M
ODELAÇÃO
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IDRÁULICO DO
B
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P
ROTEÇÃO
C
OSTEIRA
SWED-B
LOCK
L
UÍST
IAGOF
ERREIRAF
ERNANDESDissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA
Orientador: Professor Doutor Francisco de Almeida Taveira Pinto
Coorientador: Professor Doutor Paulo Jorge Rosa Santos
M
ESTRADOI
NTEGRADO EME
NGENHARIAC
IVIL2017/2018
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 miec@fe.up.pt
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2017/2018 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2018.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
À minha família e amigos
The biggest reward for a thing well done is to have done it Voltaire
AGRADECIMENTOS
A realização desta dissertação foi uma das fases mais importantes da minha vida pessoal e académica. Na conclusão deste ciclo, queria aproveitar para deixar o meu enorme agradecimento a todos aqueles que me acompanharam ao longo deste semestre, mas também ao longo de todo o curso e da vida. Aos meus pais por terem sido os principais responsáveis pelo cumprimento deste meu objetivo, pois foi extremamente importante toda a confiança e motivação recebida da parte deles. Aos meus avós maternos, que foram como uns segundos pais, contribuindo para o meu desenvolvimento pessoal. Quero também deixar o meu apreço à minha restante família por todo o acompanhamento, ajuda e carinho demonstrando durante toda a minha vida.
Ao Professor Francisco Taveira Pinto e ao Professor Paulo Rosa Santos, orientador e coorientador, respetivamente, por toda a ajuda e disponibilidade demonstrada durante o período da realização deste trabalho. Os conhecimentos e conselhos que me transmitiram foram essenciais para a superação das diversas questões e problemas que foram surgindo ao longo da dissertação.
Ao Doutor Iván López por todo o apoio concedido na resolução dos problemas relacionados com a aplicação do modelo numérico, tendo um contributo fundamental na minha aprendizagem e familiarização com o modelo.
À Dona Esmeralda por todo o apoio prestado ao longo da concretização deste trabalho.
A todas os funcionários e Professores da FEUP com quem tive o prazer de me cruzar ao longo destes anos de vida académica, que proporcionaram a obtenção de conhecimento sobre diversas temáticas. A todos os colegas e amigos que fiz ao longo do curso e com quem passei momentos inesquecíveis. Sem eles, esta caminhada não teria o mesmo significado e valia.
A todos os amigos que me vêm acompanhando ao longo de todas as aventuras, que independentemente da sua maior ou menor presença na minha vida, todos tiveram uma grande participação na formação da pessoa que sou hoje.
A todos os amigos que fiz ao longo da minha experiência de Erasmus em Kaunas, Lituânia, com quem passei momentos fantásticos, e por quem guardo um carinho especial.
RESUMO
A erosão costeira constitui um dos maiores desafios para a Engenharia Costeira, com consequências económicas e sociais relevantes, e que têm vindo a ser agravadas pelos efeitos das alterações climáticas. Perante o agravamento deste problema, tem-se verificado uma crescente preocupação e consciencialização no sentido de proteger e salvaguardar as zonas de maior risco. Deste modo, existe um elevado interesse no desenvolvimento de novas formas de proteção costeira, capazes de mitigar os efeitos da erosão e que causem um menor impacto no local de implantação comparativamente às medidas mais tradicionais.
A presente dissertação pretendeu dar continuidade ao estudo de uma nova forma de proteção costeira, o SWED-block. Este bloco foi desenvolvido tendo por base o funcionamento de recifes naturais e apresenta-se como uma possível forma de mitigação da erosão costeira.
Para estudar a propagação e interação das ondas com o bloco, utilizou-se um modelo numérico de Computational Fluid Dynamics, o IHFOAM, que tem como base as equações RANS - Reynolds Average Navier-Stokes. Atualmente, e que é parte integrante do software OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), com capacidade de definição de condições-fronteira e solvers adequados à resolução do cálculo numérico para este tipo de aplicação.
A validação dos resultados provenientes da modelação numérica do SWED-block foi realizada através da comparação destes com os resultados obtidos no estudo em modelo físico, Gomes (2017). Dadas as potencialidades da ferramenta de cálculo utilizada, também foi possível analisar e estudar o comportamento do escoamento ao nível da partícula.
Este modelo numérico consegue simular a propagação e interação das ondas com o bloco e com o talude da praia de forma muito satisfatória. Em termos de análise da reflexão, os coeficientes de reflexão obtidos numericamente são próximos dos obtidos no modelo físico, nos casos em que se utilizou um perfil da praia modificado, semelhante ao perfil final dos ensaios. Nos casos de estudo para as condições de baixa-mar procurou-se garantir uma submersão do bloco adequada, enquanto que para as condições de preia-mar, a inclinação do talude da praia na zona de rebentação, demonstrou ser o fator mais determinante na obtenção de um coeficiente de reflexão próximo do verificado no modelo físico. De facto, percebeu-se que o perfil da praia aplicado no modelo numérico tem uma elevada influência nos resultados da reflexão, sendo um dos fatores mais importantes a considerar na aplicação do modelo numérico no estudo do SWED-block.
PALAVRAS-CHAVE:erosão costeira, CFD, modelação numérica, OpenFOAM, equações RANS,
ABSTRACT
Coastal erosion is one of the greatest challenges for Coastal Engineering, with relevant economic and social impacts, which are being aggravated by the effects of the climate change. The growing of this problem has been drawing a raising public awareness of protecting and safeguarding the social and economic assets, in the regions of greatest risk. Therefore, there is a high interest in the development of new forms of coastal protection, able to mitigate the effects of the erosion and that cause a smaller impact in the local of implementation compared to more traditional solutions.
The present dissertation intended to continue the study of a new form of coastal protection, the SWED-block. This block was developed based on the operation of natural reefs and presents itself as a possible form of mitigation of coastal erosion.
To study the propagation and interaction of the waves with the block, it was used a numerical model of Computational Fluid Dynamics, the IHFOAM, which is based on the RANS-Reynolds Average Navier-Stokes equations. Presently, this model is an integral part of OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation) software, with boundary conditions definition and solvers suitable for solving the numerical calculation for this type of application.
The validation of the results from the numerical modelling of the SWED-block was done by comparing these results with the results obtained in the in the physical model, study performed by Gomes (2017). Given the potential of the numerical tool used, it was also possible to analyse and study the flow behaviour at the particle level.
The numerical model used can simulate the propagation and interaction of waves with the block and the slope of the beach in a very satisfactory way. In terms of reflection analysis, the reflection coefficients obtained numerically are close to those obtained in the physical model, in cases where a modified beach profile was used, similar to the final profile of the experiments. In the case studies for the low-tide conditions, an attempt was made to ensure adequate submersion of the block, while for the high-tide conditions, the slope of the beach profile in the surf zone was the most important factor in obtaining a reflection coefficient closer to that verified in the physical model. In fact, it was noticed that the profile of the beach applied in the numerical model has a high influence on the results of the reflection analysis, being one of the most important factors to consider in the application of the numerical model in the study of the SWED-block.
