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Compound flooding on an estuarine environment: case study of tagus estuary
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The combined occurrence of coastal, fluvial and/or pluvial flood drivers can lead to compound flood events, which can trigger devastating social, economic, and ecological impacts, particularly in low-lying zones, including estuarine environments. A great number of these areas, which are home to significant populations worldwide, are increasingly at risk, as the intensity, phasing and frequency of such drivers are projected to change. These flood-induced impacts arise from the potential increase in inundation magnitude due to the non-linear interactions between various flood drivers, where their combined effects can exceed the simple sum of their individual contributions. Understanding their joint impacts and accurately estimating compound flood magnitudes is therefore essential for effective coastal management and disaster risk reduction.
In this study, a numerical modeling framework was applied to analyze the interaction between different flood drivers (storm surge, peak river discharge, extreme rainfall and astronomical tides) in the Tagus Estuary. The first phase involved a coupled hydrodynamic model (MOHID), implemented to simulate tidal, wave, and current circulation within the estuary using oceanic and riverine boundary conditions. Based on these results, a flood model (SFINCS) was applied to simulate flooding processes along the northern and southern margins of the estuary under various scenarios.
The flood model was validated using a storm event that occurred in the study area in December 2022. Subsequently, joint probability and extreme value analysis for 100-year return period values were estimated for the flood drivers and used to define multiple modeling scenarios along with different Sea Level Rise projections. These scenarios were designed to examine the flood driver’s interaction, focusing on the flood magnitudes in the context of compound flooding. This study demonstrated that compound events resulting from the interaction of pluvial/fluvial and coastal drivers can increase flood extent and depth by three to four times compared to events driven solely by coastal forces, such as a storm surge coinciding with spring tides in the estuary. Furthermore, the analysis revealed that rainfall is the primary cause of flooding in the Tagus Estuary.
As regiões estuarinas figuram entre os ambientes costeiros mais vulneráveis às consequências das alterações climáticas e da crescente urbanização. A ocorrência simultânea ou sucessiva de múltiplos fatores de inundação, como chuvas intensas, descargas fluviais elevadas, marés astronômicas e tempestades costeiras, pode levar a eventos de inundações compostas, cujo impacto é frequentemente mais severo do que a atuação isolada de cada forçante. Este tipo de evento é particularmente crítico em estuários densamente urbanizados e com baixa altitude, como é o caso do Estuário do Tejo. Apesar da relevância crescente desse tema, os estudos em território português que abordam a interação entre forçantes atmosféricos, fluviais e oceânicos de forma conjunta ainda são escassos. Diante desse contexto, o presente trabalho tem como principal objetivo investigar a influência relativa de diferentes forçantes, precipitação extrema, descarga fluvial, marés, tempestades e elevação do nível médio do mar, na geração de inundações na região do Estuário do Tejo. Para isso, foi implementada uma abordagem integrada de modelação numérica, dividida em duas componentes: a simulação da circulação hidrodinâmica e a modelação da propagação da inundação sobre a superfície terrestre. A estrutura metodológica adotada permitiu avaliar o impacto atual e futuro das inundações compostas com base em diferentes cenários de forçamento, validados a partir de um evento extremo recente ocorrido em dezembro de 2022, que afetou significativamente a região de Lisboa. A primeira etapa consistiu na modelação da circulação hidrodinâmica através da utilização de um modelo tridimensional (MOHID) que representa a dinâmica das massas de água estuarinas e costeiras. Esse modelo foi configurado para representar condições históricas do evento de validação, processando dados de maré, vento, pressão atmosférica, temperatura da água e descarga fluvial. Foram utilizadas condições de contorno baseadas em modelos climáticos e oceanográficos regionais, com resolução espacial e temporal adequada para a área em estudo. O modelo foi acoplado a um módulo de ondas para representar a interação entre marés e agitação marítima, permitindo obter resultados mais realistas sobre os níveis d'água nas zonas costeiras e de transição para o ambiente terrestre. Os dados resultantes dessa modelação hidrodinâmica foram exportados e serviram como entradas para a segunda componente da modelação, voltada para a simulação das inundações sobre o território. Para isso, utilizou-se um modelo de inundação baseado em grelha regular e de elevada eficiência computacional (SFINCS), executado através de uma estrutura em Python voltada para estudos hidrológicos. O domínio do modelo abrangeu uma área superior a 980 km², com resolução espacial de 10 metros, sendo executado em modo subgrid, o que permitiu maior detalhe na representação da propagação da água, mantendo baixos custos de simulação. A configuração incluiu dados topográficos e batimétricos, bem como informações sobre rugosidade superficial e infiltração, a partir de dados raster e vetoriais. A validação do modelo foi realizada com base na comparação entre os resultados simulados e evidências observacionais do evento extremo de dezembro de 2022. Para isso, foram