SMC 3.0
O SMC 3.0 é dividido em dois módulos:
1. MÓDULO DE ANÁLISE DE PRAIAS EM CURTO PRAZO
O objetivo de analisar as praias em curto prazo é verificar a resposta da praia diante da ação de um evento (e.g. tempestades) e analisar as informações sobre os processos costeiros (e.g. ondas, correntes) para entender a morfodinâmica da praia e assim, realizar um diagnóstico da mesma podendo propor alternativas de soluções para possíveis problemas.
Este módulo contém os programas que permitem analisar os sistemas costeiros a uma escala espacial e temporal curta (até 96 horas). Consiste em modelos de evolução morfodinâmica no perfil 2DV (2 dimensões na vertical) e em planta 2DH (2 dimensões na horizontal). O primeiro, conhecido como PETRA (Programa de Evolução do Perfil Transversal de Praias), permite calcular a evolução do perfil de praias no tempo. O modelo simula os distintos processos envolvidos (propagação de ondas monocromáticas e espectrais, incluindo as quebras e pós-quebras, sobrelevação e inundação da área de praia seca, cálculo do sistema induzido de correntes, transporte de sedimentos pelo fundo e por suspensão, etc.) permitindo obter a evolução do perfil após a ação de ondas sobre um nível de maré variável no tempo. Já o segundo, conhecido como MOPLA (Programa de Morfodinâmica de Praia), modela, através de seis modelos numéricos (OLUCA MC/SP, COPLA MC/SP, EROS MC/SP), a evolução morfodinâmica das praias a partir da simulação de ondas, correntes, transporte de sedimentos e a evolução da batimetria. Esses modelos são divididos em dois grupos: (1) MC – monocromático, modelagem dos processos associados à propagação de um trem de ondas monocromáticas e; (2) SP – espectral, modelagem de propagação de um estado do mar representado por um espectro de energia de ondas.
1.1 MODELO DE EVOLUÇÃO DO PERFIL TRANSVERSAL DE PRAIA (PETRA)
Os modelos morfodinâmicos para um perfil transversal da zona de quebra, como o PETRA, são utilizados para prever a evolução morfológica de um perfil praial (em curto prazo) submetida à ação de determinadas condições de onda. O conceito de “curto prazo” deve ser entendido como a escala de tempo de validade do modelo (horas – dias). Portanto, este tipo de modelo é útil para simular o comportamento de uma praia (volume de areia erodida, retração da linha de costa) submetida à ação de uma tempestade (tempo máximo de 96 horas).
Dessa forma, o modelo de Perfil Transversal (PETRA) é um modelo numérico que resolve, para um perfil de praia, as equações de propagação de ondas, geração de correntes e transporte de sedimento dentro da zona de surfe. Além disso, o modelo computa as mudanças na batimetria associadas às variações espaciais do transporte de sedimentos, permitindo estimar o retrocesso da linha de costa e identificar áreas de erosão ou acumulação em função do transporte de sedimentos transversal à costa. A magnitude do transporte é função das características do meio (água, sedimento e batimetria) e das condições hidrodinâmicas (ondulação e correntes induzidas por ondas).
Em geral, admitem-se condições hidrodinâmicas estacionárias durante um intervalo de tempo determinado, que geram uma variação na batimetria (perfil). Com o novo perfil recalculam-se as condições hidrodinâmicas e os novos fluxos de transporte, utilizando a discretização pelo método de diferenças finitas. É feito esse ciclo até a finalização do evento que se deseja simular.
Detalhes do modelo PETRA podem ser encontrados no Manual do Usuário do PETRA e no Manual de Referência do PETRA.
1.2 MODELO DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS (OLUCA)
As ondas ao chegarem próximo à costa passam por fenômenos de modificação nas suas frentes e, portanto na distribuição espacial da energia desta devido aos processos de refração, reflexão, difração e empinamento. Para caracterizar adequadamente essa dinâmica é necessário então, propagar os dados de ondas existentes de águas profundas até a zona de interesse.
A partir da base de dados DOW, disponibilizada no SMC-Brasil, pode-se propagar as ondas novamente até a costa, utilizando o Modelo de Propagação de Ondas em Praias (OLUCA). O OLUCA é um modelo de propagação de ondas fracamente não-linear, combinado de refração e difração que inclui os efeitos de empinamento, dissipação de energia por fricção com o fundo e quebra da onda e a interação onda-corrente, simulando o comportamento de ondas sobre batimetrias irregulares (GONZÁLEZ et al., 2007).
O modelo OLUCA é baseado na equação da declividade suave desenvolvida por Radder (1979) e posteriormente adaptada por Booij (1981). Para a propagação das componentes de energia a aproximação parabólica inclui refração-difração (REF/DIF) com interação onda-corrente.
Detalhes do modelo OLUCA podem ser encontrados no Manual de Referência do OLUCA-MC e no Manual de Referência do OLUCA-SP.
1.3 MODELO DE CORRENTES DEVIDO A QUEBRA DA ONDA EM PRAIAS (COPLA)
O modelo de correntes COPLA é um modelo numérico que resolve as equações de fluxo (interação onda – corrente) dentro da zona de surfe, devido a quebra das ondas, utilizando como parâmetros de entrada os resultados de campos de ondas do modelo OLUCA. Ele resolve de forma integrada na profundidade a equação de conservação da massa e do momento em duas dimensões horizontais (2DH).