Índice Geral Agradecimentos ... i Resumo ... iii Abstract ... v
1 INTRODUÇÃO
... 1 1.1. Enquadramento ... 11.2. Estrutura e Objetivos do Trabalho ... 2
2 A EROSÃO COSTEIRA E POSSÍVEIS SOLUÇÕES
... 52.1. Introdução ... 5
2.2. Caracterização da Erosão Costeira ... 5
2.2.1. INTRODUÇÃO ... 5
2.2.2. TRANSPORTE LONGITUDINAL ... 7
2.2.3. TRANSPORTE TRANSVERSAL ... 9
2.3. Medidas de Mitigação da Erosão Costeira ... 10
2.3.1. INTRODUÇÃO ... 10
2.3.2. SURGEBREAKER ... 12
2.3.3. WAVEBLOCK ... 14
2.3.4. BEACHSAVER REEF... 15
2.3.5. DOUBE-T SILL ... 17
2.3.6. P.E.P. REEFS – PREFABRICATED EROSION PREVENTION ... 19
2.3.7. DRIM – DISTORTED RIPPLE MAT ... 21
2.3.8. REEF BALL ... 23
2.3.9. BEACH PRISM ... 25
2.3.10. WAD - WAVE ATTENUATION DEVICE ... 26
2.4. O SWED-Block - Submerged Wave Energy Dissipation Block ... 29
2.4.1. INTRODUÇÃO ... 29
3 MODELAÇÃO NUMÉRICA DO SWED-BLOCK USANDO O
OpenFOAM
...393.1. Introdução ...39
3.2. Aplicação de Modelos Numéricos RANS ...40
3.3. Modelação Numérica ...45
3.3.1. AS EQUAÇÕES DE NAVIER-STOKES ...45
3.3.2. MÉTODO DO VOLUME OF FLUID (VOF) ...46
3.3.3. OPENFOAM - IHFOAM ...47
3.3.3.1. Preparação das condições de simulação ...47
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
...614.1. Análise da Reflexão e do Escoamento ...61
4.1.1. ANÁLISE SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK ...62
4.1.2. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK ...64
4.1.3. ANÁLISE COM A PRESENÇA DO MODELO RUGOSO DO SWED-BLOCK ...73
5 CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
...815.1. Conclusões ...81
5.2. Desenvolvimentos Futuros ...82
Bibliografia
...83ANEXOS
...87Anexo A ...89
ALGORITMO ADOTADO NAS SIMULAÇÕES ...89
Anexo B ...93
RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES SEM A PRESENÇA DO SWED-BLOCK ...93
Anexo C ...99
RESULTADOS OBTIDOS PARA AS SIMULAÇÕES COM A PRESENÇA DO MODELO LISO DO SWED-BLOCK ...99
Anexo D ... 121
Índice de Figuras
Fig. 1 – Esquema geral do fenómeno de erosão costeira provocada por uma tempestade (Charlier e De Meyer, 1998) ... 7 Fig. 2 – Campo de esporões a sul do Porto de Aveiro, sendo possível observar a erosão a sotamar de cada esporão (Google Maps, 2018) ... 8 Fig. 3 – Resultado da implantação de um esporão com acumulação de sedimentos a barlamar e
erosão a sotamar (Veloso Gomes, 2014)... 9 Fig. 4 – Imagens da passagem da tempestade de 5 de Junho de 2016 em Collaroy Beach, Sydney,
Austrália (Business Insider, 2016): antes (esquerda) e depois (direita) ... 10 Fig. 5 – a) Obra de estabilização de dunas (Veloso Gomes, 2014); b) estrutura longitudinal aderente
de betão em Glifoneri, Península de Kasandra, Grécia e c) campo de quebramares
destacados em Gombo, Itália (Pranzini et al., 2015) ... 11 Fig. 6 – Exemplo de um Surgebreaker (U.S. Army Corps of Engineers, 2004) ... 12 Fig. 7 – Dimensões do Surgebreaker (adaptado de Pilarczyk e Zeidler (1996), retirado de Gomes
(2017))... 13 Fig. 8 – Ilustração esquemática de um Waveblock (retirado de Pilarczyk e Zeidler (1996)) ... 14 Fig. 9 – Exemplo de um Beachsaver Reef (Pilarczyk e Zeidler, 1996)... 15 Fig. 10 – Ilustração esquemática da ação de um Beachsaver Reef na propagação das ondas
(Pilarczyk e Zeidler, 1996) ... 16 Fig. 11 – Colocação de um Double-T Sill em posição de funcionamento (elementos verticais voltados
para cima), com recurso a gruas (Stauble et al., 2005) ... 17 Fig. 12 – Sistema de interligação dos elementos do tipo Double-T Sill (Stauble et al., 2005) ... 18 Fig. 13 – Bloco P.E.P. Reef (Stauble e Tabar, 2003) ... 19 Fig. 14 – Esquema de implantação do P.E.P Reef em Palm Beach, Flórida (adaptado de Dean et al.
(1997)) ... 20 Fig. 15 – Esquema de montagem e funcionamento de um Distorted Ripple Mat – DRIM (adaptado de
Pilarczyk (2010)) ... 22 Fig. 16 – Desenvolvimento de um perfil de praia estável por utilização do DRIM (adaptado de
Pilarczyk (2010)) ... 22 Fig. 17 – Reef Balls utilizadas como quebramar submerso na intervenção da Ilha Grande Caimão
(Harris, 2003) ... 23 Fig. 18 – Exemplo de um Beach Prism (beachprisms.com) ... 25 Fig. 19 – Exemplo de um WAD a ser posicionado no local de intervenção (Living Shoreline Solutions
Inc., 2018) ... 27 Fig. 20 – Resultados relativos à redução da altura e energia de onda (Wang, 2007) ... 28 Fig. 21 – Comparação das cotas obtidas antes e depois da instalação dos blocos WAD (Living
Fig. 22 – Perfil transversal inicial do SWED-Block (Gomes, 2017)...30
Fig. 23 – Representação esquemática do modelo liso do SWED-Block (Gomes, 2017)...31
Fig. 24 – Representação 3D do modelo liso do bloco SWED (Gomes, 2017) ...31
Fig. 25 – Representação esquemática do modelo rugoso, evidenciando o pormenor dos degraus (Gomes, 2017) ...32
Fig. 26 – Representação 3D do modelo rugoso do novo bloco (Gomes, 2017), a barlamar e a sotamar, respetivamente ...32
Fig. 27 – Representação 3D do modelo poroso, apresentando as modificações aplicadas no paramento de barlamar, sotamar e ainda na parte lateral (Gomes, 2017) ...33
Fig. 28 – Coeficientes de reflexão obtidos para os diferentes modelos do SWED-Block, para um aumento da altura de onda significativa incidente e para o nível de maré de baixa-mar (Gomes, 2017) ...34
Fig. 29 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de maré de baixa-mar (Gomes, 2017) ...35
Fig. 30 – Coeficientes de reflexão obtidos para um nível de maré de preia-mar e aumento de altura de onda significativa incidente (Gomes, 2017) ...35
Fig. 31 – Coeficientes de reflexão obtidos em função do parâmetro adimensional, para o nível de maré de preia-mar (Gomes, 2017) ...36
Fig. 32 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de baixa-mar (Gomes, 2017) ...37
Fig. 33 – Variação do perfil da praia para os diferentes cenários analisados, para o nível de maré de preia-mar (Gomes, 2017) ...37
Fig. 34 – Comparação dos resultados numéricos com os do modelo físico, no instante t= 1. 45 s e para uma altura de onda de aproximadamente 0.05 m, em termos de: a) elevação da superfície livre da água e b) perfis de velocidade horizontal (superior) e vertical (inferior) (Wu e Hsiao, 2013) ...41
Fig. 35 – Esquema do setup do modelo (Lara et al., 2011) ...42
Fig. 36 – Comparação dos resultados numéricos com os obtidos nos ensaios de Sawaragi e Deguchi (1993) ...43
Fig. 37 – Comparação da elevação da superfície livre da água: (a) h=40 cm, T=1.6 s, H=10 cm. (b) h=40 cm, T=1.6 s, H=3.7 cm (Garcia et al., 2004) ...44
Fig. 38 – Campos de velocidades para t/T=0.55 (Garcia et al., 2004) ...44
Fig. 39 – Métodos mais comuns de simulação de turbulência (Bakker, 2006) ...45
Fig. 40 – Procedimento para a consideração de um volume médio nas equações RANS para obtenção das equações VARANS (Higuera, 2015) ...46
Fig. 41 – Definição da superfície livre, de acordo com o método VoF (Haider, 2013) ...47
Fig. 42 – Hierarquia das pastas e ficheiros do tutorial spillway ...48
Fig. 44 – Metodologia adotada para as simulações numéricas ... 51 Fig. 45 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de baixa-mar: a) Sem
bloco, b) Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017) ... 53 Fig. 46 – Perfis da praia utilizados nos ensaios laboratoriais, nas condições de preia-mar: a) Sem
bloco, b) Modelo liso e c) Modelo rugoso (Gomes, 2017) ... 54 Fig. 47 – Malha usada na simulação do modelo liso do SWED-block: a) descrição das fronteiras da
malha; b) zonas de refinamento localizado e c) refinamento do contorno do bloco ... 55 Fig. 48 – Gama de aplicabilidade de teorias de onda, Le Méhauté (1976), retirado de Higuera (2015)
... 57 Fig. 49 – Esquema geral do domínio físico utilizado no modelo numérico (valores em metros) ... 62 Fig. 50 – Perfis utilizados em cada simulação sem a presença do bloco ... 62 Fig. 51 – Coeficientes de reflexão obtidos para os níveis de baixa-mar e preia-mar: a) simulação 1 e
b) simulação 2 ... 63 Fig. 52 – Coeficientes de reflexão obtidos: a) para as simulações 3 e 4 e b) para o modelo físico, para
a praia na ausência do SWED-block, para as mesmas condições de agitação (Gomes, 2017) ... 63 Fig. 53 – Coeficientes de reflexão obtidos utilizando o perfil inicial da praia ... 65 Fig. 54 – Campos de velocidades para as três simulações, considerando o perfil inicial da praia para
