Local Conentration of Waves due to Abrupt Alongshore Variation of Nearshore Bathymetry

Small-scale physical and numerical experiments were conducted to investigate the local concentration of waves (monochromatic and group) due to abrupt change of nearshore bathymetry in alongshore direction. Wave run-up motions along the shoreline were measured using an image analysis technique to compare localized concentration of wave energy, when waves propagate a over bathymetry composing rhythmic patterns of mild/steep slope bottom configurations. Measured alongshore variation of maximum wave run-up heights showed significant peak near the boundary, which has sudden alongshore change of depth, both under monochromatic and group wave trains. This phenomenon is found to be due to interaction of waves with neashore currents, which is further enhanced by excitation of long wave components by breaking of group waves. Furthermore, this paper discusses results of preliminary experiments carried out to test the effectiveness of several shore protection structure layouts in mitigating such wave concentrations. Numerical simulations were performed by using a model developed based on Nwogu (1993) Boussinesq-type equations; coupled with a transport equation to model energy dissipation due to wave breaking.

Data assimilation for morphodynamic prediction and predictability

This paper gives an overview of the project Changing Coastlines: data assimilation for morphodynamic prediction and predictability. This project is investigating whether data assimilation could be used to improve coastal morphodynamic modeling. The concept of data assimilation is described, and the benefits that data assimilation could bring to coastal morphodynamic modeling are discussed. Application of data assimilation in a simple 1D morphodynamic model is presented. This shows that data assimilation can be used to improve the current state of the model bathymetry, and to tune the model parameter. We now intend to implement these ideas in a 2D morphodynamic model, for two study sites. The logistics of this are considered, including model design and implementation, and data requirement issues. We envisage that this work could provide a means for maintaining up-to-date information on coastal bathymetry, without the need for costly survey campaigns. This would be useful for a range of coastal management issues, including coastal flood forecasting.

Wave spectra assimilation in typhoon wave modeling for the East China Sea

The East China Sea is a hot area for typhoon waves to occur. A wave spectra assimilation model has been developed to predict the typhoon wave more accurately and operationally. This is the first time where wave data from Taiwan have been used to predict typhoon wave along the mainland China coast. The two-dimensional spectra observed in Taiwan northeast coast modify the wave field output by SWAN model through the technology of optimal interpolation (OI) scheme. The wind field correction is not involved as it contributes less than a quarter of the correction achieved by assimilation of waves. The initialization issue for assimilation is discussed. A linear evolution law for noise in the wave field is derived from the SWAN governing equations. A two-dimensional digital low-pass filter is used to obtain the initialized wave fields. The data assimilation model is optimized during the typhoon Sinlaku. During typhoons Krosa and Morakot, data assimilation significantly improves the low frequency wave energy and wave propagation direction in Taiwan coast. For the far-field region, the assimilation model shows an expected ability of improving typhoon wave forecast as well, as data assimilation enhances the low frequency wave energy. The proportion of positive assimilation indexes is over 81% for all the periods of comparison. The paper also finds that the impact of data assimilation on the far-field region depends on the state of the typhoon developing and the swell propagation direction.

Modelagem numérica da evolução da linha de costa das praias localizadas a oeste da cidade de Fortaleza, Ceará : trecho compreendido entre o rio Ceará e a praia do Cumbuco

