Integrated coastal geoengineering approach for maritime environments

Abstract

This dissertation introduces several methodological approaches which integrate a proposed coastal management model in an interdisciplinary perspective. The research presented herein is displayed as a set of publications comprising different thematic outlooks. The thesis develops an integrated coastal geoengineering approach which is intrinsically linked to the studied maritime environments. From sandy coasts and marine works to rocky platforms and sea cliffs, this study includes field work between Caminha – Figueira da Foz (NW Portugal) and Galicia (NW Spain). The research also involves an analysis and geological-geotechnical characterisation of natural rock (armourstone) and artificial units (concrete blocks) applied to coastal structures. The main goal is to contribute to the characterisation and re-evaluation of georesources and to determine armourstone suitability and availability from its source (quarry). It was also important to diagnose the geomaterials in situ concerning their degradation/deterioration level on the basis of the current status of the coastal protection works in order to facilitate more efficient monitoring and maintenance, with economic benefits. In the rocky coast approach the coastal blocks were studied along the platform, but also the geoforms were studied from a coastal morphodynamics point of view. A shoreline evolution analysis was developed for sandy coasts through Digital Shoreline Analysis System (DSAS) extension. In addition, the spatial and statistical analysis applied to sea cliffs allowed the establishment of susceptibility zones to erosion and hazardous areas. All of these studies have different purposes and results however, there is a common denominator – GIS mapping. Hence, apart from the studied coastal environment, there is an integrated system which includes a sequence of procedures and methodologies that persisted during the research period. This is a step forward in the study of different coastal environments by using almost the same methodologies. This will allow the characterisation, monitoring and assessment of coastal protection works, rocky coasts, and shore platforms. With such data, it is possible to propose or recommend strategies for coastal and shoreline management based on several justifications in terms of social, economic, and environmental questions, or even provide a GIS-based planning support system reinforced by geocartographic decisions. Overall the development of the applied cartography embraces six stages which will allow the production of detailed maps of the maritime environment: (1) high-resolution aerial imagery surveys; (2) visual inspection and systematic monitoring; (3) applied field datasheet; (4) in situ evaluation; (5) scanline surveying; and (6) GIS mapping. This thesis covers fundamental matters that were developed over the course of scientific publication and as a consequence they represent the results obtained and discussed. The subjects directly related to the thesis architecture are: (i) cartography applied to coastal dynamics (including an art historical analysis as a tool to comprehend the coastal evolution and the littoral zone); (ii) georesources assessment (the role of cartography in georesources zoning, assessment and armourstone durability); (iii) coastal geoengineering applications and monitoring (Espinho pilot site in NW Portugal as an experimental field); (iv) rocky coast and shore platform studies and characterisation; (v) sandy and mixed environment approaches; (vi) coastal geosciences GIS mapping and photogrammetric surveying (coastal geoengineering); and (vii) shoreline change mapping and coastal management strategies (the CartGalicia Project as an example – NW Spain). Finally, all of these thematic areas were crucial to generate the conceptual models proposed and to shape the future of integrated coastal coastal geoengineering management.

Esta dissertação apresenta diversas abordagens metodológicas que integram um modelo de gestão costeira proposto, numa perspectiva interdisciplinar. O trabalho de investigação submetido é composto por uma série de publicações que abrangem diferentes perspectivas temáticas. A tese desenvolve abordagens integradas de geoengenharia costeira que estão intrinsecamente ligadas aos ambientes marítimos estudados. Desde praias arenosas e obras marítimas até às plataformas rochosas e arribas costeiras, este estudo incluiu trabalho de campo nos sectores de estudo entre Caminha – Figueira da Foz (NW Portugal) e na Galiza (NW Espanha). A investigação implicou também uma análise e caracterização geológica-geotécnica de pedra natural (enrocamento) e blocos artificiais (betão) aplicados em obras marítimas. O objectivo principal foi reavaliar e caracterizar os georrecursos e determinar a disponibilidade de enrocamento desde a sua origem (pedreira). Também foi importante diagnosticar in situ o grau de degradação/deterioração dos geomateriais tendo em conta o estado actual das obras de protecção costeira e prevendo trabalhos de monitorização e manutenção mais eficientes, possibilitando assim ter alguns benefícios económicos. Em termos de costa rochosa a abordagem incluiu o estudo dos blocos costeiros presentes ao longo da plataforma, mas também de todas as geoformas sob o ponto de vista da morfodinâmica costeira. Por um lado foi realizada uma análise à evolução da linha de costa em zonas arenosas sendo aplicada a extensão DSAS (Digital Shoreline Analysis System). Por outro lado a análise espacial e estatística realizada às arribas costeiras permitiram determinar zonas de susceptibilidade à erosão e zonas de risco. Todas estas investigações apresentam diferentes objectivos e resultados mas possuem um denominador comum entre eles que é a cartografia aplicada e os sistemas de informação geográfica (SIG). Desta forma, independentemente do ambiente costeiro em estudo, existe um sistema integrado que abrange uma série de metodologias propostas para o processo de investigação. Esta dissertação pretende dar um importante contributo para o estudo de diferentes ambientes costeiros, usando quase sempre as mesmas metodologias. Assim será possível a caracterização, monitorização e avaliação de obras de protecção costeira, costa e plataforma rochosas. Até mesmo propor ou recomendar estratégias de gestão para a orla costeira fundamentadas em questões sociais, económicas e ambientais, suportadas numa base SIG de planeamento e reforçado por decisões geo-cartográficas. De uma forma geral o desenvolvimento da cartografia aplicada envolveu seis fases que permitiram produzir mapas pormenorizados para cada ambiente costeiro: (1) imagens aéreas de alta resolução; (2) inspecção visual e monitorização sistemática; (3) elaboração de fichas de campo aplicadas; (4) avaliação in situ; (5) técnicas de amostragem; e (6) cartografia SIG. A tese envolve temáticas fundamentais que foram desenvolvidas ao longo das publicações científicas alcançadas, representando assim os resultados obtidos e discutidos. Essas temáticas estão directamente relacionadas com a arquitectura da tese: (i) cartografia aplicada à dinâmica costeira (incluindo uma análise histórica sobre a arte e cartografia antiga, usada como ferramenta para a evolução costeira e compreensão do litoral); (ii) avaliação geral dos georrecursos (o papel da cartografia no zonamento de georrecursos, avaliação e durabilidade de enrocamentos); (iii) aplicações à geoengenharia costeira e monitorização (o caso piloto de Espinho como campo experimental – NW Portugal); (iv) caracterização e estudo da costa e plataforma rochosas; (v) abordagens em ambientes mistos e costas arenosas; (vi) geociências costeira, cartografia SIG e levantamento fotogramétrico (geoengenharia costeira); e (vii) evolução cartográfica do litoral e estratégias para a gestão costeira (exemplo do Projecto CartGalicia – NW Espanha). Finalmente, todas estes temas foram essenciais para a proposta de modelos conceptuais e para perspectivar o futuro da gestão integrada da geoengenharia costeira.