utilizadas imagens de satélite com detecção automática de áreas alagadas, além de vídeos e fotografias georreferenciadas obtidas em redes sociais e veículos de comunicação. A correspondência espacial observada entre os dados modelados e os registros reais indicou uma boa performance do modelo em áreas como Alcântara, Algés e Loures, refletindo sua capacidade de representar eventos reais com boa precisão. Posteriormente, foram definidos onze cenários distintos de simulação, englobando três tipos principais de forçamento: (i) eventos extremos de precipitação e descarga fluvial; (ii) eventos costeiros compostos por maré astronômica, tempestade e elevação do nível do mar; e (iii) eventos compostos que integram simultaneamente os dois tipos anteriores. A definição dos cenários considerou diferentes níveis de severidade com base em análise de probabilidade conjunta de precipitação e maré, bem como projeções de elevação do nível do mar para os horizontes temporais de meados e final do século XXI. Além disso, foram incorporados dados de uso e ocupação do solo para melhor contextualização espacial dos impactos. Os resultados dos cenários permitiram identificar que a coocorrência de precipitação extrema, descarga fluvial e forçamentos oceânicos amplifica significativamente a magnitude das inundações no Estuário do Tejo quando comparada a eventos desencadeados apenas por forçamentos oceânicos. Em simulações utilizando projeções idênticas de elevação do nível do mar (SLR), os cenários compostos resultaram em extensões de inundação até 3 a 4 vezes maiores do que aquelas provenientes de eventos exclusivamente oceânicos em áreas de baixa altitude. Adicionalmente, observou-se que o cenário exclusivamente pluvial/fluvial foi responsável pela maior área de inundação. Esse achado ressalta a predominância dos forçantes continentais no comportamento hidrodinâmico da região do estuário, especialmente em períodos de precipitação extrema. Análises complementares permitiram identificar as áreas mais vulneráveis, com destaque para zonas com altitudes inferiores a 10 metros em relação ao nível médio do mar. A sobreposição entre as áreas inundadas e os diferentes tipos de uso e cobertura do solo revelou que as zonas agrícolas e naturais são as mais afetadas em termos absolutos. No entanto, as áreas urbanas, apesar de menos extensas, concentram maior densidade populacional e infraestrutura crítica, como estradas, hospitais e redes de transporte público, tornando-as prioritárias em termos de planejamento urbano e resposta a emergências. Foi também realizada uma análise comparativa entre os resultados do modelo e mapas oficiais de risco de inundação, evidenciando boa concordância espacial, principalmente na zona norte do estuário. Esse cruzamento reforça a confiabilidade do modelo implementado e destaca seu potencial como ferramenta de apoio à gestão do risco em áreas urbanas e industriais. A capacidade de gerar cenários com elevado nível de detalhe permite ainda que o modelo seja utilizado como base para a formulação de políticas públicas de adaptação às alterações climáticas. Como conclusões principais, o trabalho confirma que: a inclusão da subida do nível do mar amplia significativamente a área e intensidade da inundação, indicando tendência de agravamento futuro; as inundações compostas representam uma ameaça real e crescente que exige ações coordenadas de monitoramento, planejamento urbano e proteção civil; a precipitação extrema e a descarga fluvial são os principais determinantes da inundação na região estudada, especialmente em cenários atuais; e a combinação entre modelos hidrodinâmicos e de inundação permite simulações robustas e com elevado nível de detalhe, úteis para aplicação prática por autoridades locais. Este estudo representa uma contribuição relevante para o entendimento dos riscos de inundação composta no Estuário do Tejo, oferecendo um referencial técnico e metodológico que pode apoiar planos de adaptação às alterações climáticas e estratégias locais de mitigação de desastres.
As regiões estuarinas figuram entre os ambientes costeiros mais vulneráveis às consequências das alterações climáticas e da crescente urbanização. A ocorrência simultânea ou sucessiva de múltiplos fatores de inundação, como chuvas intensas, descargas fluviais elevadas, marés astronômicas e tempestades costeiras, pode levar a eventos de inundações compostas, cujo impacto é frequentemente mais severo do que a atuação isolada de cada forçante. Este tipo de evento é particularmente crítico em estuários densamente urbanizados e com baixa altitude, como é o caso do Estuário do Tejo. Apesar da relevância crescente desse tema, os estudos em território português que abordam a interação entre forçantes atmosféricos, fluviais e oceânicos de forma conjunta ainda são escassos. Diante desse contexto, o presente trabalho tem como principal objetivo investigar a influência relativa de diferentes forçantes, precipitação extrema, descarga fluvial, marés, tempestades e elevação do nível médio do mar, na geração de inundações na região do Estuário do Tejo. Para isso, foi implementada uma abordagem integrada de modelação numérica, dividida em duas componentes: a simulação da circulação hidrodinâmica e a modelação da propagação da inundação sobre a superfície terrestre. A estrutura metodológica adotada permitiu avaliar o impacto atual e futuro das inundações compostas com base em diferentes cenários de forçamento, validados a partir de um evento extremo recente ocorrido em dezembro de 2022, que afetou significativamente a região de Lisboa. A primeira etapa consistiu na modelação da circulação hidrodinâmica através da utilização de um modelo tridimensional (MOHID) que representa a dinâmica das massas