Contribution to the study of the Ria de Aveiro inlet morphodynamics

Over the years it was observed at the Ria de Aveiro lagoon inlet, near the head of the north breakwater, a depth increase that might threaten the stability of this structure. A trend of accretion in the navigation channel of this lagoon is observed, endangering the navigation in this region. In order to understand the origin of these and other trends observed, the knowledge of the sediment transport in the study area is imperative. The main aim of this work is understanding the dominant physical processes in the sediment transport of sediment at the Ria de Aveiro lagoon inlet and adjacent area, improving knowledge of this region morphodynamics. The methodology followed in this study consisted in the analyzes of the topohydrographic surveys performed by the Administration of the Aveiro Harbor, and in the numerical simulations results performed with the morphodynamic modeling system MORSYS2D. The analysis of the surveys was performed by studying the temporal evolution of the bathymetry. The numerical analysis was based on the implementation of the model at the study area, sensitivity analysis of the formulations used to compute the sediment transport to the variation of input parameters (e.g. depth, sediment size, tidal currents) and analysis of the sediment uxes and bathymetric changes predicted. The simulations considered as sediment transport forcing the tidal currents only and the coupled forcing of tides and waves. Considering the wave e ect as sediment transport forcing, both monochromatic waves and a wave regime were simulated. The results revealed that the observed residual sediment transport patterns are generated due to the channel con guration. Inside the lagoon the uxes are mainly induced by the tidal currents action, restricting the action of waves to the inlet and adjacent coast. In the navigation channel the residual sediment uxes predicted are directed o - shore with values between 7 and 40 m3=day generating accretions of approximately 10 m3=day for the shallower region and 35 m3=day for the region between the tidal gauge and the tri^angulo das mar es. At the inlet, the residual uxes are approximately 30 m3=day inducing trends of erosion of approximately 20 m3=day. At the North side of the nearshore accretion is predicted, while at the South side is predicted erosion, at the rates of 250 and 1500 m3=day, respectively. It was also concluded that the waves with higher contribution to the residual sediment uxes are those with heights between 4 and 5 m. However, the storm waves with heights bigger than 5 m, despite their 10% of frequency of occurrence are responsible for 25% of the observed sediment transport.

Conhecimento comum e perceção do risco na gestão territorial costeira

As zonas costeiras, pelas suas características naturais, disponibilizam à sociedade múltiplas oportunidades e serviços, o que favorece uma ocupação desmedida deste território e a ocorrência de transformações relevantes provocadas pela intervenção humana. A simultaneidade da influência das atividades e intervenções humanas e da ocorrência das funções naturais deste território, revestidas de um forte caráter dinâmico, encontra-se na base do desenvolvimento quer de conflitos do tipo socioambiental, quer de situações de risco costeiro. A contribuir para esta situação, surge também a problemática das alterações climáticas, com impactos em domínios diversos, como por exemplo biodiversidade, pesca ou turismo, com um registo de aumento e intensidade de acidentes naturais associados a fenómenos meteorológicos. Apesar da existência de um conjunto de instrumentos de preservação dos recursos naturais e de ordenamento e gestão territorial, a degradação do sistema natural costeiro é muito visível, com impactos negativos de complexa recuperação. Refira-se, também, o caráter de exceção dos planos de ordenamento da orla costeira, em particular em frentes urbanas consolidadas ou em consolidação, permitindo o contínuo aumento da urbanização na orla costeira. A atuação das entidades responsáveis pela gestão do território costeiro tem sido desenvolvida com um baixo nível de envolvimento da população e maioritariamente no sentido de dar resposta às situações de perigo que vão surgindo, com a implementação de estruturas de defesa costeira, suportadas pelo erário público, cujos impactos se traduzem num agravamento do estado da zona costeira portuguesa, em geral. A região de Aveiro é um exemplo da problemática exposta, onde se registam frequentemente episódios de perigo costeiro, considerando-se urgente a tomada de medidas que contribuam para a sustentabilidade deste território, associada a uma visão de longo prazo, e que deverão passar pela integração do risco na gestão territorial costeira. Esta investigação, com a qual se pretende aumentar o conhecimento científico, desenvolver uma abordagem integrada de diversos domínios disciplinares, demonstrar a relevância da valorização do conhecimento comum e da perceção social na gestão do território, bem como desenvolver uma ferramenta de suporte à gestão territorial da zona costeira, tem como propósito contribuir para a preservação do sistema natural costeiro e para o aumento dos níveis de segurança humana face ao risco costeiro. Nesse sentido, desenvolveu-se um estudo de perceção social em aglomerados urbanos costeiros da região de Aveiro, para avaliação da perceção do risco costeiro e da gestão do território e recolha de conhecimento comum sobre a dinâmica costeira. Concebeu-se, também, um sistema de informação geográfica que permite às entidades de gestão do território costeiro uma atuação facilitada, articulada e de caráter preventivo, suportada na integração de conhecimentos científico, técnico e comum, de perceções e aspirações, de limites, propostas e condicionantes de planos de ordenamento e gestão do território existentes, entre outra informação, e com potencialidade para evoluir simultaneamente para um sistema de aviso de acidentes. Como resultados do estudo empírico destacam-se a forte ligação da população ao mar, de caráter afetivo ou pela pretensão de utilização da praia, a desvalorização do risco costeiro, apesar do reconhecimento do recuo da linha de costa, a valorização das estruturas de defesa costeira, a escassa disponibilização de informação à população acerca do risco costeiro a que está exposta, e a importância atribuída à participação da população no processo de gestão territorial costeira. O sistema de informação geográfica foi validado para o caso da Praia de Esmoriz, permitindo identificar, por exemplo, para cada proprietário de habitação localizada em área de risco, a disponibilidade para participar no processo de gestão territorial costeira ou a abertura para aderir a um processo de relocalização da habitação. Face à pertinência do tema e à expectativa do mesmo ser considerado uma prioridade da política da atualidade, considera-se a necessidade de desenvolvimentos futuros de aprofundamento de conhecimentos em paralelo com uma aproximação ao sistema institucional de gestão territorial costeira, no sentido da minimização dos conflitos entre dinâmica costeira e uso do território e da prevenção do risco costeiro, particularmente risco de inundação e de erosão.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Prevenção e detecção de incêndios

