trigo Teixeira, por todo o acompanhamento, disponibilidade e acima de tudo por todo o apoio dado nos momentos mais difíceis. O seu conhecimento tornou-se preponderante para concluir este trabalho.
À Doutora Ann Jeanette Skou, Engenheira Sénior do Danish Hydraulic Institute (DHI), por todos os esclarecimentos e sugestões em relação ao software utilizado e acima de tudo pela enorme paciência e compreensão.
À Doutora Filipa Oliveira, investigadora do LNEC, pelos esclarecimentos fornecidos, preponderantes para o avanço na construção do modelo computacional.
Ao Instituto Hidrográfico Português e ao Instituto Geográfico Português, pelo fornecimento dos dados relativos ao clima de agitação marítimo e à cartografia utilizada.
Agradeço aos meus companheiros de caminhada do Técnico, pela amizade, apoio e companheirismo sentido ao longo destes anos. Um especial agradecimento ao Eddy e à Isabel que foram pedras muito presentes durante a elaboração desta dissertação, sempre disponíveis para ouvir os desabafos que um trabalho deste tipo proporciona.
A todos aqueles que comigo criaram a Casa do Pilar, na pessoa do Eng. Hugo Correia, porque é no recanto do lar que procuramos a estabilidade necessária para o dia-a-dia.
Aos meus Amigos de todo o sempre, aqueles que fazem parte de uma história, da história da minha vida. Sem vocês o meu sorriso seria bem menos constante.
À CPMEC, por seres mais do que uma comissão e seres também uma família para mim. O maior dos agradecimentos vai para os meus pais e especialmente para o meu irmão por serem modelos de coragem, pelo seu apoio, incentivo e amor incondicional ajudando na superação de todos os problemas ao longo desta caminhada. Por eles, sinto uma dívida de gratidão eterna e por isso, a eles dedico este trabalho!
IX
Í
NDICE
Dedicatória ... I
Resumo ... III
Abstract ... V
Agradecimentos ... VII
Índice de Figuras ... XI
Índice de Tabelas ... XIII
Lista de Abreviaturas ... XV
1
Introdução ... 1
1.1
Organização da dissertação ... 2
2
Fundamentação Teórica ... 3
2.1
Hidrodinâmica costeira ... 3
2.1.1
Fenómenos Litorais ... 3
2.1.2
Fenómenos de transformação da onda ... 4
2.2
Definição de linha de costa ... 8
2.3
Transporte sedimentar ... 9
2.3.1
Potencial de transporte longitudinal ... 10
2.3.2
Caudais de transporte sedimentar ... 11
2.3.3
Modelos de transporte litoral ... 12
3
Software LITPACK by Danish Hydraulic Institute (DHI) ... 15
3.1
Considerações gerais ... 15
3.2
Littoral Processes FM ... 16
3.2.1
Transport in point ... 17
3.2.2
Littoral Drift ... 20
3.2.3
Littoral Drift Table Generation ... 21
3.2.4
Coastline Evolution ... 22
4
Caso de Estudo: Maceda – Furadouro – Torreira. Análise de dados e preparação do
modelo. ... 25
4.1
Zona do projecto ... 25
4.1.1
Áreas constituintes ... 29
4.2
Dados topográficos e batimétricos ... 31
4.2.1
Dados Batimétricos ... 31
4.2.2
Dados Topográficos ... 32
4.2.3
Dados Topo-Batimétricos ... 33
X
4.3.1
Dados da ondulação ao largo ... 36
4.3.2
Propagação do clima de agitação marítima ... 39
4.4
Maré astronómica ... 45
4.5
Obras de engenharia costeira ... 46
4.6
Sedimentologia... 49
5
Modelo Littoral Processes FM: Calibração e validação ... 51
5.1
Calibração do modelo ... 51
5.1.1
Definição dos perfis transversais... 51
5.1.2
Sedimentologia e características do fundo ... 53
5.1.3
Condições de fronteira lateral. ... 53
5.1.4
Permeabilidade das obras marítimas ... 54
5.1.5
Resultados da calibração ... 55
5.2
Validação do modelo ... 56
5.2.1
Resultados da validação ... 57
6
Simulação da evolução da linha de costa em vários cenários ... 59
6.1
Simulação até à presente data. ... 59
6.2
Cenário Do Nothing ... 60
6.3
Cenário de Protecção com Campo de Esporões – a proposta da Hidrotécnica
Portuguesa ... 63
6.3.1
Plano de obras ... 63
6.3.2
Simulação do cenário de protecção ... 64
6.4
Cenário de Protecção com Quebramar Destacado ... 67
6.4.1
Cenário A: um quebramar destacado junto ao esporão do Furadouro Norte .... 67
6.4.2
Cenário B: um quebramar destacado junto ao esporão do Furadouro Sul ... 70
6.4.3
Cenário C: um quebramar destacado alinhado com o esporão do Furadouro
Norte, com prolongamento do esporão do Furadouro Sul ... 73
7
Considerações finais ... 77
XI
Í
NDICE DE
F
IGURAS
Figura 2.1 – Representação esquemática de fenómenos de alteração da propagação da
agitação marítima. Adaptado de Coelho (2005). ... 5
Figura 2.2 – Tipos de rebentação das ondas. Adaptado de US Army Corps of Engineers (1984). 7
Figura 2.3 – Caracterização genérica do efeito do défice sedimentar na propagação da erosão e
na evolução da linha de costa, desde uma situação de equilíbrio dinâmico, até uma situação de
equilíbrio estático (Pereira & Coelho, 2013). ... 10
Figura 2.4 – Convenção adoptada para os sentidos do caudal resultante. ... 11
Figura 2.5 – Classificação de modelos numéricos em escalas temporais e espaciais. Adaptado
de Hanson & Kraus (1989)... 12
Figura 2.6 – Movimentação da linha de costa segundo o modelo de linha (Coastal Wiki, 2014).
... 13
Figura 2.7 – Esquema representativo do cálculo da linha de costa através de modelos de linha
(Hanson & Kraus, 1989)... 14
Figura 3.1 – Módulos do software LITPACK e as suas principais funções. Adaptado de DHI
(2014b). ... 16
Figura 3.2 – Integração dos módulos do modelo Littoral Processes FM (DHI, 2014c). ... 17
Figura 3.3 – Cálculo do transporte sedimentar e velocidade longo de um dado perfil. Adaptado
de DHI (2014b). ... 21
Figura 3.4 – Definição da altura activa de um perfil transversal. Adaptado de DHI (2014a). ... 22
Figura 3.5 – Desenvolvimento junto a estruturas costeiras ao longo de 30 anos. (DHI, 2014b).23
Figura 4.1 – Área de estudo e esporões limitadores da zona – Maceda e Torreira-Murtosa.
