Numerical modelling of tide-surge interaction and its influence in estuarine inundation patterns

Abstract

Several problems related with coastal flooding depend on tidal properties and on sea level rise induced by meteorological effects (storm surge). The water levels during storms are consequently determined by tidal and storm surge levels as well as by their non-linear interaction. Herein, shallow coastal systems are particularly important, since the local bathymetry is a crucial mechanism controlling the interaction between tide and storm surge. Thus, the main concern of this dissertation is to give new insights about the effect of tide-surge interaction on the inundation patterns of a flood prone shallow estuarine system located in the northwest Portuguese coast, the Ria de Aveiro. The methodology adopted comprised two fundamental steps: 1) statistical analysis of sea level data collected at the lagoon inlet between 1979 and 2013, in order to infer about the frequency distributions of positive residual events and their relation with tidal phase; 2) implementation, calibration, validation and exploitation of a numerical application based on Delft3D hydrodynamic model, in order to describe the local estuarine circulation (including the marginal areas potentially flooded during adverse conditions), and explore inundation conditions and tidesurge interactions under the scenarios arising from the previous task. The statistical analysis revealed that the frequency distributions do not depend on the threshold used, as well as on the minimum number of hours to an event be assigned. The results highlighted a tendency for storm surge events to occur most frequently on the falling tide, with a principal mode of occurrence 3 hours after high water. Besides that, the highest storm surge peaks have occurred at the beginning of rising tide and at the end of falling tide. The numerical model results evidence that the model is able to reproduce tidal and storm surge propagation more accurately than previous numerical applications developed for Ria de Aveiro. Once calibrated the model, a set of numerical experiments (hypothetical scenarios) were designed to assess the effect of tide on storm surge propagation along Ria de Aveiro and its influence in local inundation patterns. Thus, it was found that storm surge characteristics are modulated by the state of the tide, where the effect of nonlinear terms is to reduce the storm tide peak. However, at the upper reaches of the main channels the storm tide peak is controlled by the storm surge, since it is higher than tide. Concerning to the lagoon flooded area, the different scenarios showed that the most threatened areas are the upper reaches of São Jacinto channel and the vicinity of Laranjo bay, resulting this from the increase of storm tide peak in these regions. The adjacent margins of Baixo Vouga Lagunar and the margins of Mira/Ílhavo channel are also threatened when the tidal range is increased. This results from an increase on nonlinear tide-surge interaction and also on the maximal residual levels.

Diversos problemas relacionados com a inundação de zonas costeiras dependem das características da maré e da sobre-elevação do nível do mar devido a factores meteorológicos (storm surge). Durante episódios de tempestade, a altura da água é determinada pelos níveis de maré e da storm surge, assim como pela sua interacção não-linear. Esta, revela-se mais importante em sistemas costeiros relativamente pouco profundos devido ao efeito da batimetria. Deste modo, o principal objectivo desta dissertação é explicar a interacção entre a maré e a storm surge, e a sua influência nos padrões de inundação da Ria de Aveiro. Localizado a Noroeste da costa portuguesa, este sistema lagunar, caracterizado por regiões pouco profundas, é vulnerável a inundações. A metodologia adoptada baseou-se em dois passos fundamentais: 1) análise estatística da elevação da superfície livre registada no marégrafo localizado à entrada da laguna entre 1979 e 2013, de modo a perceber as distribuições de frequência de eventos de storm surge positivos e a sua relação com a fase da maré; 2) implementação, calibração, validação e exploração de uma aplicação numérica baseada no modelo hidrodinâmico Delft3D, para descrever a circulação estuarina local (incluindo as áreas marginais potencialmente inundadas durante condições meteorológicas adversas), e explorar condições de inundação e interacções entre a maré e a storm surge através de cenários que resultam do passo anterior. A análise estatística revelou que as distribuições de frequência não dependem do threshold utilizado, assim como do número mínimo de horas para que um evento seja considerado. Os resultados evidenciaram uma tendência para os eventos de storm surge ocorrerem mais frequentemente na vazante, com um modo principal de ocorrência 3 horas depois da preia-mar. Além disso, a magnitude dos eventos foi maior no início da enchente e no final da vazante. Os resultados do modelo numérico evidenciaram que o modelo é capaz de reproduzir a propagação da maré e da storm surge com uma maior precisão do que as implementações anteriores desenvolvidas para a Ria de Aveiro. Uma vez calibrado o modelo, realizou-se um conjunto de cenários hipotéticos para avaliar o efeito da maré na propagação da storm surge e o seu efeito nos padrões de inundação locais. Deste modo, verificou-se que os níveis da storm surge são influenciados pelo estado da maré, onde o efeito dos termos não lineares foi reduzir o pico da tempestade de maré. Contudo, nas extremidades dos canais principais o pico da tempestade de maré é controlado pela storm surge uma vez que esta é maior do que a maré. As regiões mais afectadas por inundações correspondem às extremidades do canal de São Jacinto, arredores da bacia do Laranjo e margens adjacentes do Baixo Vouga Lagunar, sendo o aumento do pico da tempestade da maré, associado a uma amplificação do residual e dos termos não lineares nestas regiões a principal explicação.