Há aproximadamente meio século, as praias situadas a sotamar do Porto do Mucuripe, em Fortaleza, vem sofrendo intensos processos erosivos, creditados em grande parte à construção e ampliação deste porto. O fato é que o acentuado crescimento urbano da capital cearense ocasionou a fixação de dunas e a quebra do fluxo longitudinal de sedimentos em seu litoral, resultando no recuo da linha de costa e na necessidade de intervenção antrópica por meio de obras rígidas que viessem a garantir a preservação da infra-estrutura existente nos trechos mais afetados. Como conseqüência da fixação das praias, o suprimento de material sedimentar passou a ficar retido, enquanto que o potencial de transporte das ondas se preservou. A quebra deste equilíbrio dinâmico acarretou a transferência dos processos erosivos para as praias adjacentes, o que tornou-se um problema cada vez maior, pois as soluções adotadas nestas praias eram idênticas às anteriores. As conseqüências deste processo para uma cidade como Fortaleza, onde o turismo é uma das principais fontes de renda, são graves, dado que como resultado final, encontramos longos trechos de praias com a balneabilidade comprometida e perda de qualidade visual. O litoral situado a oeste da capital é limitado à direita pela foz do Rio Ceará e à esquerda por um promontório rochoso, onde situa-se a Ponta do Pecém. Este trecho compreende aproximadamente 30 km de praias arenosas, com granulometria média e fina, e com ondas incidindo sobre a costa de forma obliqua, o que as torna o principal mecanismo de transporte de sedimentos. A ocupação urbana concentra-se principalmente nas praias mais próximas a Fortaleza, onde observa-se ainda, o afloramento de rochas de praia e grande perda de material sedimentar, fornecendo indícios da transferência dos processos erosivos da orla marítima da capital para estas praias. Com a conclusão das obras do Porto do Pecém e de um pólo industrial que visa desfrutar da localização estratégica deste porto, é natural que ocorra uma intensificação nos processos de ocupação urbana das praias próximas à área. Tal constatação motivou um trabalho de modelagem da dinâmica desta zona com o objetivo de nortear um plano de uso e ocupação das áreas localizadas próximas à praia, de forma que se possa prever o comportamento da linha de costa e evitar que sejam repetidos certos equívocos como a construção em zonas de forte dinâmica e a fixação das fontes primárias de fornecimento de sedimentos, que são as dunas frontais. Dada a disponibilidade de dados, bons processadores e aos custos significativamente reduzidos da modelagem numérica, adotou-se o pacote GENESIS – RCPWAVE, que além de ser de domínio público, é a base do sistema de modelagem de linha de costa adotado pelo CERC (Coastal Engineering Research Center), U.S.A., para aplicações em costa aberta, em regiões sujeitas às intervenções humanas. A calibração do modelo se fez considerando as linhas de praia medidas em 1974 pela DHN e em 2001 com o uso de GPS. Os dados de onda utilizados foram obtidos por um ondógrafo direcional do tipo Waverider, instalado a uma profundidade de 18 metros nas proximidades da Ponta do Pecém. Os dados relativos ao modelo conceitual dos processos predominantes na região, como: contribuições externas, variação granulométrica e variações sazonais de perfis foram obtidos de levantamentos bibliográficos de trabalhos anteriores. Por último, informações relativas às estruturas existentes e seu comportamento, ao afloramento de formações rochosas e o último levantamento da linha de praia, foram obtidas através de trabalhos de campo. De uma forma geral, o comportamento previsto pelo modelo mostrou-se semelhante ao observado nos diferentes levantamentos. Considerando-se as limitações dos processos envolvidos no levantamento de dados, onde tanto a carta da DHN quanto o mapeamento por satélite estão sujeitos a imprecisões e ainda, que a série de dados confiáveis de ondas para a região possuía apenas dois anos, é importante notar que, em linhas gerais, a formulação matemática do modelo representou satisfatoriamente os processos envolvidos. Os resultados fornecidos possibilitam a extrapolação da evolução da linha de costa e indicam pontos de provável recuo ou avanço da praia, norteando a sua ocupação. A ferramenta gerada proporciona ainda a avaliação do impacto de intervenções por meio de estruturas rígidas ou engordamento de praia ao longo do tempo e gera uma estimativa dos valores de deriva litorânea para os diferentes trechos de praia, possibilitando avaliar os efeitos das intervenções nas praias adjacentes.

Calibração e aplicação do modelo numérico genesis nas praias de Tramandaí e Imbé-RS

