Resilience and sustainable use of Iberian west coast port infrastructures under climate challenges

Abstract

Ports have a significant impact on the economic activity in coastal areas and are linked with several port-related emissions sources of local pollution. Future climate change projections indicate that the frequency and intensity of extreme sea levels (ESL), a combination of the mean sea level, astronomical tide, and storm surge, as well as waves and river discharges, will increase with impacts on the port’s reliability and operability. In the last decades, various efforts have been made to take climate action by pursuing affordable and clean energy to ports to counter the high demands on fossil energies. The port activities and structures make the ports challenging to be inclusive and promote sustainable development with resilient infrastructure and innovation. The Northwest Iberian Coast (NWIC) is crossed by one of the most important and busiest shipping lanes of the Atlantic Ocean and features several ports that provide an essential gateway for Europe. The ports of Aveiro, Lisbon, Vigo and A Coruña Outer Port are considered in this work due to their location in different environments, namely the Aveiro lagoon, Tagus estuary, Ria de Vigo and the A Coruña coast, respectively, which brings distinct challenges related to climate change local impact. Drawing on the above, this study is based on the conceptual analysis of historical, present and future climate, aiming to assess the climate change impact on West Iberian Coast port structures and the feasibility of new energy resources to reduce the ports carbon footprint. In this context, high-resolution hydrodynamic models were developed for the northwest Iberian coast (NWIC) and for each port area under study, based on the DELFT3D model suite, in order to accurately research the impact of climate change in the ports' structures and assess the marine energy resources available in the NWIC to promote the low- or zero-carbon port activities. The energy resource assessment was performed by applying a Delphi method based on physical point of view indices to facilitate the classification of the viability of exploiting the hybrid wind-wave energy and wave energy resource along with the NWIC. A study of the efficiency and cost of energy over the life-cycle of two wave energy devices (WEC) to exemplify a planned wave energy farm was also performed. This approach allowed the identification of the offshore areas with the highest energy surrounding a port and showed the variability between WECs to exploit the wave energy resource available. The local models were used to assess the risk of flooding at the port facilities for the current and future climate, under climate change scenarios for return periods of 10, 25 and 100 years. In the case of the Outer Port of A Coruña, overtopping in extreme weather conditions was also studied through the application of the non-hydrostatic XBeach model. Based on this implementation, a local operational model was developed, which constitutes a risk analysis tool for predicting infrastructure overtopping in conditions of high energetic waves, and consequently, to prevent and overcome losses of property and human safety. In general, conditions for the exploitation of wave and hybrid wind-wave energy will decrease by the end of the century due to the increase in energy variability. The risk factor will also increase due to the major frequency of extreme ocean waves. Despite this, the energy resource is classified as excellent along the NWIC where Aveiro and Lisbon Ports are located, and as outstanding in the NW extreme of the NWIC, close to Vigo and A Coruña Outer Ports. In addition, the ports can use WECs to exploit wave energy close to their facilities, even when the available resource is low. The flood pattern varies significantly according to the location of the ports. Lagoons and estuaries are more prone to floods by the ESL due to the low and flat topography. Ria de Vigo, with irregular topography and sheltered by the Cíes Islands, makes the Vigo port resilient to floods by the climate drivers. This resilience is more evident for the A Coruña Outer port, where no floods occurred. However, this port relies on a breakwater to protect the facilities from hazardous weather, which may cause overtopping under high energetic waves.