o: a) nível de água igual a 0.33 m; b) nível de água igual a 0.36 m e c) nível de água igual a 0.39 m ... 66 Fig. 55 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block,
nas condições de baixa-mar ... 67 Fig. 56 – Comparação dos coeficientes de reflexão para o modelo liso do SWED-block, nas condições de baixa-mar ... 67 Fig. 58 – Análise do desenvolvimento da fossa de erosão a sotamar: a) estado final do ensaio
experimental (Gomes, 2017); b) campos de velocidades em que é possível observar o vórtice e c) turbulência cinética ... 68 Fig. 57 – Comparação dos campos de velocidades de duas simulações do modelo liso do
SWED-block, nas condições de baixa-mar: a) Perfil inicial da praia e nível da água em 0.39 m e b) Perfil rebaixado da praia e nível de água em 0.33 m ... 69 Fig. 59 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de baixa-mar, para duas situações
distintas: a) perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado considerando a fossa de erosão observada no modelo físico ... 70 Fig. 60 – Coeficientes de reflexão para o modelo liso do bloco obtidos para as condições de preia-mar
... 70 Fig. 61 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo liso do SWED-block,
nas condições de preia-mar ... 71 Fig. 62 – Coeficientes de reflexão para o modelo liso do bloco obtidos para as condições de preia-mar
Fig. 63 – Comparação dos campos de velocidades, nas condições de preia-mar, para duas situações distintas: a) perfil da praia rebaixado sem fossa de erosão e b) perfil da praia rebaixado com adição da fossa de erosão observada no modelo físico...72 Fig. 64 – Coeficientes de reflexão obtidos para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando o perfil
inicial da praia nas condições de baixa-mar ...73 Fig. 65 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do
SWED-block, nas condições de baixa-mar ...74 Fig. 66 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de baixa-mar
...74 Fig. 67 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do
SWED-block, com a ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de baixa-mar ...75 Fig. 68 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas
condições de baixa-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso ...76 Fig. 69 – Comparação da turbulência, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas condições de
baixa-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso ...77 Fig. 70 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de preia-mar
...78 Fig. 71 – Esquema do perfil da praia modelado numericamente para o modelo rugoso do
SWED-block, com a ligeira modificação no perfil na zona de rebentação da onda, nas condições de preia-mar ...78 Fig. 72 – Coeficientes de reflexão para o modelo rugoso do SWED-block, nas condições de preia-mar
...79 Fig. 73 – Comparação dos campos de velocidades, aplicando um perfil rebaixado da praia e nas
condições de preia-mar: a) Modelo liso e b) Modelo rugoso ...80 Fig. 74 – Algoritmo usado nas simulações ...91 Fig. 75 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de baixa-mar
...95 Fig. 76 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ...95 Fig. 77 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de preia-mar
...95 Fig. 78 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ...96 Fig. 79 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de baixa-mar
...96 Fig. 80 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ...96 Fig. 81 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de preia-mar
...97 Fig. 82 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ...97
Fig. 83 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de baixa-mar ... 97 Fig. 84 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 98 Fig. 85 – Série temporal da elevação da superfície livre sem o bloco, para as condições de preia-mar
... 98 Fig. 86 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 98 Fig. 87 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando
o perfil inicial da praia, para as condições de baixa-mar ... 101 Fig. 88 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 101 Fig. 89 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia, nas condições de baixa-mar ... 102 Fig. 90 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando
o perfil inicial da praia, para as condições de preia-mar ... 103 Fig. 91 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 103 Fig. 92 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando
o perfil inicial da praia e subida do nível de água para h=0.36 m ... 104 Fig. 93 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 104 Fig. 94 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia
e subida do nível de água para h=0.36 m ... 105 Fig. 95 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando
o perfil inicial da praia e subida do nível de água para h=0.39 m ... 106 Fig. 96 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 106 Fig. 97 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando o perfil inicial da praia
e subida do nível de água para h=0.39 m ... 107 Fig. 98 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block, utilizando
um perfil rebaixado da praia, nas condições de preia-mar ... 108 Fig. 99 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 108 Fig. 100 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado
da praia, nas condições de preia-mar ... 109 Fig. 101 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da praia, nas condições de preia-mar ... 110 Fig. 102 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block,
utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ... 111 Fig. 103 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 111 Fig. 104 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado
da praia, nas condições de baixa-mar ... 112 Fig. 105 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil
Fig. 106 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block,
utilizando um perfil rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar ... 114 Fig. 107 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 114 Fig. 108 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado
da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar ... 115 Fig. 109 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de baixa-mar ... 116 Fig. 110 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo liso do SWED-block,
utilizando um perfil rebaixado da praia com a adição de uma fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar... 117 Fig. 111 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 117 Fig. 112 – Campos de velocidade para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil rebaixado
da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar ... 118 Fig. 113 – Variação da turbulência cinética para o modelo liso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da praia com fossa de erosão a sotamar do bloco, nas condições de preia-mar ... 119 Fig. 114 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block,
utilizando o perfil inicial da praia, nas condições de baixa-mar ... 123 Fig. 115 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 123 Fig. 116 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block,
utilizando o perfil inicial da praia, nas condições de preia-mar ... 123 Fig. 117 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 125 Fig. 118 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block,
utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ... 125 Fig. 119 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 125 Fig. 120 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ... 126 Fig. 121 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da, nas condições de baixa-mar ... 127 Fig. 122 – Série temporal da elevação da superfície livre para o modelo rugoso do SWED-block,
utilizando um perfil rebaixado da praia, nas condições de preia-mar ... 128 Fig. 123 – Série temporal da separação da onda incidente e da refletida ... 128 Fig. 124 – Campos de velocidade para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil
rebaixado da praia, nas condições de baixa-mar ... 129 Fig. 125 – Variação da turbulência cinética para o modelo rugoso do SWED-block, utilizando um perfil
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de referência de definição do domínio da malha numérica ... 51
Tabela 2 – Características da malha base 2D tendo como referência uma onda com L = 9.78 m e H = 0.13 m (valores do modelo) ... 52
Tabela 3 – Condições de agitação marítima testadas, valores no modelo (escala 1:15) ... 57
Tabela 4 – Descrição das simulações realizadas... 58
Tabela 5 – Descrição das simulações realizadas... 59
Tabela 6 – Características da malha base 2D usada nas simulações de preia-mar do modelo liso do SWED-block ... 73
Tabela 7 – Resumo comparativo entre os resultados obtidos no modelo físico e no modelo numérico ... 79
SÍMBOLOS,ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS
POR ORDEM ALFABÉTICA
alpha.water Função de Volume of Fluid
BM Nível de maré de baixa-mar [m]
C++ Linguagem de programação derivada da linguagem C
CFD Computational Fluid Dynamics
COBRAS COrnell BReaking And Structure
DES Detached Eddy Simulation
DNS Direct Numerical Simulation
DRIM Distorted Ripple Mat
DWA Dynamic Wave Absorption
FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
GridFEUP Rede de alta performance computacional
IHCantabria Instituto de Hidráulica Ambiental da Universidade de Cantábria LES Large Eddy Simulation
MHW Mean High Water [m]
NGVD National Geodetic Vertical Datum of 1929
OpenFOAM Open Field Operation And Manipulation
P.E.P. Reef Prefabricated Erosion Prevention Reef
PM Nível de maré de preia-mar [m]
RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes
RAS Reynolds Average Simulations
SST Shear Stress Transport
stl Stereolithography (formato de ficheiro CAD)
SWED-block Submerged Wave Energy Dissipation Block
U.S.A.C.E. United States Army Corps of Engineers
US Army United States Army
VARANS Volume Averaged Navier-Stokes
VoF Volume of FLuid
SÍMBOLOS
Cr Coeficiente de reflexão
Cu Valor constante, geralmente igual a 0.09, para o modelo de
turbulência κ – ε
dx Dimensão da malha na direção x [m]
dy Dimensão da malha na direção y [m]
dz Dimensão da malha na direção z [m]
g Aceleração da gravidade [m/s2]
h Profundidade de água [m]
H Altura de onda [m]
Hsi Altura de onda Incidente [m]
Hsr Altura de onda Refletida [m]
I Intensidade da turbulência [%]
l Escala de comprimento de turbulência
L Comprimento de onda [m]
nut Viscosidade turbulenta
Nx Número de células total da malha na direção x
Ny Número de células total da malha na direção y
Nz Número de células total da malha na direção z
p_rgh Pressão dinâmica [Pa]
T Período de onda ou intervalo de tempo correspondente à passagem
de duas cristas sucessivas [s]
Tp Período de pico [s]
U Velocidade [m/s]
z Cota [m]
δx Espaçamento das células na direção x [m]
δx/L Número de células por comprimento de onda na direção x
δy Espaçamento das células na direção y [m]
δz Espaçamento das células na direção z [m]
δz/H Número de células por altura de onda
ε Dissipação da turbulência
κ Turbulência cinética [m2/s]
κ - ω Modelo de turbulência kOmega
κ – ω SST Modelo de turbulência kOmega SST
ξ Parâmetro adimensional
1
INTRODUÇÃO
1.1. ENQUADRAMENTO
A crescente presença populacional em regiões costeiras parece constituir um fator decisivo no seu crescimento (Pilarczyk e Zeidler, 1996). De facto, com o passar do tempo, as atividades humanas associadas a esta proximidade às zonas marítimas foram aumentando e diversificando, sendo hoje de extrema importância socioeconómica para as mesmas. Posto isto, percebe-se que seja dada uma atenção especial por parte das autoridades competentes às zonas costeiras de forma a assegurar a sua estabilidade e sustentabilidade.
Os fenómenos de erosão e de acreção costeira resultantes da ação da agitação marítima sempre existiram na natureza, pelo que tiveram um elevado contributo em moldar as linhas de costa atualmente existentes. No entanto, o incremento da atividade humana nestas regiões acabou por intensificar indiretamente o fenómeno da erosão costeira, interferindo com o aspeto natural do processo.
Por outro lado, as alterações climáticas surgiram como um catalisador da erosão causada nas zonas costeiras um pouco por todo o mundo, sendo esta bastante visível também na costa portuguesa. Essas alterações são frequentemente atribuídas à revolução industrial que surgiu em Inglaterra em finais do século XVIII, pois existem dados que apontam para que, no período que se seguiu a esse acontecimento, tenham existido mudanças significativas a nível ambiental. Segundo a Agência Europeia do Ambiente (2017), a temperatura média mundial subiu cerca de 0.8º C em relação à média do período pré-industrial (2ª metade do século XIX), o nível médio da água do mar subiu, o degelo dos glaciares polares intensificara-se e verificara-se ainda alterações nos padrões de pluviosidade.
Nas últimas décadas tem-se observado um aumento de situações climatéricas extremas, como ondas de calor, situações de seca ou inundações causadas por tempestades severas e aumento da intensidade do vento (Agência Europeia do Ambiente, 2017). Apesar de na comunidade científica a nível mundial não se atribuir uma responsabilidade direta e total às alterações climáticas, é de prever que mais situações meteorológicas extremas possam vir a acontecer e com isso uma maior frequência e intensidade de tempestades.
Estes acontecimentos têm graves consequências em todo o território, sendo que o aumento do nível médio da água do mar e, principalmente, o agravamento das tempestades, apresentam alguns problemas para as zonas costeiras a nível mundial pois são áreas sujeitas à ação direta destes fenómenos. Os danos que são possíveis de observar aquando da passagem destas tempestades pelo território português e europeu demonstram a capacidade destrutiva e a influência negativa que podem ter na alteração morfológica destas zonas de maior risco.
De forma a dar resposta a estes problemas, tanto a nível europeu como nacional, foram sendo desenvolvidas medidas de mitigação destes fenómenos. De acordo com o Projeto EUROSION da Comissão Europeia, estima-se que a área total (incluindo habitações e outras edificações) perdida por causa da erosão costeira seja cerca de 15 km2/ano na Europa, sendo o custo anual em medidas de mitigação estimado em cerca de 3 mil milhões de euros, o que é compreensivelmente um valor demasiado elevado e com tendência a aumentar significativamente (EUROSION, 2006). Os elevados custos referidos advêm da construção de estruturas de proteção costeira sendo que algumas dessas têm vindo a ser prática comum por um período de tempo bastante longo, como é o caso dos quebramares e esporões. No entanto, percebeu-se que estas estruturas afetavam o normal transporte de sedimentos propiciando a sua deposição a barlamar, o que acabaria por causar erosão a sotamar, e por isso efeito negativos em zonas adjacentes. Tendo em conta o peso socioeconómico associado às atividades dependentes das zonas costeiras, há hoje uma maior preocupação e exigência em assegurar os menores impactes negativos possíveis nestas regiões por parte das populações afetas. Sendo assim, é necessário estudar e tentar adotar medidas alternativas viáveis e preferencialmente mais eficazes.
As soluções submersas como os quebramares destacados ou os recifes artificiais (ambos inspirados nos recifes naturais) surgem como uma possível alternativa. No entanto, são de mais difícil execução, apresentam custos mais elevados e requerem meios especiais para a sua aplicação, sendo lógica a ideia de desenvolver uma alternativa que seja económica e de fácil execução.
Essas estruturas, como o novo bloco para proteção costeira que se pretende analisar numericamente nesta dissertação, configuram uma hipótese alternativa mais económica que as soluções correntemente utilizadas, sendo que o principal objetivo é de proteger a linha de costa face às novas exigências ambientais e sociais, sem interferências importantes na paisagem natural.