Adaptado de (Google, 2010). ... 25
Figura 4.2 – Transporte litoral sedimentar na costa noroeste portuguesa. (Gomes et al.,1981)
... 26
Figura 4.3 – Distribuição temporal de relatos de risco costeiro, desde 1850. (Pereira & Coelho,
2011). ... 27
Figura 4.4 – Ocorrências relacionadas com vulnerabilidade e risco, registadas desde 1850, nas
praias do trecho costeiro Espinho – Mira. Adaptado de Pereira & Coelho (2013). ... 28
Figura 4.5 – Classificação de vulnerabilidade, exposição e risco na área de estudo. Adaptado de
Pereira & Coelho (2013). ... 29
Figura 4.6 – Trechos sedimentares costeiros na zona de estudo. ... 30
Figura 4.7 – Carta Náutica Caminha a Aveiro e área de interesse neste estudo. Adaptado de
Instituto Hidrográfico (1999). ... 32
Figura 4.8 – Trabalho desenvolvido em ArcMap 10.2.2 (esri, 2015). a) Modelo Digital Terrestre;
b) Imagem raster com curvas de nível. ... 35
Figura 4.9 – Localização da bóia ondógrafo de Leixões, adaptado de (Google, 2013) e
características da bóia ondógrafo de Leixões (Instituto Hidrográfico, 2015a). ... 36
Figura 4.10 – Frequência de distribuição da altura significativa de onda (Hm0). ... 37
Figura 4.11 – Frequência de distribuição do período de pico (T
p) ... 38
Figura 4.12 – Frequência de distribuição da direcção incidente da onda (θ). ... 38
Figura 4.13 – Distribuição conjunta dos parâmetros Hs – θ do clima de agitação marítima ao
largo. ... 39
Figura 4.14 – Batimetria gerada para a propagação da ondulação do largo para a costa. ... 40
XII
Figura 4.16 – Distribuição conjunta dos parâmetros Hs – θ do clima de agitação marítima ao
largo. a) Perfil 1; b) Perfil 2; c) Perfil 3; d) Perfil 4; e) Perfil 5; f) Perfil 6. ... 43
Figura 4.17 – Comparação da altura de onda obtida na simulação de propagação da onda para
os 6 perfis definidos, para os primeiros 25 dias de simulação... 44
Figura 4.18 – Níveis de maré e planos de referência adoptados pelo Instituto Hidrográfico
(Instituto Hidrográfico, 2015b). ... 45
Figura 4.19 – Registo de maré astronómica do dia 27/12/2011 das 18h00 às 21h00 do dia
31/12/2011, obtido pelo software WXTide32. ... 46
Figura 4.20 – Obras costeiras existentes na zona de estudo, datadas de 1996. ... 46
Figura 4.21 – Esporão de Maceda. Visita ao local (5/9/2015). ... 47
Figura 4.22 – Esporão do Furadouro Norte. Visita ao local (5/9/2015). ... 47
Figura 4.23 – Furadouro. Visita ao local (5/9/2015). a) Esporão do Furadouro Norte e Defesa
Frontal Aderente do Furadouro Centro b) Esporão do Furadouro Sul. ... 48
Figura 4.24 – Esporão da Torreira. Visita ao local (5/9/2015). ... 48
Figura 5.1 – Perfis transversais ao longo do trecho em análise. ... 51
Figura 5.2 – Perfis transversais obtidos dos perfis transversais gerados através do Mesh
Generator. ... 52
Figura 5.3 – Perfil transversal 1, gerado através do Mesh Generator. ... 53
Figura 5.4 – Posição da linha de costa obtida no processo de calibração. ... 55
Figura 5.5 – Velocidade da corrente e altura de onda, para o perfil transversal 1, obtido na fase
de calibração do modelo. ... 56
Figura 5.6 – Linha de costa obtida na validação do modelo ... 57
Figura 6.1 – Linha de costa para a simulação até à data presente (1/1/2016). ... 59
Figura 6.2 – Cenário Do Nothing. Posições de linha de costa obtidas de 10 em 10 anos. ... 62
Figura 6.3 – Posição da linha de costa em 1/1/2016 e 1/1/2056 para o cenário Do Nothing. ... 62
Figura 6.4 – Cenário de protecção com campo de esporões. Posições da linha de costa obtidas
de 10 em 10 anos. ... 66
Figura 6.5 – Posição da linha de costa em 1/1/2016 e 1/1/2056 para o cenário de Protecção
com campo de esporões. ... 66
Figura 6.6 – Cenário A de protecção com quebra-mar destacado. ... 67
Figura 6.7 – Cenário A de protecção com quebramar destacado. Posição da linha de costa
obtida de 10 em 10 anos. ... 69
Figura 6.8 – Posição da linha de costa a 1/1/2016 e 1/1/2056 para o cenário A e para o Cenário
Do Nothing. ... 69
Figura 6.9 – Localização do quebramar destacado simulado no Cenário B de Protecção com
Quebramar Destacados... 70
Figura 6.10 – Resultados da simulação do Cenário B – Protecção com 3 Quebramar Destacados
... 72
Figura 6.11 – Comparação entre a linha de costa de 1/1/2016 a 1/1/2046 para o cenário B de
protecção com quebramar destacado e o cenário Do Nothing. ... 72
Figura 6.12 – Cenário C: quebramar destacado alinhado com os esporões do Furadouro. ... 73
Figura 6.13 – Cenário C. Posições de linha de costa obtidas de 10 em 10 anos. ... 75
Figura 6.14 – Posição de linha de costa a 1/1/2016 e 1/1/2056, para o cenário C, cenário de
prolongamento do esporão do Furadouro Norte e cenário de protecção com quebramar
destacado no Furadouro Centro. ... 75
XIII
Í
NDICE DE
T
ABELAS
Tabela 2.1 – Características das ondas, segundo a teoria linear. Adaptado de US Army Corps of
Engineers, (1984). ... 4
Tabela 3.1 – Informação necessária e obtida do módulo Transport in Point. ... 19
Tabela 3.2 – Informação necessária e obtida na execução do módulo Littoral Drift. ... 20
Tabela 4.1 – Unidades de Litoral abordadas no caso de estudo. Adaptado de SNIRLit (2014). . 27
Tabela 4.2 – Taxas médias anuais de variação da posição da linha de costa (em metros/ano),
entre Maceda e Torreira. Recuo assinalado com sinal negativo e acreção com sinal positivo.
Adaptado de Pereira & Coelho (2011). ... 28
Tabela 4.3 – Trechos sedimentares costeiros. ... 30
Tabela 4.4 – Definição das coordenadas de trabalho. Adaptado de Direcção-Geral do Território
(2013b). ... 31
Tabela 4.5 – Características da Carta Náutica Caminha a Aveiro (Instituto Hidrográfico, 1999).
