Nunerical modelling of groin impact on nearshore hydrodynamics

Abstract

A hidrodinâmica costeira engloba uma variedade de processos ligados à propagação das ondas em direcção à costa, empolamento e eventual rebentação. Fenómenos como a refracção, difracção, reflexão e a própria rebentação possuem características não lineares, o que dificulta o seu estudo e modelação. A hidrodinâmica influencia também a morfodinâmica das praias, área de investigação em grande foco actualmente. A modelação numérica constitui uma ferramenta importante na investigação dessas dinâmicas e fenómenos envolvidos. Torna-se, então, necessário calibrar os modelos para que sejam capazes de representar correctamente os processos que actuam na costa e simular alterações futuras. Numa primeira fase desta tese, resultados obtidos com o modelo COULWAVE são comparados com dados de campo de alturas significativas de onda e de velocidades horizontais, recolhidos na praia da Cornélia, na Costa da Caparica. Os resultados são bastante promissores, particularmente para as alturas significativas de onda medidas antes da rebentação. Os esporões são estruturas transversais à costa projectadas para reter sedimentos em transporte na corrente de deriva litoral, com o objectivo de minorar a erosão em trechos específicos da linha de costa. Estas estruturas são frequentemente colocadas em costas arenosas e têm associado um importante impacto na hidro e morfodinâmica costeira, uma vez que se estendem perpendicularmente à costa, em direcção ao largo. Diversos constrangimentos estruturais e ambientais, entre os quais o comprimento e orientação do esporão, a altura das ondas incidentes e o nível da superfície do mar, determinam esse impacto. Neste contexto, a segunda fase desta tese consiste na avaliação, através da modelação numérica com o já referido modelo COULWAVE, do impacto dos esporões na altura significativa das ondas e velocidade horizontal junto à costa, considerando diferentes cenários. Os vários cenários correspondem a diferentes comprimentos (L=200 m, L=250 m, L=300 m e L=400 m) e orientações ( 10º, 15º, 25º e 30º) do esporão, diferentes alturas significativas das ondas incidentes (Hs=1 m, Hs=1.5 m, Hs=2.0 m e Hs=3.0 m) e diferentes níveis da superfície do mar (SSL=0.50 m, SSL=0.75 m, SSL=1.50 m e SSL=2.40 m). Verifica-se que a altura das ondas incidentes é o factor que adquire uma maior relevância no impacto do esporão na hidrodinâmica costeira, seguido do nível da superfície do mar, comprimento do esporão e, finalmente, da orientação do esporão.

Nearshore hydrodynamics involves a variety of processes as waves propagate towards the coast, start shoaling and eventually break. Phenomena such as refraction, diffraction, reflection and the breaking itself are highly nonlinear, and thus difficult to study and model. The hydrodynamics will further play a role on the morphodynamics of beaches, a subject undergoing intensive research nowadays. Numerical modelling presents a useful tool to investigate these dynamics and involved phenomena. It is then necessary to calibrate models to accurately represent the processes acting on the coast and be able of simulating future changes. This thesis begins with the comparison of COULWAVE model results with field data from Cornélia beach, in Costa da Caparica, for both significant wave height and horizontal velocity. Results are quite promising, especially for significant wave height values measured before wave breaking. Groins are cross-shore structures projected to retain sediments from the longshore drift, to attenuate the erosion of specific coastline stretches. Frequently employed in sandy coasts, these structures are expected to have an important impact on nearshore hydrodynamics and morphodynamics, as they extend seawards, approximately perpendicularly to the coast. Several structural and environmental factors condition that impact, such as groin length and orientation relatively to the shoreline, and incident wave height and sea-surface level. Hence, in the second phase of this thesis, it is performed an evaluation, through numerical modelling with COULWAVE model, of the impact of groins in significant wave height and horizontal velocity nearshore, under different scenarios. The different scenarios assumed different groin lengths (L=200 m, L=250 m, L=300 m and L=400 m) and orientations ( 10º, 15º, 25º and 30º), different significant heights of incident waves (Hs=1.0 m, Hs=1.5 m, Hs=2.0 m and Hs=3.0 m) and different sea-surface levels (SSL=0.50 m, SSL=0.75 m, SSL=1.50 m e SSL=2.40 m). Incident wave height is found to be a preponderant factor on groin impact in nearshore hydrodynamics, followed by sea-surface level, groin length and, finally, groin orientation.