O referido novo bloco, designado por SWED- Submerged Wave Energy Dissipation Block, consiste num bloco pré-fabricado em betão, de aplicação submersa ao largo de praias atingidas pelos efeitos da erosão, perspetivando a mitigação desses efeitos.
1.2. ESTRUTURA E OBJETIVOS DO TRABALHO
Os principais objetivos deste trabalho passam por dar continuidade ao desenvolvimento do novo bloco de proteção costeira SWED-Block. Deste modo, de forma a dar seguimento ao trabalho da modelação física do bloco realizado por Gomes (2017) procedeu-se à modelação numérica do mesmo. Inicialmente pretendeu-se validar os resultados numéricos com os experimentais e, posteriormente, considerando as capacidades da modelação numérica foi possível melhorar o conhecimento sobre os mecanismos de dissipação da energia da onda com vista à otimização do desempenho do bloco e ainda analisar o conhecimento do escoamento na envolvente do bloco, para diferentes condições hidrodinâmicas. No presente capítulo é apresentada uma breve introdução ao tema que será abordado no âmbito desta dissertação, a problemática da erosão costeira e o desenvolvimento de um elemento estrutural de defesa que será alvo de análise.
No capítulo 2, pretende-se perceber e fazer uma análise sobre o problema da erosão que atinge as regiões costeiras e possíveis soluções para o mitigar. Deste modo, foi feita uma revisão bibliográfica de estruturas semelhantes ao SWED-Block, que tenham sido anteriormente alvo de análise e aplicadas em casos reais para proteção de zonas em risco. Através desta revisão, pretendia-se perceber quais as características desses modelos que mais afetam a sua eficiência na redução da erosão. Ainda neste capítulo é feita uma apresentação dos diferentes modelos do SWED-Block testados em laboratório, bem como a descrição dos resultados experimentais obtidos por Gomes (2017).
O procedimento seguido na preparação do modelo numérico está descrito no capítulo 3. Neste capítulo são apresentados os passos necessários para a aplicação do modelo OpenFOAM - IHFOAM e todas as considerações tomadas para a melhor reprodução numérica das condições testadas no modelo físico. Ainda neste capítulo realizou-se uma revisão de trabalhos anteriores em que tenham sido aplicados modelos numéricos avançados baseados nas equações de RANS – Reynolds Average Navier-Stokes. No quarto capítulo são descritos os resultados e as respetivas análises das simulações efetuadas para o modelo liso e rugoso do SWED-Block.
Finalmente, no quinto capítulo, são apresentadas as conclusões retiradas das análises efetuadas ao longo da presente dissertação, bem como propostas para desenvolvimentos futuros.
2
A
EROSÃO
COSTEIRA
E
POSSÍVEIS
SOLUÇÕES
2.1. INTRODUÇÃO
A erosão costeira é um fenómeno que afeta a linha de costa e é causadora de graves problemas sociais e económicos. Neste sentido, esta dissertação pretende estudar um novo bloco de defesa (o SWED-block) capaz de dar uma resposta positiva a alguns dos problemas. No presente capítulo irá ser feita uma breve caracterização deste fenómeno e apresentadas soluções estudadas e aplicadas no passado, tendo em vista a otimização desse bloco de proteção.
A erosão costeira pode ser causada por diversos fatores, o que pode levar a que os seus efeitos nas zonas sujeitas à ação da agitação marítima possam ser diferentes. Os efeitos da erosão que mais se destacam são os que se verificam ao longo da linha de costa, isto é, os efeitos longitudinais e os que se observam perpendicularmente à linha de costa, os efeitos transversais.
As medidas preventivas ou de mitigação a serem consideradas para aplicação podem variar consoante o tipo de intervenção necessária e as características existentes no local da erosão. As medidas de intervenção para controlo local da erosão são frequentemente divididas em dois tipos: pesadas e ligeiras (van Rijn, 2011). Sendo assim, ainda neste capítulo, será feita uma revisão bibliográfica das intervenções possíveis para controlo da erosão, tendo por objetivo perceber as potencialidades e as limitações de cada uma das soluções apresentada.
2.2. CARACTERIZAÇÃO DA EROSÃO COSTEIRA 2.2.1. INTRODUÇÃO
A erosão costeira é responsável por situações preocupantes nas regiões costeiras, tendo uma elevada influência na modelação da linha de costa e na alteração das paisagens naturais como são o caso das dunas, praias e arribas. Assim, para se perceber quais serão as melhores formas de mitigar estes problemas, é necessário saber que tipo de consequências a erosão tem na dinâmica costeira e na morfologia dos diferentes locais erodidos. Recentemente tem surgido uma crescente preocupação com a influência que as alterações climáticas têm ao nível da erosão costeira, no entanto, este é um processo natural que sempre existiu e, nesse âmbito, está diretamente associado às marés, à ação do vento, à ação das ondas e ao transporte de sedimentos, sendo que neste caso é considerado como um fator negativo se houver uma diferença negativa entre os sedimentos que afluem às zonas costeiras e os que são transportados pela deriva litoral.
Nos últimos anos tem sido atribuída alguma responsabilidade às alterações climáticas pela subida geral da temperatura no planeta (Agência Europeia do Ambiente, 2017), o que por efeito leva à subida do
nível médio da água do mar por degelo de calotes polares e da neve, aumentando o volume de água existente nos oceanos em estado liquido.
Sendo que a ação das marés consiste na oscilação periódica do nível médio da água do mar e pelas correntes de maré que atuam nos estuários e embocaduras de rios e nas zonas adjacentes, a subida do nível médio da água do mar provocada pelo aumento de volume de água, leva a uma alteração da interação das correntes marítimas com as correntes fluviais. Os estuários e as embocaduras de rios são locais onde normalmente ocorre a transposição dos sedimentos aluvionares de origem fluvial para as correntes marítimas, sendo que este aumento do nível médio da água do mar pode levar a que a corrente fluvial deixe de ter capacidade de movimentar os sedimentos para a deriva litoral. De modo a dar resposta a estas ações, estes locais têm tendência a tornarem-se locais de deposição e não de circulação de sedimentos (Dias, 1993).
Para agravar a situação, o transporte sedimentar que aflui às praias tem sofrido alterações significativas ao longo dos anos, contribuindo para que em algumas situações exista um balanço negativo de sedimentos. As interrupções dos leitos fluviais originadas pela construção de aproveitamentos hidroelétricos e obras de regularização de cheias e as albufeiras associadas, fazem com que os sedimentos fiquem aí retidos, impossibilitando-os de chegarem aos estuários e serem posteriormente levados pelas correntes até ao mar. A capacidade de regularização de cheias das barragens também pode diminuir o transporte de sedimentos porque implica alterações nos caudais de cheia. Esses caudais estão diretamente associados a um maior valor de material sólido por terem maior capacidade de arrastamento. Portanto, a regularização de caudais em albufeiras pode originar menos sedimentos transportados em caso de cheias. No caso de Portugal, as atividades antrópicas como a dragagem de material sedimentar de rios e estuários para fins económicos e a necessidade de retirar material dos canais de navegação onde ocorra sedimentação por razões de segurança e operacionalidade são fatores agravantes deste défice sedimentar nas regiões costeiras (Veloso Gomes, 2014).
O vento é um fenómeno natural caracterizado pela movimentação de elevadas quantidades de ar e a sua ocorrência é capaz de originar flutuações do nível médio da água do mar e ondas. As tempestades mais severas e situações meteorológicas extremas, estão associadas a ventos fortes, em que a sua combinação tem um contributo significativo na estabilidade de estruturas de defesa costeira para além de intensificarem a erosão. A ação do vento tem também a capacidade de interferir e moldar as zonas emersas das praias e das dunas (Veloso Gomes, 1993).