... 31
Tabela 4.6 – Características dos dados topográficos (INAG/IGeoE, 1996, 2001). ... 33
Tabela 4.7 – Dados LiDAR. Características dos dados topo-batimétricos (Direcção-Geral do
Território & SNIG, 2014). ... 34
Tabela 4.8 – Características do sistema de referência PT-TM06/ETRS89 (Direcção-Geral do
Território, 2013c). ... 34
Tabela 4.9 – Parâmetros de transformação de Bursa–Wolf do sistema PT-TM06/ETRS89 para o
sistema Hayford Gauss Datum 73. (Direcção-Geral do Território, 2013a). ... 35
Tabela 4.10 – Categorização da série original de ondas. Adaptado de Di Bona (2013)... 36
Tabela 4.11 – Perfis transversais utilizados na simulação de propagação da onda. ... 40
Tabela 4.12 – Estatística dos parâmetros hidrodinâmicos obtidos na simulação da propagação
da onda. ... 42
Tabela 4.13 – Coordenadas de localização das obras costeiras existentes na zona de estudo. . 49
Tabela 5.1 – Perfis transversais utilizados no módulo de transporte litoral... 52
Tabela 5.2 – Obras costeiras na zona de estudo. ... 54
Tabela 6.1 – Deriva litoral para o período de simulação (1996-2016). ... 60
Tabela 6.2 – Cenário de Protecção com campo de esporões. Localização das obras simuladas no
estudo da Hidrotécnica Portuguesa. ... 64
Tabela 6.3 – Localização do quebramar destacado do Furadouro Norte. ... 68
Tabela 6.4 – Localização do quebramar destacado do Furadouro Sul. ... 70
XV
L
ISTA DE
A
BREVIATURAS
𝐶𝑔𝑏 Velocidade de grupo da onda na zona de rebentação (m/s)
𝐸𝑏 Energia da onda na linha de rebentação (J)
𝐻0′ Altura da onda em águas profundas na ausência de refracção (m)
𝐻𝑏 Altura de onda na rebentação (m)
𝐾𝑟 Coeficiente de refracção (-)
𝐾𝑠 Coeficiente de empolamento (-)
𝐿0 Comprimento de onda em águas profundas (m)
𝐿𝐵 Comprimento do quebramar destacado (m)
𝑄𝐿 Caudal sólido resultante do sentido: direita – esquerda (m3/s)
𝑄𝑅 Caudal sólido resultante do sentido: esquerda – direita (m3/s)
𝑄𝑔𝑟𝑜𝑠𝑠 Caudal sólido total que atravessa uma secção transversal, num
determinado período de tempo (m3/s)
𝑄𝑛𝑒𝑡 Saldo do caudal sólido que atravessa uma secção transversal, num
determinado período de tempo (m3/s)
𝑈𝑓 Velocidade de arrastamento instantânea (m/s)
𝑋𝐵 Distância do quebramar destacado à linha de costa (m)
𝑏0 Espaçamento entre raios de onda em águas profundas (m)
𝑐0 Celeridade da onda em águas profundas (m/s)
𝑐𝑔 Velocidade de grupo (m/s)
𝑐𝑠 Concentração de sedimentos (g/L)
𝑑50 Diâmetro nominal mediano dos sedimentos (m)
𝑑𝐵 Altura média da berma acima do NMM ou cota de berma (m)
𝑑𝐶 Profundidade de fecho (m)
𝑑𝑏 Profundidade de água na zona de rebentação (m)
XVI
𝑑𝑠 Limite espacial da simulação / medição (s)
𝑘𝑁 Rugosidade de Nikuradse (m)
𝑘𝑏 Índice de rebentação (-)
𝑞𝑏 Caudal sólido transportado por arrastamento (m3/s/m)
𝑞𝑏1 Caudal sólido transportado por arrastamento, na direcção do escoamento
(m3/s/m)
𝑞𝑏2 Caudal sólido transportado por arrastamento, na direcção perpendicular
ao escoamento (m3/s/m)
𝑞𝑠 Caudal sólido transportado em suspensão (m3/s/m)
𝑞𝑡 Caudal sólido total (m3/s/m)
𝑡𝑠 Tempo de simulação / medição (s)
𝛼𝑏 Ângulo de rebentação da onda, em relação à linha de costa (º)
𝜃′𝑓 Parametro de Shileds determinado para um fundo plano (-)
𝜃𝑐 Parâmetro crítico de Shields (-)
𝜃𝑓 Parâmetro instantâneo de Shields (-)
𝜙𝑏 Parâmetro adimensional de transporte de (-)
𝜙𝑏1 Parâmetro adimensional de transporte de fundo na direcção do
escoamento (-)
𝜙𝑏2 Parâmetro adimensional de transporte de fundo na direcção perpendicular
ao escoamento (-)
x Número de Iribarren (-)
𝜀𝑠 Coeficiente de difusão de sedimentos para escoamentos turbulentos
(m2/s)
𝜐 Viscosidade cinemática (m2/s)
𝐸 Coeficiente de transferência de quantidade de movimento (-)
𝐻 Altura de onda (m)
𝐿 Comprimento de onda (m)
𝑃𝑙 Potencial de transporte longitudinal (m3/s)
XVII
𝑏 Espaçamento entre raios de onda (m)𝑐 Celeridade da onda (m/s) 𝑑 Profundidade de água (m) 𝑔 Aceleração da gravidade (m/s2)
𝑞 Caudal respeitante às fontes e sumidouros (m3/s/m)
𝑠 Densidade relativa do material de fundo (-) 𝑤 Velocidade de sedimentação das partículas (m/s)
𝑥 Coordenada longitudinal (m)
𝑦 Posição da linha de costa em relação à linha de base (m) 𝑧 Coordenada espacial vertical (m)
𝛽 Declive do fundo (-) 𝛿 Declividade da onda (-)
𝜂 Nível de superfície livre da onda (m) 𝜃 Ângulo de incidência da onda (⁰) 𝜌 Massa volúmica da água (kg/m3)
1
1 I
NTRODUÇÃO
“Mar pode engolir quase 100 metros da costa de Aveiro”, retirado do jornal Expresso de 9 de Novembro de 2012.
Portugal é um país com bastante tradição marítima e muito enraizado com a vivência junto à costa tendo por isso, hoje em dia, razões a todos os níveis (políticos, económicos, sociais e científicos) para considerar o mar como um sector prioritário. A costa noroeste Portuguesa é hoje um centro turístico muito importante devido às suas condições para a prática balnear e pela sua riqueza ambiental e económica, beneficiando de uma extensa linha costeira, sendo por isso uma mais-valia a sua preservação. A problemática da erosão costeira vem pôr em causa essa preservação uma vez que surge associada à destruição de património, criando por vezes, um sentimento de insegurança.
É conhecido o sentimento de que o mar, ao longo do tempo, vai ganhando terreno em relação às praias, estando a preservação da costa portuguesa cada vez mais em foco devido aos impactos causados por tal destruição.
Essa preservação depende, em primeiro lugar, do conhecimento dos factores que influenciam a evolução da linha de costa a médio e longo prazo. Ainda que esta apresente uma variação natural devido ao carácter de sazonalidade das ondas, ventos e marés (fenómeno sem importância significativa face à realidade dos problemas), a erosão costeira tem como principais origens a construção de obras de engenharia costeira, as dragagens, o défice de fornecimento sedimentar por parte das bacias hidrográficas, a retenção dos sedimentos em barragens, as alterações climáticas – que conduzem a um significativo e progressivo aumento do nível médio do mar – e o forte clima de agitação marítimo.
Os problemas litorais relacionados com a evolução costeira, a curto e longo prazo – consequências de fenómenos efémeros ou permanentes no tempo – são cada vez mais objecto de estudo por parte dos investigadores, dadas as características únicas da orla costeira, bem como pela crescente ocupação urbana junto à faixa litoral.
Como instrumento de auxílio na investigação desta temática, a modelação numérica assume um importante papel no estudo da erosão costeira, na medida em que a relação entre a velocidade de resposta dos modelos matemáticos e a sua fiabilidade, ainda que associada a muitas limitações, transforma a modelação numérica numa poderosa ferramenta de previsão, gestão e apoio à decisão da zona costeira.
Apesar de toda a costa oeste portuguesa ser fortemente fustigada por eventos climáticos, a zona do Furadouro, constituída principalmente por praias arenosas, tem sido uma das mais atingidas pelo fenómeno da erosão. Por esse motivo, definiu-se o trecho: Maceda – Furadouro – Torreira,
2
como objecto de estudo, a fim de compreender os fenómenos litorais e propor soluções de protecção com obras de engenharia costeira com o objectivo de atenuar a tendência de erosão verificada.
Deste modo, promove-se a análise da evolução da posição da linha de costa da zona do Furadouro, para diferentes cenários de previsão. A investigação será baseada em 3 cenários: o cenário Do Nothing, no qual nenhuma intervenção é feita na zona costeira a nível de obras de protecção; o cenário de protecção com campo de esporões previsto pela empresa Hidrotécnica Portuguesa no seu estudo de 1981; e o cenário de protecção com recurso a quebramares destacados.
“Não prever, é já lamentar.” Leonardo da Vinci
1.1 Organização da dissertação
Esta dissertação encontra-se organizada em 7 capítulos, sendo o primeiro respeitante à introdução, enquadramento e objectivos deste trabalho, para além desta descrição da organização da dissertação.
O segundo capítulo é respeitante à fundamentação teórica, nomeadamente os princípios teóricos básicos à compreensão desta dissertação. Este capítulo compreende três subcapítulos fundamentais para o estudo da evolução da linha de costa: o estudo da onda e da hidrodinâmica costeira, o estudo da linha de costa e da sua evolução e, por último, a compreensão do transporte sedimentar e a sua dinâmica.
O capítulo 3, respeitante ao software utilizado nesta dissertação, aborda o modelo computacional utilizado, Littoral Processes FM, as suas componentes e os módulos usados.