de água estuarinas e costeiras. Esse modelo foi configurado para representar condições históricas do evento de validação, processando dados de maré, vento, pressão atmosférica, temperatura da água e descarga fluvial. Foram utilizadas condições de contorno baseadas em modelos climáticos e oceanográficos regionais, com resolução espacial e temporal adequada para a área em estudo. O modelo foi acoplado a um módulo de ondas para representar a interação entre marés e agitação marítima, permitindo obter resultados mais realistas sobre os níveis d'água nas zonas costeiras e de transição para o ambiente terrestre. Os dados resultantes dessa modelação hidrodinâmica foram exportados e serviram como entradas para a segunda componente da modelação, voltada para a simulação das inundações sobre o território. Para isso, utilizou-se um modelo de inundação baseado em grelha regular e de elevada eficiência computacional (SFINCS), executado através de uma estrutura em Python voltada para estudos hidrológicos. O domínio do modelo abrangeu uma área superior a 980 km², com resolução espacial de 10 metros, sendo executado em modo subgrid, o que permitiu maior detalhe na representação da propagação da água, mantendo baixos custos de simulação. A configuração incluiu dados topográficos e batimétricos, bem como informações sobre rugosidade superficial e infiltração, a partir de dados raster e vetoriais. A validação do modelo foi realizada com base na comparação entre os resultados simulados e evidências observacionais do evento extremo de dezembro de 2022. Para isso, foram utilizadas imagens de satélite com detecção automática de áreas alagadas, além de vídeos e fotografias georreferenciadas obtidas em redes sociais e veículos de comunicação. A correspondência espacial observada entre os dados modelados e os registros reais indicou uma boa performance do modelo em áreas como Alcântara, Algés e Loures, refletindo sua capacidade de representar eventos reais com boa precisão. Posteriormente, foram definidos onze cenários distintos de simulação, englobando três tipos principais de forçamento: (i) eventos extremos de precipitação e descarga fluvial; (ii) eventos costeiros compostos por maré astronômica, tempestade e elevação do nível do mar; e (iii) eventos compostos que integram simultaneamente os dois tipos anteriores. A definição dos cenários considerou diferentes níveis de severidade com base em análise de probabilidade conjunta de precipitação e maré, bem como projeções de elevação do nível do mar para os horizontes temporais de meados e final do século XXI. Além disso, foram incorporados dados de uso e ocupação do solo para melhor contextualização espacial dos impactos. Os resultados dos cenários permitiram identificar que a coocorrência de precipitação extrema, descarga fluvial e forçamentos oceânicos amplifica significativamente a magnitude das inundações no Estuário do Tejo quando comparada a eventos desencadeados apenas por forçamentos oceânicos. Em simulações utilizando projeções idênticas de elevação do nível do mar (SLR), os cenários compostos resultaram em extensões de inundação até 3 a 4 vezes maiores do que aquelas provenientes de eventos exclusivamente oceânicos em áreas de baixa altitude. Adicionalmente, observou-se que o cenário exclusivamente pluvial/fluvial foi responsável pela maior área de inundação. Esse achado ressalta a predominância dos forçantes continentais no comportamento hidrodinâmico da região do estuário, especialmente em períodos de precipitação extrema. Análises complementares permitiram identificar as áreas mais vulneráveis, com destaque para zonas com altitudes inferiores a 10 metros em relação ao nível médio do mar. A sobreposição entre as áreas inundadas e os diferentes tipos de uso e cobertura do solo revelou que as zonas agrícolas e naturais são as mais afetadas em termos absolutos. No entanto, as áreas urbanas, apesar de menos extensas, concentram maior densidade populacional e infraestrutura crítica, como estradas, hospitais e redes de transporte público, tornando-as prioritárias em termos de planejamento urbano e resposta a emergências. Foi também realizada uma análise comparativa entre os resultados do modelo e mapas oficiais de risco de inundação, evidenciando boa concordância espacial, principalmente na zona norte do estuário. Esse cruzamento reforça a confiabilidade do modelo implementado e destaca seu potencial como ferramenta de apoio à gestão do risco em áreas urbanas e industriais. A capacidade de gerar cenários com elevado nível de detalhe permite ainda que o modelo seja utilizado como base para a formulação de políticas públicas de adaptação às alterações climáticas. Como conclusões principais, o trabalho confirma que: a inclusão da subida do nível do mar amplia significativamente a área e intensidade da inundação, indicando tendência de agravamento futuro; as inundações compostas representam uma ameaça real e crescente que exige ações coordenadas de monitoramento, planejamento urbano e proteção civil; a precipitação extrema e a descarga fluvial são os principais determinantes da inundação na região estudada, especialmente em cenários atuais; e a combinação entre modelos hidrodinâmicos e de inundação permite simulações robustas e com elevado nível de detalhe, úteis para aplicação prática por autoridades locais. Este estudo representa uma contribuição relevante para o entendimento dos riscos de inundação composta no Estuário do Tejo, oferecendo um referencial técnico e metodológico que pode apoiar planos de adaptação às alterações climáticas e estratégias locais de mitigação de desastres.
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Compound coastal flooding Tagus estuary Storm surge Extreme precipitation Sfincs