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Publicação
Assessment of wave overtopping at Praia da Vitória, Terceira, Azores, with SWASH model
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Orientador(es)
Resumo(s)
The primary objective of this dissertation is to enhance the accuracy of overtopping predictions using the SWASH (Simulating WAves till SHore) model, for inclusion in the Early Warning System (EWS), HIDRALERTA, currently operational in Praia da Vitória. While existing tools within HIDRALERTA offer valuable insights, they have limitations in accurately representing waves and overtopping details. To address these limitations, this research tested the capabilities of the SWASH model by simulating past storm events and typical wave conditions across the two-dimensional model of the entire port and bay areas with complex coastal structures and bathymetry. Outcomes of the simulations were compared to predictions from the NN_OVERTOPPING2 neural network and observed images from extreme events. In the SWASH model, coastal structures were modelled as impermeable layers, with bottom roughness incorporated to enhance energy dissipation from roughness and seepage. An unstructured triangular mesh was used for the computational domain. Manning’s coefficient for the outer slope of the south breakwater, with tetrapod armour units, was calibrated using a physical model test conducted in February 2025 at the National Laboratory of Civil Engineering (LNEC). The model was replicated in SWASH at prototype scale, using two test cases that resulted in overtopping for calibration. The results demonstrate that the SWASH model effectively simulates wave propagation and overtopping in harbour and bay areas, especially over complex coastal structures. Its accuracy in estimating wave propagation and overtopping is sensitive to wave energy interactions with the bottom and slopes, influenced by the Manning coefficient. While unstructured meshes enable large-domain simulations, the quality of the mesh affects both prediction accuracy and computational time. The model is stable when using implicit time integration but unstable with explicit methods. Despite some simulation instability, most simulations reached the maximum allowed simulation time on the National Distributed Computing Infrastructure (INCD) cluster. The model’s accuracy is heavily dependent on bathymetric data, with results generally aligning with NN_OVERTOPPING2 predictions and observed images from extreme events, although underpredictions can occur. Parallel processing is currently limited to structured grids in SWASH and, there is potential for efficiency improvements with unstructured meshes. Future studies should compare SWASH results with field data to fully assess its performance.
Este trabalho contribui para o projeto LIFE-GARACHICO, que se centra na adaptação aos impactos das inundações costeiras e das alterações climáticas, através da aplicação de estratégias flexíveis em áreas urbanas da Macaronésia. A área em questão é o porto e a baía da Praia da Vitória, situados na ilha Terceira, nos Açores. Esta área é vulnerável aos riscos costeiros, que têm sido exacerbados pelas alterações climáticas. O principal objetivo desta dissertação é aumentar a precisão das previsões de galgamento utilizando o modelo SWASH (Simulating WAves till SHore) ara integrar no Sistema de Alerta Precoce atualmente em funcionamento na Praia da Vitória, designado HIDRALERTA. Atualmente, este sistema depende de um modelo numérico de propagação linear de ondas (DREAMS) e de uma rede neural (NN_OVERTOPPING2), treinada com testes de modelos em escala, para fazer previsões de galgamento. Embora as ferramentas existentes no sistema HIDRALERTA forneçam informações valiosas, apresentam limitações na propagação não linear das ondas e na caracterização do galgamento. O modelo SWASH, baseado nas equações de águas rasas não lineares (NLSW), consegue simular uma vasta gama de ondas e calcular com precisão a rebentação induzida pela profundidade. Oferece representações mais precisas da refração e difração das ondas, especialmente em ambientes costeiros complexos, como portos e baías. Para abordar as limitações referidas, o presente estudo avaliou a capacidade do modelo em simular todo o porto e a baía, que apresentam estruturas costeiras complexas