O modelo numérico GENESIS (Generalized Model for Simulating Shoreline Change) é parte de um sistema de modelagem de linha de praia, o SMS (Shoreline Modeling System), desenvolvido pelo CERC (Coastal Engineering Research Center), U.S.A. É um modelo genérico, determinístico e bidimensional, com grande flexibilidade para ser adaptado a costas abertas, arenosas e sujeitas a intervenção humana. Utilizado na previsão da resposta da linha praia as diversas obras costeiras que podem ser implantadas na mesma. Características estas, que fazem dele uma ferramenta indicada para a o estudo costa do Rio Grande do Sul e para o objetivo deste estudo. A aplicação do modelo de evolução de linha praia – GENESIS neste trabalho, tem como objetivos: calibrar o modelo numérico GENESIS para a costa centro norte do Rio Grande do Sul e avaliar seu uso como ferramenta na previsão de impactos ambientais gerados por obras costeiras, Alem de reproduzir as condições do modelo físico reduzido de 1965 e comparar os resultados entre as simulações matemática e física. O modelo foi aplicado num trecho de linha de praia da região centro norte do Rio Grande do Sul, nas praias de Tramandaí e Imbé. As quais já foram alvo de estudos anteriores através de modelo físico reduzido, em função do desejo deste município em construir molhes na desembocadura do canal da Laguna de Tramandaí. Para implementação do modelo numérico GENESIS foram utilizados dados das posições da linha de praia em três diferentes anos, coletados pelo CECO/UFRGS, dados de onda coletados pelo ondógrafo do IPH/UFRGS, e diversos dados sobre as praias e sua história, retirados da extensa bibliografia publicada sobre a região de estudo. A calibração do modelo foi realizada através das linhas de praia medidas em 1997 e em 2000. O modelo foi considerado calibrado quando o mesmo consegui reproduzir a linha de praia do ano 2000 a partir da linha de 1997, obtendo um erro máximo de 15 m. Foram realizadas simulações que reproduziam as simulações feitas em modelo físico reduzido do IPH em 1965. Através da comparação dos dados de onda utilizados no modelo físico reduzido de 1965 e dos dados de onda coletados pelo ondógrafo em 1996, pudemos observar a importância do uso de um série de dados de onda neste tipo de estudo, bem como, a desenvoltura e limitações do modelo numérico GENESIS na situações geradas.

Estudo da circulação hidrodinâmica e da dispersão de óleo na zona costeira entre Macau e Galinhos RN

This paper presents a study on coastal hydrodynamics and the spread of an oil spill in waters off Macau and Galinhos, on the east coast of the state of Rio Grande do Norte in Northeast Brazil. This area has a very marked coastal dynamic owing to the complexity of its geomorphological features, developed in a regime of semidiurnal mesotides involving reefs, spits, estuaries, mangroves, lakes and dunes. The region also plays an important role in the socioeconomic development of the state, given that the production of oil, natural gas, salt and shrimp is concentrated there. The series of oil platforms is interconnected by a pipeline system that carries oil to the local terminal. This pipeline could leak at any moment, causing immense ecological damage. To gauge the risks of an oil leak and resulting contamination of the coastal region, two hydrodynamic scenarios were simulated. The results obtained were used to implement a contaminant transport model with the creation of various oil leak scenarios modeled at different volumes (from small to large) and intensities (sporadic and continuous), at points considered critical for the model (on two platforms and at two pipeline intersections), under different wind (summer and winter) and tidal (high and low at new, full and quarter moon phases) conditions. The use of hydrodynamic circulation computer models as a tool for representing a real project design has been increasingly frequent in recent years, given that they enable the realistic simulation of the hydrodynamic circulation pattern in bodies of water and an analysis of the impacts caused by contaminants released into the water. This study used the computer models contained in SisBAHIA®, in continuous development in the area of Coastal Engineering and Oceanography at COPPE/UFRJ

Propagation of ship waves on a sloping bottom

The numerical model FUNWAVE was adapted in order to simulate the generation and propagation of ship waves to shore, including phenomena such as refraction, diffraction, currents and breaking of waves. Results are shown for Froude numbers equal to 0.8, 1.0 and 1.1, in order to verify the refraction of the wave pattern, identify breaking conditions and to investigate the wave generation scheme as a moving pressure at the free surface. © 2009 World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

Waves generated by two or more ships in a channel

The numerical model FUNWAVE+Ship simulates the generation and propagation of ship waves to shore, including phenomena such as refraction, diffraction, currents and breaking of waves. The interaction of two wave trains, generated by ships moving either in the same direction at different speeds or in opposite directions, is studied. Focus is given to the wave orbital velocities and to the free surface pattern.