No quarto capítulo apresenta-se o caso de estudo e a análise dos dados necessários à construção do modelo numérico, nomeadamente os dados de batimetria, topografia, os dados do clima de agitação marítima, marés e dados referentes aos sedimentos.
O capítulo 5 apresenta o processo de preparação, calibração e validação do modelo numérico. São apresentados todos os parâmetros introduzidos para a sua calibração e, através de posições conhecidas da linha de costa, em dois momentos temporais distintos, procede-se à validação do modelo.
O sexto capítulo é referente às simulações e aos resultados obtidos para vários cenários de simulação. A análise de resultados e comparação é também abordada neste capítulo.
Por último, no sétimo capítulo são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado, bem como são enumeradas sugestões para trabalhos futuros que permitam melhorar os resultados e as conclusões obtidas nesta dissertação.
3
2 F
UNDAMENTAÇÃO
T
EÓRICA
Neste capítulo apresentam-se os principais conteúdos teóricos necessários à compreensão deste trabalho sendo que a informação será apresentada de uma forma sucinta e objectiva. A primeira parte compreende o estudo da onda e da hidrodinâmica costeira, seguido do estudo da linha de costa e da sua evolução. Por último apresenta-se a informação relativa ao transporte sedimentar e à sua dinâmica.
2.1 Hidrodinâmica costeira
A hidrodinâmica costeira refere-se à parte dos processos costeiros relacionados com a propagação, transformação e dissipação da onda, alterações de níveis de água, marés e correntes no sistema. A propagação da onda, do largo para a costa, requer a consideração de vários fenómenos de alteração dos parâmetros da onda como o empolamento, a refracção, a rebentação, etc. Esta propagação é, hoje em dia, efectuada com recurso a modelos matemáticos tais como SWAN ou MIKE que exigem a introdução de um conjunto de dados de entrada como espectros de energia e de frequência e permitem a obtenção de parâmetros como a altura significativa, o período da onda e a sua direcção média incidente.
2.1.1 Fenómenos Litorais
Uma onda genérica é caracterizada pela sua altura, a altura de onda, 𝐻, definida pela distância vertical duma cava à crista imediatamente posterior; pelo comprimento de onda, 𝐿, definido pela distância horizontal entre duas cristas ou duas cavas consecutivas; e pelo período da onda, 𝑇, definido pelo intervalo de tempo que compreende a passagem de duas cristas consecutivas por um dado ponto fixo.
A velocidade de propagação de uma onda é definida pela celeridade da onda, 𝑐. Esta traduz a velocidade com que se propaga a forma da onda e é dada pela seguinte equação.
𝑐 =𝐿 𝑇
(2.1)
A relação entre a celeridade e o comprimento de onda, com a profundidade do local pode ser traduzida, de acordo com a teoria linear, pela seguinte equação (US Army Corps of Engineers, 1984): 𝑐 = √𝑔𝐿 2𝜋tanh ( 2𝜋𝑑 𝐿 ) (2.2)
4
Ao quociente entre a altura de onda, 𝐻, e o comprimento de onda, 𝐿, designa-se declividade da onda, 𝛿. Tem um papel importante no fenómeno da rebentação e define-se por:
𝛿 =𝐻 𝐿
(2.3)
A teoria linear de onda constitui uma teoria bastante complexa e, na Tabela 2.1, adaptada de US Army Corps of Engineers (1984), apresentam-se, sumarizadas as suas características. Esta teoria é apresentada para o caso de águas profundas, águas de transição e águas pouco profundas, onde 𝜂 representa o nível de superfície livre da água, 𝑐0 a celeridade da onda em
águas profundas, 𝐿0 o comprimento de onda em águas profundas e 𝑐𝑔 a velocidade de grupo.
Tabela 2.1 – Características das ondas, segundo a teoria linear. Adaptado de US Army Corps of Engineers, (1984). Águas pouco profundas 𝐝 𝐋< 𝟏 𝟐𝟓 Águas de transição 𝟏 𝟐𝟓< 𝐝 𝐋< 𝟏 𝟐 Águas profundas 𝐝 𝐋> 𝟏 𝟐 Superfície livre da onda 𝜂 =𝐻 2𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜂 =𝐻 2cos [ 2𝜋 𝐿 − 2𝜋 𝑇] = 𝐻 2𝑐𝑜𝑠𝜃 𝜂 = 𝐻 2𝑐𝑜𝑠𝜃 Celeridade da onda 𝑐 =𝐿 𝑇= √𝑔𝑑 𝑐 =𝐿 𝑇= 𝑔𝑇 2𝜋tanh ( 2𝜋𝑑 𝐿 ) 𝑐 = 𝑐0= 𝐿 𝑇= 𝑔𝑇 2𝜋 Comprimento de onda 𝐿 = 𝑇√𝑔𝑑 = 𝑐𝑇 𝐿 = 𝑔𝑇2 2𝜋 tanh ( 2𝜋𝑑 𝐿 ) 𝐿 = 𝐿0= 𝑔𝑇2 2𝜋 = 𝑐0𝑇 Velocidade de grupo 𝑐𝑔= 𝑐 = √𝑔𝑑 𝑐𝑔= 𝑛 𝑐 = 1 2[1 + 4𝜋𝑑 𝐿 sinh (4𝜋𝑑𝐿 ) ] 𝑐 𝑐𝑔= 1 2𝑐 = 𝑔𝑇 4𝜋
2.1.2 Fenómenos de transformação da onda
A propagação da agitação marítima do largo para a costa é influenciada por diversos fenómenos. Por um lado, pode assumir-se que as características da agitação ao largo são muito semelhantes ao longo de uma grande extensão. No entanto estas características junto à costa assumem condições muito próprias, na medida em que são influenciadas pelo fundo (com características únicas em cada local) e por fronteiras sólidas como praias e obras de engenharia costeira (Coelho, 2005).
5
De todos os fenómenos responsáveis pela transformação das características das ondas salientam-se a difracção, a refracção, a reflexão, o empolamento, o espraiamento/refluxo e a rebentação. A informação obtida sobre os fenómenos supra mencionados provém de U.S. Army Corps of Engineers (2002) e alguns destes fenómenos encontram-se exemplificados na Figura 2.1.Figura 2.1 – Representação esquemática de fenómenos de alteração da propagação da agitação marítima. Adaptado de Coelho (2005).
O fenómeno de empolamento da onda ocorre na aproximação da onda à costa, na medida em que, quando a profundidade é cerca de metade do comprimento de onda em águas profundas, começa a interacção da onda com o fundo. A altura da onda aumenta, o comprimento da onda e a celeridade diminuem e assume-se que o período da onda se mantém constante.
O coeficiente de empolamento, 𝐾𝑠, referente à alteração na altura de onda é definido como:
𝐾𝑠=
𝐻 𝐻0′
(2.4)
Onde 𝐻 representa a altura da onda e 𝐻0′ a altura da onda em águas profundas na ausência de
6
A refracção é o processo que se define como a mudança de direcção das ondas por interacção com o fundo. Quando estas se propagam com uma determinada obliquidade em relação à batimetria, devido à variação da celeridade com a profundidade, sofrem refracção, tendendo as cristas a ficar paralelas às batimétricas. Esta alteração na direcção de propagação da onda representa-se pelo coeficiente de refracção, 𝐾𝑟, definido por:
𝐾𝑟= √
𝑏0
𝑏
(2.5)
Onde 𝑏0 e 𝑏 são o espaçamento entre raios de onda em águas profundas e no local junto à costa,
respectivamente.
A difracção resulta no processo de interacção onda-estrutura, associada à transferência lateral de energia ao longo da crista da onda. Essa transferência ocorre no sentido da zona abrigada pela estrutura, proveniente da zona exposta directamente à ondulação, manifestando-se pelo movimento das frentes de onda curvas, centradas no extremo da estrutura (APRH, 2007).
