Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/38791
Title: 3D modelling of Ria de Aveiro: influence of extreme freshwater runoff events on the vertical salinity structure
Other Titles: Modelação 3D da Ria de Aveiro: influência de eventos extremos de descarga fluvial na estrutura vertical de salinidade
Author: Pereira, Francisco José Duarte Santos
Advisor: Dias, João Miguel Sequeira Silva
Picado, Ana Teresa dos Santos
Keywords: Ria de Aveiro
Vertical structure
Delft3D
Salinity
Freshwater discharge
Defense Date: 6-Dec-2022
Abstract: The prediction of salt and heat patterns within estuaries and coastal lagoons is a complex task given the number of forcing factors that are involved in their transport. This task can be even more challenging if it is accounted for the typically complex vertical structure of these coastal systems, which is mainly dependent on tidal propagation and freshwater discharge. It was with the aim of characterizing the vertical salinity structure as a function of one of its main forcings, the fluvial discharge, that the Delft3D model was applied at the Ria de Aveiro, a complex shallow water coastal lagoon located on the Northwest coast of Portugal constituted by four main branches (Espinheiro, Ílhavo, Mira and São Jacinto), connected to a single inlet, and that has several freshwater tributaries. A 3D model implementation was developed, calibrated, and validated against 2D and 3D field data. The implementation was then applied to study the lagoon’s response to extreme freshwater discharge scenarios and spring and neap tide scenarios. The results had shown that the model was able to reproduce accurately the tidal propagation and the current velocity within the lagoon’s area. The model was also suitable for the reproduction of the vertical and horizontal salt and heat patterns, although slightly underestimating stratification in the upper layers. The results of the subsequent analysis revealed that the vertical salt patterns of the Ria de Aveiro lagoon are strongly dependent on freshwater discharge and tidal amplitude values. Estuary classification varies for each one of the four main branches, being the Espinheiro Channel classified as partially stratified in the interface between the oceanic and freshwater masses, with the stratification extending downstream with the increasing freshwater discharge and for neap tide conditions. The Ílhavo Channel can be classified as vertically homogeneous regardless of the conditions, being filled with freshwater for extreme freshwater discharges. The Mira Channel is almost filled with freshwater regardless of the conditions, but interestingly presents vertical stratification close to the channel entrance for some scenarios, possibly associated with the formation of estuarine fronts. Finally, the São Jacinto Channel is vertically homogeneous in most of the scenarios analysed, but presents an interesting pattern at neap tides, due to the advection of a freshwater plume from the Vouga River under high flow discharges, with freshwater downstream and saltier water trapped upstream during the flooding tide. Regardless of some limitations that impacted the results, this work can be considered as a basis for the implementation of a model-based prediction system, dedicated to vertical and horizontal estuarine salt patterns prediction in the Ria de Aveiro.
A previsão dos padrões de sal e calor em estuários e lagunas costeiras é uma tarefa complexa, dado o número de forçamentos que estão envolvidos no seu transporte. Esta tarefa pode-se tornar ainda mais desafiante considerando a estrutura vertical tipicamente complexa destes sistemas, que é principalmente dependente da propagação de maré e da descarga de água doce. Foi com o objetivo de caracterizar a estrutura vertical de salinidade em função de um dos seus principais forçadores, a descarga fluvial, que o modelo numérico Delft3D foi aplicado na Ria de Aveiro, uma complexa laguna costeira de águas pouco profundas localizada na costa Noroeste de Portugal, constituída por quatro canais principais (Espinheiro, Ílhavo, Mira e São Jacinto), conectados a uma única embocadura e alimentada por diversas fontes de água doce. Uma implementação 3D foi desenvolvida, calibrada e validada em comparação com dados 2D e 3D medidos em campo. A implementação foi posteriormente aplicada para estudar a resposta da laguna a cenários de descarga fluvial extrema e para cenários de marés vivas e marés mortas. Os resultados mostraram que o modelo é capaz de reproduzir com precisão a propagação de maré e a velocidade da corrente no interior da Ria de Aveiro. O modelo é também capaz de reproduzir os padrões horizontais e verticais de sal e calor, apesar de subestimar ligeiramente a estratificação nas camadas superficiais. Os resultados da análise subsequente revelaram que os padrões horizontais e verticais de sal na Ria de Aveiro são fortemente dependentes da descarga fluvial e dos valores da amplitude de maré. Cada um dos canais da Ria de Aveiro pode ser classificado de forma distinta, sendo o canal do Espinheiro classificado com parcialmente misturado na fronteira entre a massa de água oceânica e fluvial, com a estratificação a estender-se em direção à embocadura para os caudais mais elevados e para um regime de marés mortas. O canal de Ílhavo pode ser considerado verticalmente homogéneo independentemente dos cenários, sendo completamente preenchido com água doce para cenários de caudal fluvial extremo. O canal de Mira é na sua maior parte preenchido com água doce, mas apresenta estratificação vertical na sua entrada para alguns cenários, possivelmente associada à formação de frentes estuarinas. Finalmente, o canal de São Jacinto é verticalmente homogéneo na maioria dos cenários analisados, mas apresenta um padrão interessante em marés mortas, caracterizado pela advecção de uma pluma de água doce proveniente do Rio Vouga para caudais fluviais elevados, com água doce na parte inferior do canal e água mais salgada aprisionada na parte superior durante a enchente. Independentemente de algumas limitações que afetaram os resultados obtidos, este trabalho pode ser considerado como uma base para a implementação de um sistema de modelação numérica dedicado à previsão dos padrões verticais e horizontais de sal na Ria de Aveiro.
URI: http://hdl.handle.net/10773/38791
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