Morphodynamics of structurally controlled headland-bay beaches in southeastern Brazil: A review

This paper presents a comprehensive review on the interaction between hydrodynamic processes, beach morphology and sedimentology at large scale coastal behaviour along the coastline of Santa Catarina, between Laguna and Sao Francisco Island, a microtidal east coast swell environment with headland and bay geomorphologies. The parabolic bay shape equation has proven to be a convenient and practical tool for studying the stability of the headland-bay beaches, tombolos, and salients in Santa Catarina. The beaches exhibit different patterns of sediment removal as a function of the degree of beach curvature. In highly curved beaches, there is a well-developed shadow zone and a range of morphodynamic conditions, from a sheltered low-energy beach adjacent to the downdrift headland to a high-energy exposed beach on the straight end of the headland-bay beach. The less curved beaches instead, tend to show more uniform behaviour since they are directly exposed to incident waves. There is no obvious relationship between average wave height and mean grain size, showing the importance of sediment source to characterize the sedimentary distribution patterns in the study area. The analysis of beaches showed that beach morphodynamics and sequence profiles for a bay-headland coast in a microtidal east coast environment is a function of geological inheritance (e.g., distance between headlands and orientation, nearshore and inner shelf morphology, coastal plain morphology, and sediment source), and hydrodynamic factors (wave conditions, oceanic wave exposure and relative tidal range). (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modellazione bidimensionale della propagazione nell'entroterra della inondazione da mare negli scenari dei previsti cambiamenti climatici

Le ricerche di carattere eustatico, mareografico, climatico, archeologico e geocronologico, sviluppatesi soprattutto nell’ultimo ventennio, hanno messo in evidenza che gran parte delle piane costiere italiane risulta soggetta al rischio di allagamento per ingressione marina dovuta alla risalita relativa del livello medio del mare. Tale rischio è la conseguenza dell’interazione tra la presenza di elementi antropici e fenomeni di diversa natura, spesso difficilmente discriminabili e quantificabili, caratterizzati da magnitudo e velocità molto diverse tra loro. Tra le cause preponderanti che determinano l’ingressione marina possono essere individuati alcuni fenomeni naturali, climatici e geologici, i quali risultano fortemente influenzati dalle attività umane soprattutto a partire dal XX secolo. Tra questi si individuano: - la risalita del livello del mare, principalmente come conseguenza del superamento dell’ultimo acme glaciale e dello scioglimento delle grandi calotte continentali; - la subsidenza. Vaste porzioni delle piane costiere italiane risultano soggette a fenomeni di subsidenza. In certe zone questa assume proporzioni notevoli: per la fascia costiera emiliano-romagnola si registrano ratei compresi tra 1 e 3 cm/anno. Tale subsidenza è spesso il risultato della sovrapposizione tra fenomeni naturali (neotettonica, costipamento di sedimenti, ecc.) e fenomeni indotti dall’uomo (emungimenti delle falde idriche, sfruttamento di giacimenti metaniferi, escavazione di materiali per l’edilizia, ecc.); - terreni ad elevato contenuto organico: la presenza di depositi fortemente costipabili può causare la depressione del piano di campagna come conseguenza di abbassamenti del livello della falda superficiale (per drenaggi, opere di bonifica, emungimenti), dello sviluppo dei processi di ossidazione e decomposizione nei terreni stessi, del costipamento di questi sotto il proprio peso, della carenza di nuovi apporti solidi conseguente alla diminuita frequenza delle esondazioni dei corsi d’acqua; - morfologia: tra i fattori di rischio rientra l’assetto morfologico della piana e, in particolare il tipo di costa (lidi, spiagge, cordoni dunari in smantellamento, ecc. ), la presenza di aree depresse o comunque vicine al livello del mare (fino a 1-2 m s.l.m.), le caratteristiche dei fondali antistanti (batimetria, profilo trasversale, granulometria dei sedimenti, barre sommerse, assenza di barriere biologiche, ecc.); - stato della linea di costa in termini di processi erosivi dovuti ad attività umane (urbanizzazione del litorale, prelievo inerti, costruzione di barriere, ecc.) o alle dinamiche idro-sedimentarie naturali cui risulta soggetta (correnti litoranee, apporti di materiale, ecc. ). Scopo del presente studio è quello di valutare la probabilità di ingressione del mare nel tratto costiero emiliano-romagnolo del Lido delle Nazioni, la velocità di propagazione del fronte d’onda, facendo riferimento allo schema idraulico del crollo di una diga su letto asciutto (problema di Riemann) basato sul metodo delle caratteristiche, e di modellare la propagazione dell’inondazione nell’entroterra, conseguente all’innalzamento del medio mare . Per simulare tale processo è stato utilizzato il complesso codice di calcolo bidimensionale Mike 21. La fase iniziale di tale lavoro ha comportato la raccolta ed elaborazione mediante sistema Arcgis dei dati LIDAR ed idrografici multibeam , grazie ai quali si è provveduto a ricostruire la topo-batimetria di dettaglio della zona esaminata. Nel primo capitolo è stato sviluppato il problema del cambiamento climatico globale in atto e della conseguente variazione del livello marino che, secondo quanto riportato dall’IPCC nel rapporto del 2007, dovrebbe aumentare al 2100 mediamente tra i 28 ed i 43 cm. Nel secondo e terzo capitolo è stata effettuata un’analisi bibliografica delle metodologie per la modellazione della propagazione delle onde a fronte ripido con particolare attenzione ai fenomeni di breaching delle difese rigide ed ambientali. Sono state studiate le fenomenologie che possono inficiare la stabilità dei rilevati arginali, realizzati sia in corrispondenza dei corsi d’acqua, sia in corrispondenza del mare, a discapito della protezione idraulica del territorio ovvero dell’incolumità fisica dell’uomo e dei territori in cui esso vive e produce. In un rilevato arginale, quale che sia la causa innescante la formazione di breccia, la generazione di un’onda di piena conseguente la rottura è sempre determinata da un’azione erosiva (seepage o overtopping) esercitata dall’acqua sui materiali sciolti costituenti il corpo del rilevato. Perciò gran parte dello studio in materia di brecce arginali è incentrato sulla ricostruzione di siffatti eventi di rottura. Nel quarto capitolo è stata calcolata la probabilità, in 5 anni, di avere un allagamento nella zona di interesse e la velocità di propagazione del fronte d’onda. Inoltre è stata effettuata un’analisi delle condizioni meteo marine attuali (clima ondoso, livelli del mare e correnti) al largo della costa emiliano-romagnola, le cui problematiche e linee di intervento per la difesa sono descritte nel quinto capitolo, con particolare riferimento alla costa ferrarese, oggetto negli ultimi anni di continui interventi antropici. Introdotto il sistema Gis e le sue caratteristiche, si è passati a descrivere le varie fasi che hanno permesso di avere in output il file delle coordinate x, y, z dei punti significativi della costa, indispensabili al fine della simulazione Mike 21, le cui proprietà sono sviluppate nel sesto capitolo.