A reflexão define-se como a mudança de direcção da onda quando esta interage com um obstáculo. Segundo o ângulo de reflexão, a onda, ao embater, transfere energia para o obstáculo, perdendo capacidade energética e reflectindo outra parte dessa energia. A quantidade de energia dissipada relaciona-se com a capacidade reflectora do obstáculo e com as suas características físicas tais como a rugosidade, a inclinação ou a porosidade. Nos casos em que toda a energia é directamente reflectida pelo obstáculo, o fenómeno designa-se por reflexão total, enquanto nos casos em que existe dissipação de energia designa-se de reflexão parcial (APRH, 2007).
O espraiamento é o fenómeno que ocorre após a rebentação da ondulação e caracteriza-se por um movimento ascendente da água através da praia. Este fenómeno é influenciado pela capacidade de reflexão das ondas, nomeadamente através da porosidade, rugosidade e permeabilidade das praias. Naturalmente, o espraiamento é acompanhado, de seguida, do movimento descendente da água junto à face da praia, designando-se este fenómeno por refluxo (APRH, 2007).
A onda, na sua propagação em direcção à costa, ao interagir com o fundo, devido à elevada concentração de energia, instabiliza progressivamente originando o processo de rebentação. A rebentação define-se como um processo bastante turbulento e com grande dissipação de energia, em que é atingido o valor de declividade limite da onda. Quanto ao fenómeno de rebentação, pode classificar-se os tipos de rebentação consoante a forma como as ondas rebentam junto à costa. Deste modo, a rebentação classifica-se como: rebentação progressiva (spilling), rebentação mergulhante (plunging), rebentação de fundo (surging) e rebentação colapsante (collapsing) (US Army Corps of Engineers, 1984).
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Os tipos de rebentação podem ser observados na Figura 2.2.Figura 2.2 – Tipos de rebentação das ondas. Adaptado de US Army Corps of Engineers (1984). A forma como as ondas rebentam, resultando assim nos tipos de rebentação supra mencionados, encontram-se associadas a dois factores: a declividade da onda e o declive de fundo das praias. Deste modo, a rebentação e os seus tipos podem definir-se de acordo o surf similarity parameter, ou número de Iribarren, x, da seguinte forma proposta por Battjes (1974):
Rebentação progressiva: x< 0.4 Rebentação mergulhante: 0.4 < x< 2.3 Rebentação de fundo: 2.3 < x< 3.2 Rebentação colapsante: x> 3.2
O número de Iribarren, x, é determinado pela seguinte equação (APRH, 2007):
𝜉 = 𝛽 √𝐻𝑏
𝐿0
(2.6)
Em que 𝛽 representa o declive de fundo da praia, 𝐻𝑏 é a altura de onda na rebentação e 𝐿0 é o
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2.2 Definição de linha de costa
“As designações de litoral, costa, faixa costeira, faixa litoral, orla costeira, zona costeira, zona litoral, área/região costeira são utilizadas de um modo indiferenciado por especialistas de diferentes áreas para referir porções do território de dimensões variáveis, na interface entre a Terra e o Oceano.” (Ministério do Ambiente do Ordenamento do Território e do Desenvolvimento Regional (MAOTDR), 2007). Os conceitos e definições das zonas junto à costa padecem de um consenso generalizado por parte da comunidade científica tornando-se necessário estabelecer uma premissa sobre os termos a utilizar para que estes sejam abordados de uma forma coerente e correcta.
O documento Bases para a Gestão Integrada da Zona Costeira Nacional (Ministério do Ambiente do Ordenamento do Território e do Desenvolvimento Regional (MAOTDR), 2007) tenta, efectivamente, uniformizar os conceitos, propondo a seguinte definição, que será utilizada nesta dissertação:
Litoral – termo geral que descreve porções do território que são influenciadas directa e indirectamente pela proximidade do mar;
Zona costeira – porção de território influenciada directa e indirectamente, em termos biofísicos,
pelo mar (ondas, marés, ventos, biota ou salinidade) e que pode ter, para o lado de terra, largura tipicamente de ordem quilométrica e se estende, do lado do mar, até ao limite da plataforma continental;
Orla costeira – porção do território onde o mar exerce directamente a sua acção, coadjuvado
pela acção eólica, e que tipicamente se estende, para o lado de terra, por centenas de metros e, para o lado do mar, até à batimétrica dos 30 m (englobando a profundidade de fecho);
Linha de costa – fronteira entre a terra e o mar, materializada pela intercepção do nível médio do mar com a zona terrestre.
Surge ainda a necessidade de escrutinar a discussão sobre a variação da linha de costa tendo em conta, tal como refere Dias et al. (1994): “o período analisado, a época do ano, o método de análise, a extensão do período analisado, a escala e pormenor da análise e da extensão e a variabilidade do troço costeiro em análise”.
Globalmente pode-se afirmar que a costa litoral, e consequentemente a posição da linha de costa, são influenciadas por factores de ordem física e de ordem humana. No que respeita aos factores de ordem físicos destaca-se o tipo de costa, os sedimentos que a constituem e o seu relevo, como também a alteração das características dos agentes erosivos – clima de agitação marítimo e a subida do nível médio das águas do mar.
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Por outro lado, ao longo do século XX o abastecimento sedimentar ao litoral reduziu-se progressivamente, porém de forma drástica, devido ao impacto de diversas actividades antrópicas. Entre estas destacam-se a construção de barragens, a exploração de inertes, as dragagens e as obras de engenharia costeira (Dias, 2004).2.3 Transporte sedimentar
Ao longo da costa a carga sólida, por acção das ondas e correntes, é transportada longitudinalmente e transversalmente causando nas praias erosão/acreção e flutuações, respectivamente. O fenómeno de erosão não contempla as modificações sazonais que se verificam nos perfis de praia. Ainda assim o balanço sedimentar ao longo da costa é bastante variável.
O transporte sedimentar em ambiente marítimo é somente conseguido se as forças hidrodinâmicas intervenientes forem capazes de iniciar o movimento das partículas sobre o leito do mar. Dois dos critérios que definem o início do movimento incipiente de uma partícula são: o critério da velocidade média critica e o critério da tensão crítica de arrastamento. Quando são atingidos os valores críticos destes critérios, as partículas iniciam o seu movimento e, consequentemente, o transporte sedimentar. Neste caso as forças hidrodinâmicas intervenientes são a força de arrasto hidrodinâmico e a força de sustentação hidrodinâmica (Cardoso, 1998).
Segundo Cardoso (1998), as condições de movimento incipiente estão associadas ao equilíbrio que actua sobre as partículas. Quando o fundo é constituído por material não coesivo, o peso submerso das partículas, que se deslocam isoladamente, é a principal força resistente ao escoamento.
Ao registar-se um défice de fornecimento de sedimentos às praias, aliado a uma constante capacidade de transporte dos mesmos por acção das ondas e correntes, verifica-se um desequilíbrio no balanço sedimentar, originando erosão. Esta faz com que as praias tendam a encontrar uma nova posição de equilíbrio (Figura 2.3). Devido a um menor volume de sedimentos a transportar para sotamar os efeitos da erosão são propagados para sul (Pereira & Coelho, 2011).
10
Figura 2.3 – Caracterização genérica do efeito do défice sedimentar na propagação da erosão e na evolução da linha de costa, desde uma situação de equilíbrio dinâmico, até uma situação de equilíbrio estático (Pereira & Coelho, 2013).