A ocorrência de tempestades severas tem como consequência uma redistribuição dos sedimentos existentes, sendo que normalmente ocorre erosão das dunas e uma alteração no perfil transversal da praia. Isto deve-se ao galgamento destas áreas pelo mar e pela capacidade de transporte de sedimentos destes locais para as zonas imersas do mar. Tratando-se de um processo natural que se tem vindo a verificar ao longo do tempo, foi-se observando que após estes eventos, o perfil da praia iria sendo gradualmente reposto, embora nunca ficaria igual ao existente antes da ocorrência da tempestade (Fig. 1). O perfil transversal das praias tem tendência a reduzir gradualmente com o tempo, devido à escassez de sedimentos disponibilizados pelas correntes fluviais, o que obriga a medidas de mitigação em zonas de maior risco.
Fig. 1 – Esquema geral do fenómeno de erosão costeira provocada por uma tempestade (Charlier e De Meyer, 1998)
Considerando o que foi anteriormente referido, é fácil perceber que a erosão costeira que atualmente se faz sentir por todo o planeta, inclusive a que ocorre em território português, tem varias causas. Embora algumas dessas causas sejam provocadas por fenómenos naturais, como é o caso das marés, do vento ou a ação das ondas, deve-se ter em consideração que as atividades antrópicas apresentam o maior contributo na erosão (Dias, 1993). Este facto deve-se à ação direta do homem, pela construção de esporões ou quebramares que podem originar erosão a sotamar, o intenso desenvolvimento urbano da faixa litoral, a extração de material sedimentar, ocupação ou destruição de áreas dunares e de vegetação, mas também indiretamente, pelo contributo que as atividades humanas têm vindo a apresentar no agravamento das condições climáticas, observado pela subida do nível médio da água do mar, subida da temperatura média ou o aumento da frequência, duração e intensidade das tempestades (Agência Europeia do Ambiente, 2017). Os efeitos resultantes da ocorrência deste fenómeno são facilmente observados pelo recuo da linha de costa e pelas constantes alterações dos perfis transversais das praias associadas a uma diminuição da largura de praia (Veloso Gomes, 1993).
2.2.2. TRANSPORTE LONGITUDINAL
Os efeitos de erosão longitudinais, caracterizados pela ação de transporte de sedimentos de barlamar para sotamar, ao longo da linha de costa, resultam do défice sedimentar originado pela menor acreção de areias a barlamar. No caso de Portugal, esta movimentação de sedimentos ocorre em geral de norte para sul.
Como foi anteriormente referido, esta ação erosiva está diretamente associada à menor afluência de sedimentos de fontes aluvionares, sendo que esta faz com que a deriva litoral não tenha capacidade de ir repondo a barlamar a quantidade de sedimentos que vai transportando para sotamar, originado um grave défice de areias em certos locais. Este défice nas quantidades de areia movimentadas tem vindo a causar a diminuição de volume de areia disponível nas praias, sendo que em algumas regiões essa areia é a primeira linha de defesa de povoações. Sem essa linha de defesa, ou com a diminuição desta, a ação marítima é cada vez mais capaz de atingir as povoações e provocar danos económicos e sociais. No caso de Portugal, por exemplo, a linha de costa do distrito de Aveiro apresenta debilidades sérias que têm sido alvo de estudos intensivos. Esta situação é provocada pela construção do quebramar norte do Porto de Aveiro (Fig. 2), que retém parcialmente os sedimentos a barlamar, bem como dos sucessivos esporões
existentes, impossibilitando que a deriva litoral transporte os sedimentos para sotamar, onde se encontram as praias com problemas graves de erosão por falta de areia, resultando num balanço sedimentar negativo (EUROSION, 2006).
Fig. 2 – Campo de esporões a sul do Porto de Aveiro, sendo possível observar a erosão a sotamar de cada esporão (Google Maps, 2018)
De facto, as intervenções mais comuns com impacto ao nível do transporte longitudinal de sedimentos, são os esporões e os quebramares enraizados na costa. Estas construções interrompem a normal movimentação de sedimentos ao longo da costa, o que resulta numa acumulação de sedimentos a barlamar destas estruturas. No entanto, estas mesmas estruturas também são responsáveis pela erosão das praias a sotamar das mesmas, pois ao reterem os sedimentos a barlamar irão provocar erosão a sotamar.
Fig. 3 – Resultado da implantação de um esporão com acumulação de sedimentos a barlamar e erosão a sotamar (Veloso Gomes, 2014)
Essa erosão está também associada a diferentes ângulos de incidência das ondas, sendo que uma propagação das ondas quase perpendicular à praia origina menor acreção a barlamar e erosão a sotamar mais próxima da estrutura, ao contrário do que se verifica para um ângulo menor de incidência das ondas (Fig. 3).
2.2.3. TRANSPORTE TRANSVERSAL
Os efeitos transversais resultantes da erosão costeira são, na sua maioria, provocados pela ação das ondas e das correntes marítimas que, de uma forma combinada, são capazes de movimentar elevadas quantidades de areiaa na direção perpendicular à linha de costa. Uma vez que a erosão longitudinal consiste no transporte de sedimentos pela deriva litoral de barlamar para sotamar, as alterações negativas na morfologia costeira são graduais, exceto nos casos em que haja interrupção nesta movimentação pela existência de obras capazes de reter sedimentos a barlamar. Por sua vez, os efeitos associados à erosão transversal podem ser observados com maior frequência. A subida do nível médio da água do mar também constitui um fator agravante destas ações pois as ondas passam a aproximar-se mais da linha de costa, causando uma redistribuição transversal dos sedimentos que pode originar a destruição completa das dunas e o recuo de praias.
Nesta situação, a movimentação de sedimentos não se dá ao longo da costa como no caso da erosão longitudinal, mas sim para o largo. Habitualmente este processo natural é reversível, pelo que as areias removidas são normalmente repostas na praia ao fim de pouco tempo. Normalmente isto acontece em condições de agitação marítima e marés normais, sendo que os eventos meteorológicos extremos são os que possibilitam uma maior alteração do volume de areia existente devido a serem eventos com uma duração relativamente curta, mas altamente energéticos (Fig. 4). Um exemplo deste tipo de eventos são as tempestades extremas que, embora não sejam tão frequentes, a sua ocorrência provoca grandes oscilações no nível médio da água do mar e ondas de elevada altura com energia capaz de transferir para
o largo grandes quantidades de areia. Caso essa areia não seja reposta após a passagem da tempestade, ocorrerão profundas mudanças na praia afetada. As tempestades na grande maioria das vezes ocorrem durante o período de Inverno, pelo que no período de Verão, a agitação marítima menos intensa propicia que as alterações no perfil transversal da praia ocorridas durante o Inverno sejam aligeiradas pela reposição de areias na praia. O maior problema associado a este processo é a eventualidade da reposição de areias não se verificar, o que leva a que as alterações provocadas nas praias não sejam recuperáveis. Para fazer face a esta possibilidade devem implantar-se medidas de mitigação que consigam, pelo menos, atenuar as consequências da passagem destas tempestades em zonas de maior risco.
Fig. 4 – Imagens da passagem da tempestade de 5 de Junho de 2016 em Collaroy Beach, Sydney, Austrália
(Business Insider, 2016): antes (esquerda) e depois (direita) 2.3. MEDIDAS DE MITIGAÇÃO DA EROSÃO COSTEIRA
2.3.1. INTRODUÇÃO
A erosão costeira é um problema que merece uma atenção especial, sendo cada vez mais difícil fazer face a esta situação, o que tem obrigado a repensar e a estudar novas medidas de a mitigar. As atividades humanas aliadas a uma maior imprevisibilidade climática contribuíram para um agravamento desta situação.