Medem Channel profiles based on stand-alone model simulation and corrections with nudging

State-of-the-art process-based models have shown to be applicable to the simulation and prediction of coastal morphodynamics. On annual to decadal temporal scales, these models may show limitations in reproducing complex natural morphological evolution patterns, such as the movement of bars and tidal channels, e.g. the observed decadal migration of the Medem Channel in the Elbe Estuary, German Bight. Here a morphodynamic model is shown to simulate the hydrodynamics and sediment budgets of the domain to some extent, but fails to adequately reproduce the pronounced channel migration, due to the insufficient implementation of bank erosion processes. In order to allow for long-term simulations of the domain, a nudging method has been introduced to update the model-predicted bathymetries with observations. The model-predicted bathymetry is nudged towards true states in annual time steps. Sensitivity analysis of a user-defined correlation length scale, for the definition of the background error covariance matrix during the nudging procedure, suggests that the optimal error correlation length is similar to the grid cell size, here 80-90 m. Additionally, spatially heterogeneous correlation lengths produce more realistic channel depths than do spatially homogeneous correlation lengths. Consecutive application of the nudging method compensates for the (stand-alone) model prediction errors and corrects the channel migration pattern, with a Brier skill score of 0.78. The proposed nudging method in this study serves as an analytical approach to update model predictions towards a predefined 'true' state for the spatiotemporal interpolation of incomplete morphological data in long-term simulations.