2.3.1 Potencial de transporte longitudinal
De acordo com o U.S. Army Corps of Engineers (2002), o potencial de transporte longitudinal relaciona-se com as componentes de energia da onda responsável pelo transporte longitudinal. O potencial de transporte longitudinal é descrito pela equação seguinte:
𝑃𝑙= (𝐸𝐶𝑔)𝑏𝑠𝑖𝑛𝛼𝑏𝑐𝑜𝑠𝛼𝑏 (2.7)
Onde 𝐸𝑏 representa a energia da onda na linha de rebentação e é dada por:
𝐸𝑏=
𝜌𝑔𝐻𝑏2
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(2.8)
E Cgb é a velocidade de grupo da onda na linha de rebentação e é dada por:
𝐶𝑔𝑏= √𝑔𝑑𝑏 = (𝑔 𝐻𝑏 𝑘𝑏 ) 1 2 (2.9)
Onde 𝐻𝑏 representa a altura de onda na rebentação, 𝑑𝑏 a profundidade de água na rebentação
e 𝑘𝑏 é o índice de rebentação Hb /db. O termo (𝐸𝐶𝑔)𝑏representa o fluxo energético da onda, por
unidade de comprimento de crista, avaliado na zona de rebentação e 𝛼𝑏 é o ângulo de
11
2.3.2 Caudais de transporte sedimentar
O transporte da matéria aluvionar é gerado, principalmente, pelo efeito entre as ondas e as correntes tendo em conta todos os fenómenos que condicionam e caracterizam a agitação marítima como a rebentação, a refracção, a difracção, o empolamento, o espraiamento, entre outros. As correntes provocadas pela ondulação, por serem mais condicionantes face às correntes de maré ou correntes provocadas por variações de densidades na coluna liquida, constituem o principal agente de transporte sedimentar.
O transporte sedimentar, identificado como erosão ou acreção sedimentar, pode ser avaliado por simples formas que relacionam o transporte de fundo e o transporte na forma suspensa através de modelos de transporte sedimentar. A onda na rebentação induz correntes longitudinais ao longo da costa que são facilmente verificadas através dos fenómenos de erosão ou acreção sedimentar junto a estruturas e obras marítimas (Plecha et al., 2009).
A quantificação do caudal sedimentar transportado longitudinalmente é feita segundo a direcção perpendicular à linha de costa, geralmente pela medição do caudal que passa num perfil transversal. Tratando-se de um caudal é expresso em m3/ano. O balanço entre o caudal de
sedimentos transportado segundo direcções paralelas à linha de costa (para barlamar e sotamar), a longo prazo, num dado perfil transversal de praia define-se como saldo do caudal sólido, designado por 𝑄𝑛𝑒𝑡.
𝑄𝑛𝑒𝑡= 𝑄𝑅+ 𝑄𝐿 (2.10)
Onde, 𝑄𝑅 designa o caudal do sentido: esquerda – direita e 𝑄𝐿 representa o caudal do sentido:
direita - esquerda;
O resultado da soma de caudais de sentidos opostos apresenta o sentido dominante e a taxa de transporte verificada. A direcção e sentido destas grandezas são convencionados considerando um observador em terra a olhar para o mar e são apresentados na Figura 2.4.
12
O caudal anual total, designado por 𝑄𝑔𝑟𝑜𝑠𝑠, traduz a quantidade total de sedimentos que
atravessa uma determinada secção transversal da linha de costa, num certo período de tempo, independentemente do sentido de transporte, representando assim um volume total de sedimentos que se expressa em m3/ano e traduz-se pela expressão seguinte:
2.3.3 Modelos de transporte litoral
De modo a determinar o transporte sedimentar numa dada zona definem-se modelos de transporte litoral com características distintas de forma a ajustarem-se a cada área de estudo. Os modelos matemáticos de transporte sedimentar classificam-se, de acordo com Hanson & Kraus (1989) de acordo com a escala temporal e espacial da zona a tratar, sugerindo o diagrama da Figura 2.5, onde se encontra assinalado o presente caso de estudo.
Segundo o autor anteriormente mencionado, classificam-se os modelos de transporte como modelos de linha, modelos de n-linhas, modelos tridimensionais e modelos analíticos.
Figura 2.5 – Classificação de modelos numéricos em escalas temporais e espaciais. Adaptado de Hanson & Kraus (1989).
Nesta dissertação o modelo numérico utilizado é o modelo de linha dada a facilidade de se adaptar a simulações com escalas espaciais e temporais extensas com um relativamente baixo esforço computacional (quando comparado com outros modelos). Os modelos de linhas consideram que, numa determinada praia, o perfil transversal se encontra em equilíbrio, havendo apenas oscilações a nível do transporte sedimentar longitudinal fazendo mover o perfil paralelamente a si mesmo (Figura 2.6).
13
Figura 2.6 – Movimentação da linha de costa segundo o modelo de linha (Coastal Wiki, 2014).Os limites do perfil transversal e a sua movimentação paralelamente a si mesmo são definidos recorrendo à definição de cota de berma e de profundidade de fecho. A cota da berma, 𝑑𝐵,
define-se como o limite do lado da plataforma terrestre, geralmente associada a cota mais alta junto à linha de água, enquanto que a profundidade de fecho, 𝑑𝑐, se define como o limite do lado da
plataforma marinha, para lá do local onde as variações do perfil de praia se deixam de verificar, isto é, deixa de existir movimentação sedimentar. A Figura 2.7 apresenta as grandezas envolvidas nos modelos de linha.
Assim, define-se deste modo os pressupostos a ter em conta com a utilização de modelos de linha:
O transporte sedimentar é provocado por correntes induzidas por ondas na rebentação;
O perfil de praia não se altera;
Uma linha determina a posição da linha de costa;
Apenas se tem em conta o transporte longitudinal;
O transporte de sedimentos dá-se até à profundidade de fecho, 𝑑𝐶, para lá da qual o
fundo permanece imóvel;
A taxa de transporte longitudinal depende principalmente do ângulo de incidência da onda, 𝛼𝑏, e da altura de onda na rebentação, 𝐻𝑏.
Seguindo o pressuposto que o perfil de praia se move paralelamente a si mesmo até à profundidade de fecho, a equação da continuidade dos sedimentos, num trecho de comprimento infinitamente pequeno, 𝑑𝑥, da linha de costa, pode ser formulada da seguinte forma:
𝑑𝑦 𝑑𝑡+ (
𝑑𝑄𝑙
𝑑𝑥 + 𝑞) /(𝑑𝑏+ 𝑑𝑐) = 0
14
Onde 𝑦 é a posição da linha de costa, 𝑥 é a coordenada longitudinal, 𝑡, representa o tempo, 𝑑𝑏,
é a altura média da berma acima do nível médio da água, 𝑑𝑐, representa a profundidade de fecho,
𝑄𝑙, é a taxa de transporte longitudinal de sedimentos e, 𝑞, representam as fontes e sumidouros
de sedimentos ao longo da costa.
Figura 2.7 – Esquema representativo do cálculo da linha de costa através de modelos de linha (Hanson & Kraus, 1989).
15
3 S
OFTWARE
LITPACK
BY
D
ANISH
H
YDRAULIC
I
NSTITUTE
(DHI)
O presente capítulo tem como objectivo a apresentação do software LITPACK (Littoral
Processes And Coastline Kinetics), dos seus componentes e módulos, em particular do sistema
Littoral Processes FM, desenvolvidos pelo DHI Water & Environment. A informação utilizada neste capítulo refere-se aos manuais desenvolvidos pela DHI para modelação de sistemas litorais e processos costeiros. (DHI, 2014b, 2014c, 2014d).
Cada sistema possui uma interface gráfica para facilitar a aplicação do modelo e a sua visualização. Sendo o LITPACK / Littoral Processes FM um pacote de software integrado, a sua interface, pertencente também à DHI, designa-se de MIKE Zero.
3.1 Considerações gerais
O LITPACK é um software profissional de engenharia destinado à modelação do transporte de sedimentos não coesivos provocado por ondas e correntes. Aliado à capacidade de cálculo da deriva litoral sedimentar numa determinada zona, este software permite o estudo da evolução da linha de costa ao longo de praias quase-uniformes, constituindo um modelo numérico capaz de modelar a maioria dos processos existentes nas zonas perto da costa.
