Contribuição para o estudo da dinâmica sedimentar em regiões costeiras

Abstract

A quantificação do transporte sedimentar sob a acção das ondas e das correntes constitui um problema fundamental para o desenvolvimento dos modelos morfodinâmicos na zona costeira. Neste trabalho é estudado o caso dos sedimentos não coesivos. A partir de modelos de transporte existentes, são propostas soluções que permitem resolver problemas progressivamente mais complexos e que se aproximam dos casos reais. As soluções numéricas são comparadas com inúmeros resultados experimentais de modo a estabelecer as condições de validade dos modelos utilizados. Os primeiros capítulos apresentam um estudo bibliográfico da hidrodinâmica da camada limite de fundo gerada pela acção combinada de ondas e correntes e são apresentados diferentes tipos de modelos de transporte sedimentar. É posta em evidência a importância dos efeitos não estacionários no transporte sedimentar. A modelização espaço-temporal do transporte de sedimentos em escoamentos oscilatórios sobre um fundo plano é efectuada no capítulo 4 com base num modelo de camada limite de fundo do tipo 1DV. Para simular correctamente as características dos resultados experimentais são descritos os efeitos de interacção entre os grãos de sedimento na camada de sheet flow. O capítulo 5 é dedicado à modelização espaçotemporal da estrutura do escoamento e da concentração de sedimentos sobre um fundo com rugas. Este estudo é efectuado com base num modelo do tipo 2DV. No capítulo 6 é apresentado um modelo paramétrico não estacionário que determina o transporte sedimentar. São apresentadas expressões analíticas que determinam o transporte para o caso de uma onda de Stokes de 2ª ordem e para uma onda cnoidal, na presença ou não de uma corrente colinear ou obliqua, e que permitem estabelecer a importância de alguns dos parâmetros físicos relevantes no transporte sedimentar. A análise comparativa dos resultados numéricos com resultados experimentais, efectuada no capítulo 7, contempla diferentes condições do escoamento (ondas e correntes colineares ou obliquas, ondas irregulares, escoamento permanente) e do fundo (fundo plano / irregular). Esta análise conduz a uma nova formulação do modelo que melhor descreve os resultados experimentais. No capítulo 8 o modelo é generalizado para o caso de uma granulometria não uniforme. No capítulo 9 é formulado um modelo morfodinâmico que permite descrever a evolução do perfil transversal de uma praia. Para tal o modelo paramétrico de transporte desenvolvido é introduzido num modelo hidrodinâmico que simula a propagação de ondas de curto período para a costa. A comparação dos resultados numéricos com os resultados experimentais mostra que o modelo conduz a resultados satisfatórios para o caso de ondas regulares. Para o caso de ondas irregulares os resultados são discutíveis devido, em particular, a uma deficiente representação do sistema de correntes médias geradas após a zona de rebentação.

The development of coastal morphodynamic models needs an accurate quantification of the sediment transport induced by combined waves and currents. In the present work we are concerned with non-cohesive sediments. The proposed methodology starts from existing transport models and presents new solutions that improve the description of experimental results. A progressive approach to complex problems more close to reality is followed. The numerical solutions are compared with a set of experimental results in order to validate the proposed solutions and establish their limits. In the first chapters the state of the art of the bottom boundary layer hydrodynamics in combined waves and currents flows is presented. Different existing transport models are also reviewed and a special emphasis is given to the presence of non-steady effects and how they affect sediment transport. In chapter 4 the sediment transport induced by an oscillatory flow over a plane bed is simulated using a 1DV-bottom boundary layer model. Some modifications are introduced in order to improve predictions of transport processes in the sheet flow layer. Chapter 5 is dedicated to the modelling of the flow and sediment transport over rippled beds using a 2DV-bottom boundary layer model. A non-steady parameterised sand transport model is presented in chapter 6. Analytical expressions of the sediment transport are developed for the case of regular waves (second order Stokes wave and cnoidal waves) which enable to understand the importance of relevant physical parameters in the transport. Chapter 7 presents an extensive comparison between numerical and experimental results considering different flow conditions (combined waves and currents, steady currents, irregular waves) in rippled and plane bed regimes. From this analysis, a new model is formulated which agrees better with experimental results. The extension of the parameterised model to graded sediments is presented in chapter 8. In order to predict the evolution of the cross-shore beach profile the parameterised sediment transport model is implemented in a wave hydrodynamic model that solves the non-linear Boussinesq equations (chapter 9). The comparison between the numerical and experimental results show a good agreement for the case of regular waves but presents some shortcomings when irregular waves are considered. This problem is related with the description of the steady currents developed in the surf zone.