Os portos têm um forte impacto na atividade económica das regiões costeiras onde estão inseridos, constituindo também fontes locais de poluição associados a várias fontes de emissões. As projeções de alterações no sistema climático indicam que a frequência e a intensidade nos níveis extremos do mar (ESL), compostos pela combinação do nível médio do mar, da maré astronómica e da maré meteorológica, juntamente com a agitação marítima e os caudais fluviais irão aumentar, afetando a fiabilidade e operabilidade dos portos. Nas últimas décadas, vários esforços têm sido feitos de forma a serem tomadas ações para contrariar as alterações climáticas, através do uso de energias limpas e viáveis para os portos de forma a contrariar o elevado uso de energias fósseis. As atividades e estruturas portuárias tornam os portos um desafio para serem inclusivos e promoverem um desenvolvimento sustentável através de infraestruturas resilientes e inovação. A costa Noroeste Ibérica (NWIC) é atravessada por uma das rotas marítimas mais importantes e movimentadas do Oceano Atlântico, tendo vários portos que constituem uma porta de entrada essencial para a Europa. Os portos de Lisboa, Aveiro, Vigo e o Porto Exterior da Corunha são analisados neste trabalho devido a estarem localizados em diferentes ambientes costeiros, nomeadamente a Ria de Aveiro, o Estuário do Tejo, a Ria de Vigo e a Costa da Corunha, respetivamente, o que traz desafios distintos relacionados com o impacto local das alterações climáticas. Com base no exposto, este estudo assenta na análise conceptual do clima histórico, presente e futuro, com o objetivo de avaliar o impacto das alterações climáticas nas estruturas portuárias da Costa Oeste Ibérica e a viabilidade de novos recursos energéticos para reduzir a pegada de carbono dos portos. Neste âmbito foram desenvolvidos modelos hidrodinâmicos de elevada resolução para a NWIC e para cada zona portuária em estudo, baseados no DELFT3D model suite, visando analisar o impacto das alterações climáticas nas estruturas portuárias e avaliar os recursos de energia marinha disponíveis na NWIC, de forma a promover atividades portuárias com emissões de carbono baixas ou nulas. Esta avaliação foi realizada através da aplicação do método Delphi, que se baseia em índices de parâmetros físicos, de forma a facilitar a classificação da viabilidade de exploração da energia das ondas e da energia híbrida eólica-ondas na NWIC. Foi ainda analisada a eficiência e o custo da energia no ciclo de vida de dois dispositivos que usam a energia das ondas (WEC) de forma a exemplificar um parque de energia das ondas. Os modelos locais foram utilizados para avaliar o risco de inundação nas instalações portuárias para o clima atual e futuro, em cenários de alterações climáticas para períodos de retorno de 10, 25 e 100 anos. No caso do Porto Exterior da Corunha foi ainda estudado o galgamento em condições climáticas extremas através da aplicação do modelo não hidrostático XBeach. Com base nesta implementação foi desenvolvido um modelo operacional local, que constitui uma ferramenta de análise do risco para previsão do galgamento de infraestruturas em condições de regime de ondas muito energéticas, e consequentemente, para prevenir e suprir danos humanos e materiais. Os resultados obtidos permitiram a identificação das zonas marinhas com maior potencial energético nas regiões circundantes dos portos, mostrando a variabilidade dos WECs na exploração da energia das ondas. De uma forma geral, as condições de exploração da energia das ondas e do recurso híbrido eólica-ondas irão diminuir até ao final do século devido ao aumento da variabilidade da disponibilidade do recurso. O risco de exploração irá aumentar devido à maior frequência de ocorrência das ondas extremas. Apesar destas condições, o recurso energético é classificado como excelente na NWIC onde se situam os portos de Aveiro e Lisboa, e como excecional nas proximidades do Porto Exterior da Corunha e do porto de Vigo, no extremo noroeste da NWIC. Adicionalmente, os portos podem usar WECs para explorar a energia das ondas perto das suas instalações, mesmo quando o recurso disponível é baixo. Relativamente aos padrões de inundação, verifica-se que variam significativamente de acordo com a localização dos portos. De facto, as lagunas e os estuários são mais propensos a inundações pelo ESL devido à sua topografia plana e com cotas baixas. A Ria de Vigo, que apresenta uma topografia irregular e é protegida pelas ilhas Cíes, propicia condições naturais para que o porto de Vigo seja resiliente a inundações. Esta resiliência é ainda mais evidente no Porto Exterior da Corunha, onde não ocorrem inundações devido à existência de um dique de proteção contra tempestades. No entanto, podem ocorrer inundações causadas por galgamentos quando ocorrem ondas caracterizadas por elevada energia. Os resultados do modelo XBeach revelam que o galgamento poderá aumentar no futuro perante ondas mais energéticas.