Na sua constituição integra módulos individuais capazes de simular processos costeiros específicos, permitindo uma modelação mais complexa respondendo com maior certeza aos problemas analisados. A Figura 3.1 apresenta um resumo dos módulos do LITPACK. Os módulos presentes no software LITPACK são os seguintes:
STP – Aplicado ao transporte sedimentar, em ondas e correntes, de sedimentos não coesivos; LITDRIFT – Cálculo da deriva sedimentar litoral devido a ondas e correntes;
LITLINE – Evolução da linha de costa;
LITTREN – Evolução sedimentar de canal/escavação, no caso de desequilíbrio sedimentar; LITPROF – Desenvolvimento do perfil transversal de praia, devido ao transporte sedimentar.
Integrado no software LITPACK, surge o Littoral Processes FM, ferramenta que reúne a maioria dos módulos e das funcionalidades do LITPACK com uma interface user-friendly, que permite ao utilizador um melhor tratamento dos dados e análise dos resultados. Na elaboração desta dissertação apenas se utilizaram os módulos STP, LITDRIFT e LITLINE por forma a prever a evolução da linha de costa num determinado trecho costeiro.
16
Figura 3.1 – Módulos do software LITPACK e as suas principais funções. Adaptado de DHI (2014b).
3.2 Littoral Processes FM
Littoral Processes FM é um sistema de modelação integrado que combina um modelo hidrodinâmico a um modelo de transporte sedimentar, capaz de simular um conjunto de cenários de ondas e correntes ao longo de linhas de costa lineares ou quase lineares. Este sistema simula, tal como o software LITPACK, o transporte de sedimentos não coesivos ao longo de linhas de costa quási-estacionárias, utilizando para tal uma abordagem de modelos de linha.
O sistema Littoral Processes FM contém quatro módulos de cálculo, formando, em conjunto, um modelo matemático complexo.
1. Transport in point; 2. Littoral Drift;
3. Littoral Dift Table Generation; 4. Coastline Evolution.
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A Figura 3.2 apresenta a integração e o encadeamento dos módulos que constituem o Littoral Processes FM.Figura 3.2 – Integração dos módulos do modelo Littoral Processes FM (DHI, 2014c).
3.2.1 Transport in point
Este módulo é o responsável pelo cálculo do transporte de sedimentos não coesivos em vários pontos utilizando para tal um modelo de Transporte Sedimentar Quási Tridimensional (STPQ3D – Sediment Transport Quasi Three-Dimensional). Este modelo calcula, instantaneamente, o transporte sedimentar em duas direcções horizontais num ponto (as componentes x e y), resolvendo a equação de difusão sedimentar vertical devido à acção de ondas e correntes, numa variedade de períodos de onda.
Este módulo tem ainda em conta a arbitrariedade dos ângulos de incidência de ondas e correntes, a configuração e o material de fundo, o declive do mesmo e as condições de rebentação das ondas.
O cálculo do transporte sedimentar de fundo e em suspensão é calculado separadamente sendo a soma dos respectivos valores o transporte sedimentar total, traduzido pela seguinte equação:
𝑞𝑡= 𝑞𝑏+ 𝑞𝑠 (3.1)
Onde 𝑞𝑡 é o caudal sedimentar total, 𝑞𝑏, representa o transporte sólido por arrastamento e 𝑞𝑠 o
18
No módulo Littoral Processes FM é usado o modelo de transporte sólido por arrastamento proposto por Engelund & Fredsøe, (1976) em que este é calculado em função do parâmetro instantâneo de Shields, apresentado na sua forma adimensional, 𝜃𝑓:
𝜃𝑓=
𝑈𝑓2
(𝑠 − 1)𝑔𝑑
(3.2)
Onde 𝑈𝑓 é a velocidade de arrastamento instantânea, 𝑠 é a densidade relativa do material de
fundo.
Através de uma abordagem determinística, define-se o parâmetro adimensional de transporte de fundo, Φb.
Φb= 5𝑝 (√𝜃𝑓′ − 0.7√𝜃𝑐)
(3.3)
Onde 𝜃𝑓′é o parâmetro de Shields determinado para um fundo plano, 𝜃𝑐 é o parâmetro critico de
Shields, e 𝑝, é determinado pela equação (3.4) onde 𝛽 representa o declive de fundo.
𝑝 = [1 + ( 𝜋 6𝛽 𝜃′− 𝜃 𝑐 ) 4 ] −0.25 (3.4)
A partir do parâmetro adimensional de transporte de fundo, Φb, as seguintes quantidades
direccionais podem ser calculadas sendo que Φb1e Φb2representam parâmetros de transporte
por arrastamento nas direcções do escoamento e normal ao escoamento, respectivamente.
Φb1= 1 𝑇∫ Φb 𝑇 0 (𝑡) cos(𝜑(𝑡)) 𝑑𝑡 (3.5) Φb2= 1 𝑇∫ Φb 𝑇 0 (𝑡) sin(𝜑(𝑡)) 𝑑𝑡 (3.6)
Onde 𝜑(𝑡) representa a direcção instantânea do escoamento.
Assim, calculam-se, respectivamente, o caudal sedimentar de fundo na direcção do escoamento, qb1, e normal à direcção do escoamento, qb2.
qb1= Φb1 √(𝑠 − 1)𝑔𝑑503
(3.7)
qb2= Φb2 √(𝑠 − 1)𝑔𝑑503
19
A soma destas duas grandezas traduz o caudal total sedimentar por arrastamento para a área de estudo.qb = qb1+ qb2 (3.9)
A variação temporal da concentração vertical de sedimentos suspensos é calculada através da equação da difusão vertical proposta por Fredsøe et al. (1985), recorrendo ao conceito de concentração de sedimentos, 𝑐𝑠, calculado pela equação de difusão vertical em regime
turbulento: 𝜕𝑐𝑠 𝜕𝑡 = 𝜕 𝜕𝑧[𝜖𝑠 𝜕𝑐𝑠 𝜕𝑧] + 𝑤 𝜕𝑐𝑠 𝜕𝑧 (3.10)
Onde 𝜖𝑠 é o coeficiente de difusão de sedimentos para escoamentos turbulentos e 𝑤, a
velocidade de queda das partículas.
O transporte sedimentar em suspensão é então calculado como o produto da velocidade instantânea do escoamento e a concentração instantânea de sedimentos:
𝑞𝑠= 1 𝑡𝑠 ∫ ∫ (𝑢𝑐𝑠) 𝑑𝑠 0 𝑑𝑧 𝑡𝑠 0 𝑑𝑡 (3.11)
Onde 𝑢 representa a velocidade do escoamento e 𝑡𝑠 e 𝑑𝑠 os extremos de integração,
respectivamente o tempo de simulação e o limite espacial da simulação.
Apresenta-se de seguida, na Tabela 3.1, o resumo da informação necessária para executar o módulo Transport in Point e a informação que poderá ser obtida do mesmo.
Tabela 3.1 – Informação necessária e obtida do módulo Transport in Point. Informação de entrada Informação de saída
Altura de água e declive do fundo;
Propriedades das ondas: altura significativa, período e ângulo de incidência;
Velocidade e direcção das correntes;
Propriedades dos sedimentos: tamanho, curva granulométrica e velocidade de queda;
Os valores médios, ao longo do tempo, do parâmetro eddy viscosity, velocidade, concentração e transporte sedimentar em suspensão;
Caudal sólido transportado em suspensão e por arrastamento;
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3.2.2 Littoral Drift
Este módulo é responsável pelo cálculo do transporte sedimentar longitudinal ao longo de um ou mais perfis transversais. Permite uma descrição determinística da distribuição longitudinal de sedimentos ao longo da costa bem como do balanço sedimentar causado por um ou mais eventos climatológicos. Constitui uma poderosa ferramenta de análise do balanço sedimentar, parâmetro de elevada importância para o estudo da morfologia da costa.
