Wave hydrodynamics in coastal stretches influenced by detached breakwaters

Abstract

Coastal zones are highly dynamic systems directly influenced by natural driving forces and human induced impacts. Understanding the fundamentals of the physical, chemical, biological and anthropogenic phenomena related to these natural environments is of vital importance for coastal human life and property protection. Due to the predicted sea level rise over the next century and the increase in frequency and severity of storms, beaches and coastal defence structures are at risk. The worsening of erosion, with the consequent reduction of shorelines has great impact in the environment, in tourism and economy of regions affected by this problem. In order to protect coastal areas, defence structures reveal an important role in shielding urban areas. Many different engineering solutions can be used to reduce or to control coastal erosion, such as: breakwaters, groins, environmental-friendly structures and beach nourishment. In this work the impact in hydrodynamics and sediment transport of a detached breakwater on the Portuguese Ofir beach was considered as a case study. The geometric parameters of a reference detached breakwater were obtained using UK Department of Environment Food and Rural Affairs methodology based on data of wave characteristics and bathymetry obtained from field measurements and from the Portuguese Hydrographic Institute monitoring stations. Ocean hydrodynamic data for a period between 1993 and 2007 obtained in the Leixões buoy were considered in the implementation of numerical models in order to understand the wave conditions in Ofir beach. The selected software for models construction were the COULWAVE (1D) for hydrodynamics (significant wave height and wave energy) and BOUSS-2D for 2DH hydrodynamics (significant wave height and water residual velocity). The input data needed depended on the characteristics of each one of those models. The combination of the parameters needed for the running of each model determined different simulation scenarios considering the situation of continuous and discontinuous detached breakwaters and the natural situation without detached breakwaters. In addition, a sensitivity analysis for comparing relative accuracy for significant wave height results between the two models was performed.

As zonas costeiras são sistemas altamente dinâmicos directamente influenciados por forças naturais e impactos antrópicos. A compreensão dos fundamentos físicos, químicos e biológicos e os fenómenos antrópicos relacionados a esses ambientes naturais é de vital importância para a protecção de pessoas e bens nas zonas costeiras. Atendendo à prevista elevação do nível médio do mar ao longo do próximo século e ao aumento da frequência e severidade das tempestades, as praias e as estruturas de defesa costeira estão sujeitas a riscos elevados. O agravamento da erosão, com a consequente redução de linhas de costa, tem grande impacto no meio ambiente, no turismo e na economia das regiões afectadas por este problema. As estruturas de defesa assumem um papel determinante na protecção das áreas urbanas localizadas em zonas costeiras. Diferentes soluções de engenharia têm sido adoptadas para reduzir ou controlar a erosão costeira, tais como: quebramares, esporões, estruturas ecológicas e alimentação de praias. Neste trabalho, foi estudado o impacto de um quebramar destacado na hidrodinâmica e no transporte sedimentar na praia de Ofir, concelho de Esposende. Os parâmetros geométricos de um quebramar destacado de referência foram calculados com base na metodologia do Departamento de Ambiente, Alimentação e Assuntos Rurais do Reino Unido, utilizando dados de características de onda e de batimetria obtidos a partir de medições de campo e de estações de monitorização do Instituto Hidrográfico Português. Para implementar os modelos numéricos, foi necessário estudar a hidrodinâmica marítima na bóia de Leixões, considerando um conjunto de dados de agitação para um período entre 1993 e 2007. Os programas computacionais escolhidos para a construção dos modelos foram o COULWAVE (1D) para a hidrodinâmica 1D (altura significativa e energia das ondas) e o BOUSS-2D para a hidrodinâmica 2DH (altura significativa de onda e velocidade média do mar). Os dados de entrada foram os adequados às características de cada um dos modelos. A combinação dos parâmetros aplicados a cada modelo determinou diferentes cenários de simulação, considerando cenários com quebramares destacados contínuos e descontínuos e cenários sem quebramares destacados. Para os dois modelos, foi, ainda, realizada uma análise de sensibilidade à precisão dos resultados obtidos para alturas significativas de onda.