e uma batimetria variada, recorrendo à simulação de eventos de tempestades passadas e de condições de ondas habituais, e valida os resultados recorrendo à rede neural NN_OVERTOPPING2. No modelo bidimensional SWASH, as estruturas costeiras foram modeladas como camadas impermeáveis, tendo sido incluída a rugosidade do fundo para melhorar a dissipação da energia causada pela mesma e pela infiltração. Foi utilizada uma malha triangular não estruturada como domínio de cálculo. Para calibrar o coeficiente de Manning do talude exterior do molhe sul, composto por blocos de betão do tipo tetrápodes, foi replicado no SWASH, à escala de protótipo, um ensaio em modelo físico realizado em fevereiro de 2025 no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para uma secção transversal. Cada simulação foi executada durante três horas, um tempo semelhante ao do teste de modelo físico. Dois casos de teste com o mesmo nível de maré, que resultaram em galgamento, foram utilizados para calibrar o coeficiente de Manning neste quebra-mar. Os resultados mostraram que o desempenho do modelo SWASH (versão 11.01A) na estimativa do galgamento é sensível à calibração do coeficiente de Manning para o talude exterior do quebra-mar. Após a calibração, o modelo produziu bons resultados com um esforço computacional reduzido. Para a preparação da batimetria no âmbito da simulação do modelo SWASH para o porto e a baía inteiros, estavam disponíveis dados de alta resolução de LiDAR para o quebra-mar sul e dados de levantamento batimétrico para a bacia do porto. No entanto, não existiam dados batimétricos para o quebra-mar norte, as séries de quebra-mares ou o muro de defesa costeira frontal. Por conseguinte, recorreram-se a desenhos de construção do repositório LNEC para determinar os níveis dessas estruturas costeiras. As condições das ondas no Porto da Praia da Vitória e na baía foram caracterizadas com base em dados de reanálise ERA5 hindcast (1989-2024), disponibilizados pelo Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF). Para a simulação SWASH de todo o porto e baía, foram selecionados dois conjuntos de condições de ondas: eventos mais frequentes (MF) e eventos extremos (ST). Foram escolhidos diferentes cenários de altura das ondas, período, direção e nível de maré com base nos registos de dados horários. O processo de validação incluiu parâmetros espectrais de ondas em várias localizações próximas das estruturas, bem como os caudais médios instantâneos de galgamento das ondas sobre essas mesmas estruturas. Foram simulados um total de nove cenários de teste, cobrindo eventos de tempestades passadas selecionados e as condições de ondas mais frequentes com base no regime de ondas. Os resultados mostraram que o modelo SWASH simula efetivamente a propagação de ondas em áreas portuárias e na baía, incluindo o galgamento sobre estruturas costeiras complexas. A sua precisão na estimativa da propagação das ondas e do galgamento foi sensível à interação da energia das ondas com o fundo e as encostas, que foi influenciada pelo coeficiente de Manning. Embora as malhas não estruturadas permitam a simulação de grandes domínios, a qualidade da malha afeta tanto as previsões como o tempo de processamento. A estabilidade é crucial para o modelo, que é instável com integração explícita no tempo, mas estável ao utilizar métodos implícitos. O efeito da série temporal da altura das ondas nos volumes de galgamento diminui com a duração da simulação. A precisão do modelo depende fortemente dos dados batimétricos e os resultados geralmente coincidem com as previsões do NN_OVERTOPPING2, embora possam ocorrer subestimações. Como ferramenta de previsão, o SWASH mostrou ser fiável, embora os tempos de processamento da CPU não sejam compatíveis com as necessidades diárias do HIDRALERTA. Atualmente, o processamento paralelo está limitado às malhas estruturadas, mas existe potencial para melhorar a eficiência com malhas não estruturadas. Por conseguinte, será necessário desenvolver um substituto com base em pré-execuções extensivas do modelo e em algoritmos de aprendizagem automática. Este trabalho contribuiu para estabelecer uma configuração numérica eficaz para o efeito. Além disso, para avaliar definitivamente o desempenho do modelo SWASH, é necessário comparar os resultados com dados de campo em estudos futuros.