Este módulo consiste na combinação de um modelo hidrodinâmico, que calcula a propagação da onda ao longo da costa, e um modelo de transporte sedimentar (modelo análogo ao usado no módulo Transport in Point) que calcula o transporte sedimentar longitudinal usando os resultados provenientes do modelo hidrodinâmico. O módulo Littoral Drift simula a distribuição da altura de onda e correntes longitudinais para um perfil de costa definido tendo em conta ondas regulares e irregulares, o nível médio de água, ondas de maré, a tensão tangencial entre o vento e a superfície de água, os fenómenos de refracção, empolamento e rebentação e a distribuição não uniforme de sedimentos.
O modelo hidrodinâmico aplica a equação da conservação da quantidade do movimento, paralelamente à linha de costa, determinando a velocidade longitudinal ao longo do perfil, estando o parâmetro 𝜏𝑏, relacionado com a velocidade da seguinte forma proposta por Fredsøe
et al. (1985): 𝜏𝑏= − 𝑑 𝑑𝑦[𝜌𝐸𝑑 𝑑𝑢 𝑑𝑦] (3.12)
Onde 𝜏𝑏 representa a rugosidade de fundo, 𝜌, a densidade da água e 𝐸, o coeficiente de
transferência de quantidade de movimento.
Na Tabela 3.2 apresenta-se a informação necessária e a informação obtida da execução do módulo Littoral Drift.
Tabela 3.2 – Informação necessária e obtida na execução do módulo Littoral Drift. Informação necessária Informação obtida
Batimetria dos perfis transversais ao longo da zona em estudo;
Rugosidade e tamanho dos grãos para cada perfil;
Altura quadrática média da onda, período e ângulo de incidência da onda;
Nível do mar e velocidade das correntes de maré;
Distribuição do transporte sedimentar nos perfis transversais definidos;
Nível da superfície livre, altura de onda e correntes longitudinais;
21
A Figura 3.3 apresenta um exemplo dos resultados obtidos através do módulo Littoral Drift, em que, à esquerda, é possível observar o transporte sedimentar verificado ao longo de um perfil longitudinal e, à direita, a correspondente velocidade da corrente longitudinal obtida.Figura 3.3 – Cálculo do transporte sedimentar e velocidade longo de um dado perfil. Adaptado de DHI (2014b).
3.2.3 Littoral Drift Table Generation
A utilização do módulo Coastline Evolution encontra-se condicionada pela geração de tabelas de transporte sedimentar. De forma a reduzir o tempo de simulação da evolução costeira, as taxas de transporte sedimentar são interpoladas das tabelas de transporte sedimentar geradas por este módulo. Com o Littoral Drift Table Generation as tabelas de transporte sedimentar são criadas replicando as taxas de transporte sedimentar obtidas, por aplicação das condições hidrodinâmicas.
As tabelas são compostas por inúmeras taxas de transporte, para cada um dos eventos climatológicos simulados no Littoral Drift. Os resultados obtidos nas tabelas de transporte sedimentar consistem num número de ficheiros de quatro tipos, contendo informação sedimentar tal como a taxa total de sedimentos para as diferentes secções transversais, a distribuição da taxa de transporte sedimentar ao longo dos perfis e a posição dessa mesma distribuição.
Deste modo, a cada passo de cálculo, o módulo Coastline Evolution irá procurar nas tabelas de transporte geradas a informação sedimentar correspondente a cada ponto, na malha de cálculo, não tendo de inferir essa informação do módulo de deriva litoral, optimizando tempo de cálculo.
De referir ainda que a informação relativa ao clima de agitação marítima, ao largo, junto à costa e na zona de rebentação encontra-se também nestas tabelas, bem como a informação relativa aos perfis transversais definidos.
22
3.2.4 Coastline Evolution
Este módulo constitui a tarefa final no processo de simulação de evolução de linha de costa dado que calcula as movimentações da posição da linha de costa em relação a uma linha de base. O módulo representa um modelo de linha em que se assume que os perfis transversais se mantem inalterados, existindo apenas uma translação dos mesmos, resultado de erosão ou acreção sedimentar.
Baseado nos resultados obtidos através do Littoral Drift, este módulo de evolução costeira simula a resposta da costa a gradientes de transporte sedimentar longitudinal ao longo da mesma. O módulo permite calcular a evolução da linha de costa através da resolução da equação da continuidade dos sedimentos na zona litoral. De forma a avaliar a influência das mesmas, permite também a introdução de estruturas e obras marítimas, fontes e sumidouros sedimentares. A evolução da linha de costa pode também ser calculada através da deriva sedimentar com base numa série temporal de eventos, oferecendo a capacidade de estudar a evolução da linha de costa durante as estações de Inverno e de Verão ou após monções climáticas.
A equação principal para a evolução da linha de costa corresponde à equação da continuidade para o volume sedimentar apresentada de seguida:
𝑑𝑦 𝑑𝑡= (
𝑑𝑄𝑙
𝑑𝑥 + 𝑞) /(𝑑𝑏+ 𝑑𝑐)
(3.13)
Onde 𝑦 é a posição da linha de costa, 𝑥 é a coordenada longitudinal, 𝑡, representa o tempo, 𝑑𝑏,
é a altura média da berma acima do nível médio da água, 𝑑𝑐, representa a profundidade de fecho,
𝑄𝑙, é a taxa de transporte longitudinal de sedimentos e, 𝑞, representa as fontes e sumidouros de
sedimentos ao longo da costa.
Figura 3.4 – Definição da altura activa de um perfil transversal. Adaptado de DHI (2014a).
As mudanças nas condições de transporte devido a obras de engenharia costeira podem facilmente ser ultrapassadas através da introdução apropriada de condições de fronteira. Antes de bloquearem o transporte sedimentar, as obras costeiras mudam as relações de transporte junto da mesma, sendo necessário alterar essas relações perto da estrutura. A Figura 3.5
23
apresenta um exemplo de resultado obtido através do módulo de evolução costeiro, nomeadamente com a introdução de obras costeiras.25
4 C
ASO DE
E
STUDO
:
M
ACEDA
–
F
URADOURO
–
T
ORREIRA
.
A
NÁLISE DE
DADOS E PREPARAÇÃO DO MODELO
.
Este capítulo apresenta, na primeira parte, uma breve descrição sobre o caso de estudo e a análise histórica dos acontecimentos na área de interesse. Na segunda parte, este capítulo tem como objectivo a identificação e processamento de todos os dados necessários ao modelo matemático. Apresentam-se os dados de entrada, essenciais para a construção do modelo, sendo que a informação sobre o clima de agitação marítima, topografia, batimetria e posição da linha de costa em três momentos distintos, constituem os principais dados de entrada para a criação do modelo computacional.
4.1 Zona do projecto
A área de estudo encontra-se localizada na costa noroeste de Portugal Continental, a norte da Ria de Aveiro e apresenta uma linha de costa situada entre o esporão de Maceda e o esporão da Torreira/Murtosa, numa extensão linear de 19,33 km (Figura 4.1). Nesta análise dá-se especial atenção à zona do Furadouro, local que, ao longo do tempo, tem vindo a apresentar níveis de elevada erosão. A praia do Furadouro situa-se no concelho de Ovar, distrito de Aveiro, e é apontada há muitos anos como uma zona em que se evidencia o deficiente planeamento da orla costeira.
Figura 4.1 – Área de estudo e esporões limitadores da zona – Maceda e Torreira-Murtosa. Adaptado de (Google, 2010).
No que respeita ao processo erosivo na zona do Furadouro, as primeiras notícias reportam à década de sessenta do século XIX, tornando-se particularmente violento na parte final desse