A ação humana em zonas costeiras tem um longo historial visto tratar-se de áreas especialmente atrativas do ponto de vista económico e social. A proximidade com o mar permitiu desde logo a exploração destas regiões para fins de turismo balnear, pesca, desenvolvimento de portos e atividades recreativas e de lazer. As más práticas ou a ausência de um planeamento urbanístico eficiente para estas zonas, resultante de um pensamento a curto prazo movido por fatores económicos, que se prolongou por um longo período, contribuiu para que nos dias de hoje existam diversas zonas consideradas como de risco. Para além desta ação direta por parte do Homem, também a sua ação indireta que lhe é imputada pelas alterações climáticas tem vindo a resultar em mudanças constantes das praias. A subida do nível médio da água do mar e uma maior instabilidade associada à ocorrência de condições meteorológicas extremas são dois dos principais fatores resultantes das alterações climáticas que têm vindo a agravar a erosão costeira (Agência Europeia do Ambiente, 2017).
A existência de aglomerados populacionais e outras edificações de elevada importância em zona de risco devido às consequências da erosão, obriga a que se estudem formas de mitigar essas consequências e proteger as regiões mais debilitadas, de modo a que não seja necessária a retirada dessas zonas.
Existem dois tipos de intervenções de proteção costeira classificadas como pesadas (“hard”) ou ligeiras (“soft”), como é possível observar na Fig. 5, ambas consideradas como as soluções tradicionais. As intervenções pesadas (isto é, que utilizam estruturas rígidas) resultam numa maior alteração da paisagem natural e apresentam uma maior complexidade de aplicação dadas as suas dimensões características e
as condições necessárias à execução em obra. Estas soluções de proteção costeira são as que têm sido mais frequentemente utilizadas desde que os efeitos de erosão começaram a criar a necessidade de proteger determinados locais de interesse. Todavia, são alvo de alguma polémica junto das populações e de instituições locais devido aos impactos negativos que estas têm na natureza. Os quebramares destacados, esporões, as estruturas longitudinais aderentes ou os revestimentos com enrocamento são alguns exemplos deste tipo de intervenções.
Por outro lado, as intervenções consideradas ligeiras são uma alternativa mais amigável do ponto de vista paisagístico para além de terem frequentemente menores custos e serem mais facilmente aplicadas (van Rijn, 2011). A alimentação artificial de praias com areias é um exemplo deste tipo de solução, tendo sido executada em diversos locais na Europa, que se encontram afetados pela ausência de sedimentos. A construção de recifes artificiais, a reconstrução ou a estabilização de dunas já existentes e a combinação de materiais geossintéticos com as areias das praias, são exemplos de intervenções menos intrusivas para o meio natural e para a paisagem, algumas das quais reversíveis.
Fig. 5 – a) Obra de estabilização de dunas (Veloso Gomes, 2014); b) estrutura longitudinal aderente de betão em Glifoneri, Península de Kasandra, Grécia e c) campo de quebramares destacados em Gombo, Itália (Pranzini et
al., 2015)
Como foi referido, a alimentação artificial de praias com areias é uma intervenção ligeira, com bastante potencial. No entanto, dado a facilidade com que os sedimentos colocados podem ser novamente arrastados leva a que sejam estudadas possibilidades de combinação deste tipo de intervenção com estruturas que facilitem a manutenção dos sedimentos lá colocados. Desta forma, a colocação de recifes artificiais ao largo da costa pode configurar-se como uma possibilidade de complementar a alimentação artificial com areias.
O estudo da aplicação destes recifes artificiais tem por base os recifes naturais, possíveis de observar em certos locais. A colocação destes recifes está dependente da utilização de estruturas modulares, colocadas ao largo, atuando sobre a agitação marítima, promovendo uma dissipação de energia das ondas por rebentação. Estas estruturas, ao provocarem uma diminuição na capacidade erosiva das ondas, permitem, portanto, uma redução dos efeitos da erosão costeira. Usualmente, estes elementos são colocados submersos em relação ao nível da água do mar, tendo um impacte quase nulo na paisagem, visto que se estiverem submersos não são visíveis a partir da linha de costa, o que confere um fator positivo para a aplicação deste tipo de estruturas. Estes elementos são, na maior parte dos casos, pré-fabricados em betão e, dependendo das suas configurações de projeto, podem possibilitar o desenvolvimento de fauna e flora no seu interior ou na sua envolvente, estando assim a contribuir para o ecossistema marinho e diminuindo o impacto da sua aplicação na natureza. Com o objetivo de estudar a sua utilização, algumas destas propostas foram aplicadas em locais afetados por erosão com o intuito de melhorar o conhecimento quanto à sua aplicabilidade e probabilidades de sucesso. De seguida, serão apresentados alguns exemplos dos referidos elementos modulares, que foram a base para a conceção de um novo bloco para proteção costeira, que pretende, idealmente, combinar o que cada solução tem de mais positivo.
2.3.2. SURGEBREAKER
O Surgebreaker (US Army 1981, Kakuris 1983) é um elemento modular pré-fabricado em betão armado com um peso aproximado de 20 kN (Fig. 6). Trata-se de um modelo patenteado, de base retangular e com geometria definida, tendo 1.2 m de altura e largura e ainda 1.8 m de comprimento. O Surgebreaker é constituído por três aberturas que atravessam o corpo do elemento, de um lado ao outro, conferindo-lhe uma maior capacidade de dissipação da energia das ondas por rebentação. Estes blocos foram projetados para serem dispostos lado a lado, tipicamente em zonas pouco profundas (1 a 2.5 m de profundidade), assentes diretamente sobre o fundo marítimo, sem necessidade de fundações. A sua colocação é geralmente feita com o auxílio de helicópteros.
Fig. 6 – Exemplo de um Surgebreaker (U.S. Army Corps of Engineers, 2004)
As partes inclinadas destes elementos, bem como as aberturas existentes, têm o objetivo de absorver uma parte da energia das ondas para prevenção de erosão da linha costeira, mas ao mesmo tempo deixando que uma parte dessa energia se propague através da estrutura para promover o transporte de sedimentos para a costa (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Também será expectável
que essa mesma permeabilidade evite o assentamento da estrutura, que geralmente acontece com estruturas de paramento impermeável, visto que essas aberturas permitirão a acreção de sedimentos tanto a barlamar como a sotamar do Surgebreaker (Pilarczyk e Zeidler, 1996).
Fig. 7 – Dimensões do Surgebreaker (adaptado de Pilarczyk e Zeidler (1996), retirado de Gomes (2017))
Em vários locais dos Estados Unidos da América, particularmente no Golfo da Flórida, no Lake Forest e ainda em alguns locais do estado do Illinois, durante as décadas de 70 e 80 do século XX, utilizou-se esta solução para proteção costeira, tendo apresentado resultados satisfatórios para condições de agitação marítima suaves a moderadas, com alturas das ondas, geralmente, menores do que 1.5 m. Esta solução foi também testada em Honolulu, Havai, onde a existência de condições de agitação mais severas conduziu a resultados negativos, pois a ação de ondas de maior altura e a perda de estabilidade da fundação da estrutura por escorregamento, permitiram concluir que seriam ineficazes nestas situações.
De seguida, resumem-se as principais potencialidades, mas também as limitações desta solução.
Potencialidades:
Dado o seu baixo peso (20 kN), a sua colocação nos locais desejados é relativamente fácil; Não é obrigatória a utilização de equipamento flutuante, pois os blocos podem ser colocados por
helicóptero, no entanto, deverá ser feito um estudo sobre qual das opções será a melhor financeiramente e de mais fácil execução;
Existência de aberturas que facilitam a dissipação de parte da energia da onda.