Os fogos florestais, embora possam ser encarados como um fenómeno natural, constituem igualmente uma ameaça com impactos negativos a vários níveis. A alteração dos regimes naturais do fogo por acção antrópica tem vindo a maximizar o potencial catastrófico do fenómeno em diferentes regiões do planeta, destacando-se, em particular, a Região Mediterrânica, onde o fogo constitui uma perturbação recorrente associada, por um lado, às características climáticas desta região e, por outro, às práticas tradicionais decorrentes da presença humana nessa área, numa extensão temporal de milhares de anos. Em Portugal, o problema dos fogos florestais assume uma expressividade de particular relevo, colocando-o entre os países do sul da Europa mais atingidos pelo fogo a cada Verão. Reconhecendo o papel das condições meteorológicas nas interacções envolvidas no processo de deflagração e propagação de incêndios, a identificação de condições meteorológicas propícias à ocorrência de incêndios, expressa sob a forma de índices de risco reveste-se de crucial importância para as operações de prevenção e combate aos incêndios, para além da mais-valia que constituem para os restantes sectores da sociedade. Adicionalmente, a detecção e monitorização de ocorrências de incêndios a partir de satélites tem vindo a assumir um papel preponderante, revelando-se fundamental enquanto fonte de alerta e pelas potencialidades que as bases de dados resultantes da observação contínua da Terra pelos satélites oferecem, no que às mais diversas áreas de investigação diz respeito. O presente trabalho explora, nas vertentes da prevenção de incêndios, a utilização de previsões de tempo de alta resolução espacial obtidas com o modelo WRF para a determinação das componentes do sistema FWI canadiano e sua disponibilização operacional. Os resultados apontam para um impacto positivo, em virtude do incremento da resolução espacial, da representação espacial do risco meteorológico de incêndio no território português. Paralelamente, apresentam-se os resultados do desenvolvimento de produtos de detecção de incêndios activos a partir da infra-estrutura de recepção de dados de satélite implementadas na Universidade de Aveiro, destacando a sua adequabilidade para a monitorização e identificação, em tempo quase-real, da ocorrência de fogos florestais em Portugal Continental.