Este trabalho contribui para o projeto LIFE-GARACHICO, que se centra na adaptação aos impactos das inundações costeiras e das alterações climáticas, através da aplicação de estratégias flexíveis em áreas urbanas da Macaronésia. A área em questão é o porto e a baía da Praia da Vitória, situados na ilha Terceira, nos Açores. Esta área é vulnerável aos riscos costeiros, que têm sido exacerbados pelas alterações climáticas. O principal objetivo desta dissertação é aumentar a precisão das previsões de galgamento utilizando o modelo SWASH (Simulating WAves till SHore) ara integrar no Sistema de Alerta Precoce atualmente em funcionamento na Praia da Vitória, designado HIDRALERTA. Atualmente, este sistema depende de um modelo numérico de propagação linear de ondas (DREAMS) e de uma rede neural (NN_OVERTOPPING2), treinada com testes de modelos em escala, para fazer previsões de galgamento. Embora as ferramentas existentes no sistema HIDRALERTA forneçam informações valiosas, apresentam limitações na propagação não linear das ondas e na caracterização do galgamento. O modelo SWASH, baseado nas equações de águas rasas não lineares (NLSW), consegue simular uma vasta gama de ondas e calcular com precisão a rebentação induzida pela profundidade. Oferece representações mais precisas da refração e difração das ondas, especialmente em ambientes costeiros complexos, como portos e baías. Para abordar as limitações referidas, o presente estudo avaliou a capacidade do modelo em simular todo o porto e a baía, que apresentam estruturas costeiras complexas e uma batimetria variada, recorrendo à simulação de eventos de tempestades passadas e de condições de ondas habituais, e valida os resultados recorrendo à rede neural NN_OVERTOPPING2. No modelo bidimensional SWASH, as estruturas costeiras foram modeladas como camadas impermeáveis, tendo sido incluída a rugosidade do fundo para melhorar a dissipação da energia causada pela mesma e pela infiltração. Foi utilizada uma malha triangular não estruturada como domínio de cálculo. Para calibrar o coeficiente de Manning do talude exterior do molhe sul, composto por blocos de betão do tipo tetrápodes, foi replicado no SWASH, à escala de protótipo, um ensaio em modelo físico realizado em fevereiro de 2025 no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para uma secção transversal. Cada simulação foi executada durante três horas, um tempo semelhante ao do teste de modelo físico. Dois casos de teste com o mesmo nível de maré, que resultaram em galgamento, foram utilizados para calibrar o coeficiente de Manning neste quebra-mar. Os resultados mostraram que o desempenho do modelo SWASH (versão 11.01A) na estimativa do galgamento é sensível à calibração do coeficiente de Manning para o talude exterior do quebra-mar. Após a calibração, o modelo produziu bons resultados com um esforço computacional reduzido. Para a preparação da batimetria no âmbito da simulação do modelo SWASH para o porto e a baía inteiros, estavam disponíveis dados de alta resolução de LiDAR para o quebra-mar sul e dados de levantamento batimétrico para a bacia do porto. No entanto, não existiam dados batimétricos para o quebra-mar norte, as séries de quebra-mares ou o muro de defesa costeira frontal. Por conseguinte, recorreram-se a desenhos de construção do repositório LNEC para determinar os níveis dessas estruturas costeiras. As condições das ondas no Porto da Praia da Vitória e na baía foram caracterizadas com base em dados de reanálise ERA5 hindcast (1989-2024), disponibilizados pelo Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF). Para a simulação SWASH de todo o porto e baía, foram selecionados dois conjuntos de condições de ondas: eventos mais frequentes (MF) e eventos extremos (ST). Foram escolhidos diferentes cenários de altura das ondas, período, direção e nível de maré com base nos registos de dados horários. O processo de validação incluiu parâmetros espectrais de ondas em várias localizações próximas das estruturas, bem como os caudais médios instantâneos de galgamento das ondas sobre essas mesmas estruturas. Foram simulados um total de nove cenários de teste, cobrindo eventos de tempestades passadas selecionados e as condições de ondas mais frequentes com base no regime de ondas. Os resultados mostraram que o modelo SWASH simula efetivamente a propagação de ondas em áreas portuárias e na baía, incluindo o galgamento sobre estruturas costeiras complexas. A sua precisão na estimativa da propagação das ondas e do galgamento foi sensível à interação da energia das ondas com o fundo e as encostas, que foi influenciada pelo coeficiente de Manning. Embora as malhas não estruturadas permitam a simulação de grandes domínios, a qualidade da malha afeta tanto as previsões como o tempo de processamento. A estabilidade é crucial para o modelo, que é instável com integração explícita no tempo, mas estável ao utilizar métodos implícitos. O efeito da série temporal da altura das ondas nos volumes de galgamento diminui com a duração da simulação. A precisão do modelo depende fortemente dos dados batimétricos e os resultados geralmente coincidem com as previsões do NN_OVERTOPPING2, embora possam ocorrer subestimações. Como ferramenta de previsão, o SWASH mostrou ser fiável, embora os tempos de processamento da CPU não sejam compatíveis com as necessidades diárias do HIDRALERTA. Atualmente, o processamento paralelo está limitado às malhas estruturadas, mas existe potencial para melhorar a eficiência com malhas não estruturadas. Por conseguinte, será necessário desenvolver um substituto com base em pré-execuções extensivas do modelo e em algoritmos de aprendizagem automática. Este trabalho contribuiu para estabelecer uma configuração numérica eficaz para o efeito. Além disso, para avaliar definitivamente o desempenho do modelo SWASH, é necessário comparar os resultados com dados de campo em estudos futuros.
Descrição
Palavras-chave
Overtopping Wave propagation Swash Numerical modelling Manning´s coefficient