Limitações:
Ineficaz para condições de agitação marítima muito energéticas;
Colocação em locais de pouca profundidade (1 a 2.5 m de profundidade), e alturas de onda reduzidas (menores do que 1.5 m);
2.3.3. WAVEBLOCK
O Waveblock (Fig. 8) é um elemento modular em betão armado, desenvolvido por Haras et al. (1993), ADI Limited (1991) e Ortech (1988), tendo como objetivo a dissipação de energia das ondas. Esta estrutura patenteada tem um peso aproximado de 40 kN, é constituído por plataformas horizontais interligadas por pilares verticais, igualmente espaçadas e arranjadas, como um padrão de xadrez. As dimensões da base deste elemento são de 1.22 m por 1.83 m e com 2.44 m de altura. As dimensões e o seu peso podem variar consoante as condições de exposição à agitação marítima, podendo, ainda, ser construídos com recurso a materiais e mão-de-obra locais.
Fig. 8 – Ilustração esquemática de um Waveblock (retirado de Pilarczyk e Zeidler (1996))
Esta estrutura foi projetada para dissipar a energia das ondas incidentes e simultaneamente reter sedimentos transportados pelas mesmas.
O sistema Waveblock está operacional no Lake Huron, Canadá, desde 1987, onde foram colocadas 40 unidades destes elementos ao longo de 48.8 m, paralelamente à linha de costa, a uma profundidade de cerca de 1.0 m. Os trabalhos de monitorização mostraram que o sistema absorbia eficazmente a energia das ondas e promovia a acumulação de sedimentos na costa, formando uma praia com uma configuração mais estável. Para além disto, também se verificou que os sedimentos se acumulavam ao largo, sem afetar o processo de deriva litoral. Estas estruturas encontram-se agora embebidas em areia da praia, estando a cumprir a função para a qual foram concebidas.
Foi possível observar também que o sistema se encontrava em bom estado de conservação estrutural, apesar de alguns componentes de betão estarem danificados pela ação do gelo, havendo também sinais ligeiros de alguma abrasão e ainda alguns blocos fora de posição inicial em cerca de 25 cm. Os locais em que se verifique perda de sedimentos por deriva litoral e condições de maré e de agitação marítima menos energéticas, parecem ser as situações mais promissoras para a aplicação destes elementos (Pilarczyk e Zeidler, 1996).
As potencialidades e limitações deste tipo de sistemas, são as que se seguem.
Potencialidades:
Blocos simples, leves e de fácil aplicação;
Elementos submersos, logo com impacto pouco significativo na paisagem; Boa capacidade de dissipação da energia das ondas e retenção de sedimentos; Possibilidade de serem fabricados localmente, evitando problemas de logística.
Limitações:
Geometria complexa;
Ineficácia do sistema em condições severas ou extremas, como no caso de formação de gelo, que poderá causar danos na estrutura;
Potencial problema para atividades recreativas como a pesca ou passeios de lazer.
2.3.4. BEACHSAVER REEF
O Beachsaver Reef, desenvolvido e patenteado pela Info Breakwaters International em 1993, é um elemento pré-fabricado em betão armado, baseado num quebramar submerso, utilizado para proteção costeira (Fig. 9). Esta estrutura tem um peso aproximado de 210 kN e atua ao nível da propagação das ondas, tendo em vista a redução da erosão costeira e o aumento do período de vida dos projetos de alimentação artificial de praias com areias.
Fig. 9 – Exemplo de um Beachsaver Reef (Pilarczyk e Zeidler, 1996)
Os módulos podem ter configurações diferentes consoante o projeto de intervenção em causa, no entanto, geralmente, cada exemplar do bloco tem as dimensões aproximadas de 3.0 m de comprimento, 4.6 m de largura e 1.8 m de altura, e são dispostos paralelamente à linha de costa, estando cerca de 1.8 m submersos em relação ao nível médio de baixa-mar. O Beachsaver Reef é colocado no local recorrendo a gruas ou guindastes instalados sobre plataformas flutuantes, e como este ficará submerso, eventualmente poderá ser necessário proceder a escavações para regularização dos fundos onde estes assentarão, ficando todos os elementos com uma submersão uniforme.
Estes módulos estão dotados de algumas características particulares como é o caso da curvatura do coroamento do lado de sotamar e onde se encontra um defletor. O objetivo desta particularidade é de facilitar a orientação da onda incidente para as aberturas horizontais existentes nesse defletor. Esta configuração do coroamento é desginada de “backwash flame” devido à sua função de direcionar um jato de água vertical para cima durante o fluxo de retorno de onda (Fig. 10). Durante as tempestades, este fluxo de retorno é capaz de transportar uma elevada quantidade de sedimentos, fazendo com que a colocação do Beachsaver Reef evite o arrastamento de areias para o largo durante os períodos de agitação mais severa, promovendo um ciclo de recirculação de areia. A estabilidade do sistema resulta do seu peso submerso, baixo centro de gravidade e das suas faces extensas e rugosas.
Em 1992 foram realizados testes em New Jersey, nos EUA, no Stevens Institute of Technology, em que foi possível demonstrar que o Beachsaver Reef limitava a circulação de sedimentos para o largo durante os períodos de agitação marítima mais energética, promovendo ainda o retorno para a costa nos períodos de agitação menos energética (Pilarczyk e Zeidler, 1996).
Fig. 10 – Ilustração esquemática da ação de um Beachsaver Reef na propagação das ondas (Pilarczyk e Zeidler, 1996)
Com o objetivo de avaliar o Beachsaver Reef em termos estruturais, funcionais e económicos, este bloco foi testado em 2002, em Cape May Point, Nova Jérsia, EUA, tendo-se obtido resultados satisfatórios na estabilização da linha de costa. Para o efeito foram colocadas 72 unidades, interligadas, submersas formando um recife artificial continuo entre esporões (Stauble et al., 2005).
Estudos anteriores referiam que o Beachsaver Reef apresentava uma fraca prestação na minimização da ação das ondas devido ao facto de a largura do seu coroamento ser insuficiente. Neste caso esse fator foi desprezado, sendo o objetivo principal dos testes a análise da capacidade destes elementos em reter areias a sotamar em conjunto com os esporões construídos anteriormente e possíveis assentamentos das estruturas. Os blocos utilizados nos estudos de aplicação de 2002, tinham uma largura de coroamento de 0.42 m, ao contrário dos utilizados em 1992, que tinham apenas 0.31 m.
O local a ser intervencionado neste caso, Cape May Point, Nova Jérsia, EUA, caracterizava-se por ter problemas de erosão costeira há bastante tempo. A monitorização dos resultados mostrou, através da evolução do perfil da praia e das alterações provocadas na linha de costa, que a instalação destes blocos provocou uma estabilização da linha de costa, retendo os sedimentos nas áreas pretendidas para o efeito. Todavia, os resultados mostraram alguns problemas quanto ao assentamento dos blocos, dado que inicialmente apenas foram colocados sobre uma camada de geotêxtil na fundação. Esta solução foi posteriormente substituída por sacos de betão, que garantissem a função de filtro e ao mesmo tempo impedissem os assentamentos dos blocos, visto ser estritamente necessário que os mesmo se mantivessem a uma profundidade constante.
De seguida, são apontadas as potencialidades e limitações do Beachsaver Reef.
Potencialidades:
Devido a ser uma estrutura submersa, apresenta um impacto pouco significativo na paisagem; Capacidade de interligação através de encaixes laterais, evitando assim possíveis movimentos
laterais, horizontais ou verticais;
Possibilidade de abrigar organismos marinhos;
A rugosidade a barlamar da estrutura permite uma dissipação de cerca de 30% da energia da onda e minimizar a reflexão da onda;
A rugosidade nas faces da estrutura, sendo uma estrutura submersa, para além de reduzir a ação da onda incidente permite ainda reduzir o risco de deslizamento;
Durante as tempestades, potencia um ciclo de retorno de sedimentos para a linha de costa; Promove a acumulação de areias a sotamar;