The impact of biofuels for road traffic on air quality : a modelling approach

The selection of the energy source to power the transport sector is one of the main current concerns, not only relative with the energy paradigm but also due to the strong influence of road traffic in urban areas, which highly affects human exposure to air pollutants and human health and quality of life. Due to current important technical limitations of advanced energy sources for transportation purposes, biofuels are seen as an alternative way to power the world’s motor vehicles in a near-future, helping to reduce GHG emissions while at the same time stimulating rural development. Motivated by European strategies, Portugal, has been betting on biofuels to meet the Directive 2009/28/CE goals for road transports using biofuels, especially biodiesel, even though, there is unawareness regarding its impacts on air quality. In this sense, this work intends to clarify this issue by trying to answer the following question: can biodiesel use contribute to a better air quality over Portugal, particularly over urban areas? The first step of this work consisted on the characterization of the national biodiesel supply chain, which allows verifying that the biodiesel chain has problems of sustainability as it depends on raw materials importation, therefore not contributing to reduce the external energy dependence. Next, atmospheric pollutant emissions and air quality impacts associated to the biodiesel use on road transports were assessed, over Portugal and in particular over the Porto urban area, making use of the WRF-EURAD mesoscale numerical modelling system. For that, two emission scenarios were defined: a reference situation without biodiesel use and a scenario reflecting the use of a B20 fuel. Through the comparison of both scenarios, it was verified that the use of B20 fuels helps in controlling air pollution, promoting reductions on PM10, PM2.5, CO and total NMVOC concentrations. It was also verified that NO2 concentrations decrease over the mainland Portugal, but increase in the Porto urban area, as well as formaldehyde, acetaldehyde and acrolein emissions in the both case studies. However, the use of pure diesel is more injurious for human health due to its dominant VOC which have higher chronic hazard quotients and hazard indices when compared to B20.

Organic contaminants in urban soils: major inputs and potential risks

Urban soil quality may be severely affected by hydrophobic organic contaminants (HOCs), impairing environmental quality and human health. A comprehensive study was conducted in two contrasting Portuguese urban areas (Lisbon and Viseu) in order to assess the levels and potential risks of these contaminants, to identify sources and study their behaviour in soils. The concentrations of HOCs were related to the size of the city, with much higher contamination levels observed in Lisbon urban area. Source apportionment was performed by studying the HOCs profiles, their relationship with potentially toxic elements and general characteristics of soil using multivariate statistical methods. Lisbon seems to be affected by nearby sources (traffic, industry and incineration processes) whereas in Viseu the atmospheric transport may be playing an important role. In a first tier of risk assessment (RA) it was possible to identify polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Lisbon soils as a potential hazard. The levels of PAHs in street dusts were further studied and allowed to clarify that traffic, tire and pavement debris can be an important source of PAHs to urban soils. Street dusts were also identified as being a potential concern regarding human and environmental health, especially if reaching the nearby aquatic bodies. Geostatistical tools were also used and their usefulness in a RA analysis and urban planning was discussed. In order to obtain a more realistic assessment of risks of HOCs to environment and human health it is important to evaluate their available fraction, which is also the most accessible for organisms. Therefore, a review of the processes involved on the availability of PAHs was performed and the outputs produced by the different chemical methods were evaluated. The suitability of chemical methods to predict bioavailability of PAHs in dissimilar naturally contaminated soils has not been demonstrated, being especially difficult for high molecular weight compounds. No clear relationship between chemical and biological availability was found in this work. Yet, in spite of the very high total concentrations found in some Lisbon soils, both the water soluble fraction and the body residues resulting from bioaccumulation assays were generally very low, which may be due to aging phenomena. It was observed that the percentage of soluble fraction of PAHs in soils was found to be different among compounds and mostly regulated by soil properties. Regarding bioaccumulation assays, although no significant relationship was found between soil properties and bioavailability, it was verified that biota-to-soil bioaccumulation factors were sample dependent rather than compound dependent. In conclusion, once the compounds of potential concern are targeted, then performing a chemical screening as a first tier can be a simple and effective approach to start a RA. However, reliable data is still required to improve the existing models for risk characterization.

Single and joint effects of natural and chemical stressors to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus

Environmental contamination and climate changes constitute two of the most serious problems affecting soil ecosystems in agricultural fields. Agriculture is nowadays a highly optimized process that strongly relies on the application of multiple pesticides to reduce losses and increase yield production. Although constituting, per se, a serious problem to soil biota, pesticide mixtures can assume an even higher relevance in a context of unfavourable environmental conditions. Surprisingly, frameworks currently established for environmental risk assessments keep not considering environmental stressors, such as temperature, soil moisture or UV radiation, as factors liable to influence the susceptibility of organisms to pesticides, or pesticide mixtures, which is raising increasing apprehension regarding their adequacy to actually estimate the risks posed by these compounds to the environment. Albeit the higher attention received on the last few years, the influence of environmental stressors on the behaviour and toxicity of chemical mixtures remains still poorly understood. Aiming to contribute for this discussion, the main goal of the present thesis was to evaluate the single and joint effects of natural stressors and pesticides to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus. The first approach consisted on evaluating the effects of several abiotic factors (temperature, soil moisture and UV radiation) on the performance of P. pruinosus using several endpoints: survival, feeding parameters, locomotor activity and avoidance behaviour. Results showed that these stressors might indeed affect P. pruinosus at relevant environmental conditions, thus suggesting the relevance of their consideration in ecotoxicological assays. At next, a multiple biomarker approach was used to have a closer insight into the pathways of damage of UV radiation and a broad spectrum of processes showed to be involved (i.e. oxidative stress, neurotoxicity, energy). Furthermore, UV effects showed to vary with the environment medium and growth-stage. A similar biomarker approach was employed to assess the single and joint effects of the pesticides chlorpyrifos and mancozeb to P. pruinosus. Energy-related biomarkers showed to be the most differentiating parameters since age-classes seemed to respond differently to contamination stress and to have different metabolic costs associated. Finally, the influence of temperature and soil moisture on the toxicity of pesticide mixtures was evaluated using survival and feeding parameters as endpoints. Pesticide-induced mortality was found to be oppositely affected by temperature, either in single or mixture treatments. Whereas chlorpyrifos acute toxicity was raised under higher temperatures the toxicity of mancozeb was more prominent at lower temperatures. By the opposite, soil moisture showed no effects on the pesticide-induced mortality of isopods. Contrary to survival, both temperature and soil moisture showed to interact with pesticides to influence isopods’ feeding parameters. Nonetheless, was however the most common pattern. In brief, findings reported on this thesis demonstrated why the negligence of natural stressors, or multiple stressors in general, is not a good solution for risk assessment frameworks.

Alkaline-earth aluminosilicate-based glass and glass-ceramic sealants for functional applications

The planar design of solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one due to its easier fabrication, improved performance and relatively high power density. In planar SOFCs and other solid-electrolyte devices, gas-tight seals must be formed along the edges of each cell and between the stack and gas manifolds. Glass and glass-ceramic (GC), in particular alkaline-earth alumino silicate based glasses and GCs, are becoming the most promising materials for gas-tight sealing applications in SOFCs. Besides the development of new glass-based materials, new additional concepts are required to overcome the challenges being faced by the currently existing sealant technology. The present work deals with the development of glasses- and GCs-based materials to be used as a sealants for SOFCs and other electrochemical functional applications. In this pursuit, various glasses and GCs in the field of diopside crystalline materials have been synthesized and characterized by a wide array of techniques. All the glasses were prepared by melt-quenching technique while GCs were produced by sintering of glass powder compacts at the temperature ranges from 800−900 ºC for 1−1000 h. Furthermore, the influence of various ionic substitutions, especially SrO for CaO, and Ln2O3 (Ln=La, Nd, Gd, and Yb), for MgO + SiO2 in Al-containing diopside on the structure, sintering and crystallization behaviour of glasses and properties of resultant GCs has been investigated, in relevance with final application as sealants in SOFC. From the results obtained in the study of diopside-based glasses, a bilayered concept of GC sealant is proposed to overcome the challenges being faced by (SOFCs). The systems designated as Gd−0.3 (in mol%: 20.62MgO−18.05CaO−7.74SrO−46.40SiO2−1.29Al2O3 − 2.04 B2O3−3.87Gd2O3) and Sr−0.3 (in mol%: 24.54 MgO−14.73 CaO−7.36 SrO−0.55 BaO−47.73 SiO2−1.23 Al2O3−1.23 La2O3−1.79 B2O3−0.84 NiO) have been utilized to realize the bi-layer concept. Both GCs exhibit similar thermal properties, while differing in their amorphous fractions, revealed excellent thermal stability along a period of 1,000 h. They also bonded well to the metallic interconnect (Crofer22APU) and 8 mol% yttrium stabilized zirconium (8YSZ) ceramic electrolyte without forming undesirable interfacial layers at the joints of SOFC components and GC. Two separated layers composed of glasses (Gd−0.3 and Sr−0.3) were prepared and deposited onto interconnect materials using a tape casting approach. The bi-layered GC showed good wetting and bonding ability to Crofer22APU plate, suitable thermal expansion coefficient (9.7–11.1 × 10–6 K−1), mechanical reliability, high electrical resistivity, and strong adhesion to the SOFC componets. All these features confirm the good suitability of the investigated bi-layered sealant system for SOFC applications.