O transporte de matéria próximo a região da superfície da água é consideravelmente ampliado em condições de quebra da onda. Quando as ondas incidentes quebram de maneira oblíqua a praia, um complicado padrão de correntes é gerado na zona de surfe, consistindo de correntes longitudinais e correntes de retorno (VAN RIJN, 1998). Essas correntes próximas a costa influenciam na configuração morfológica das praias. Dessa forma, a modelagem do sistema circulatório na zona de quebra de onda é necessária para resolver o transporte de sedimentos e as variações morfológicas na linha de costa.
O COPLA é deduzido das equações de Navier – Stokes. Integrando estas equações na profundidade, em um período de tempo e em um sistema de coordenadas localizadas no nível médio do mar (x = direção transversal à praia; y = direção longitudinal à praia; z = direção vertical), são obtidas as equações da continuidade e quantidade de movimento.
Detalhes do modelo COPLA podem ser encontrados no Manual de Referência do COPLA.
1.4 MODELO DE EROSÃO/ SEDIMENTAÇÃO (EROS)
O modelo EROS é um modelo numérico que resolve as equações do fluxo de sedimentos dentro da zona de surfe, devido a quebra das ondas, assim como as alterações na batimetria associadas às variações espaciais do transporte de sedimentos em curto prazo (até 72 horas), submetida à ação de tempestade, por exemplo. Ele utiliza como dados de entrada as saídas de ondulações do modelo OLUCA e de correntes geradas por quebra das ondas do modelo COPLA e também características dos sedimentos da praia (GONZÁLEZ et al., 2007).
Na modelagem morfodinâmica, os modelos se baseiam em simular processos físicos de ondulação, corrente, transporte de sedimentos e variações da batimetria de forma integrada, visto a dependência que existe entre os processos. Em função dessa interação surgem dois tipos de modelos: (1) Modelo de erosão/sedimentação inicial (ESI) e; (2) Modelo de evolução morfodinâmica (MEM). O primeiro avalia a variação do fundo sem considerar a influência da hidrodinâmica, ao contrário do segundo, que a partir de um intervalo de tempo ao calcular uma nova batimetria, as condições hidrodinâmicas e os novos fluxos de transporte são também recalculados criando um ciclo fechado até o final do evento que se deseja simular. Portanto, o modelo ESI é utilizado quando se deseja conhecer a tendência inicial de erosão – sedimentação de uma praia submetida a determinadas condições hidrodinâmicas e o modelo MEM é utilizado quando se deseja ter uma estimativa das variações da batimetria de uma praia ao longo de um período definido.
Para o cálculo do transporte no EROS podem ser utilizadas duas formulações, Bailard (1981) e Soulsby (1997). Ambas calculam o transporte total, soma do transporte em suspensão e o transporte de fundo.
Detalhes do modelo EROS podem ser encontrados no Manual de Referência do EROS.
2. MÓDULO DE ANÁLISE DE PRAIAS EM LONGO PRAZO
Módulo de análise em escala espacial e temporal longa. Possui o programa de praias em equilíbrio onde é possível calcular o perfil praial de equilíbrio e a forma em planta da praia.
O objetivo da análise de praias em longo prazo é determinar qual será a forma final (planta-perfil) de uma praia, além de conhecer a evolução temporal desta em escala de anos através da análise das magnitudes dos processos estudados.
2.1 FORMA EM PLANTA
A forma em planta de equilíbrio de uma praia está relacionada principalmente à direção do fluxo médio de energia de onda (GONZÁLEZ; MEDINA, 2001). Dessa forma, o SMC-Brasil possui uma ferramenta que permite calcular a direção do fluxo médio de energia em um ponto ou em um perfil dado e assim avaliar a posição da forma em planta de uma praia. Ou seja, os efeitos da mudança climática no fluxo de energia assim como a mudança no ponto de difração das ondas em caso de obras costeiras produzirão mudanças importantes na forma em planta da praia.
O modelo utilizado no cálculo do fluxo de energia é descrito por USACE (2002a) e os modelos de forma em planta utilizados no SMC-Brasil são a equação parabólica de Hsu e Evans (1989) modificado por González e Medina (2001), a versão modificada de Tan e Chiew (1994), a espiral logarítmica e uma reta.
2.2 PERFIL DE EQUILÍBRIO
O perfil de equilíbrio é um conceito de engenharia do perfil de praia médio representativo em escalas de longo prazo (anos a décadas). A forma e profundidade do perfil ativo dependem de variáveis dinâmicas como a onda e o nível do mar. No SMC-Brasil é possível selecionar dois tipos de perfis: (1) de um trecho, que diz respeito a equação do perfil de equilíbrio proposta por Bruun (1954) e Dean (1977), onde se assume que o perfil de praia é parabólico e; (2) de dois trechos (zona de quebra e de empinamento de onda), que inclui o efeito da reflexão e amplitude da maré nos cálculos.
2.3 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
O transporte litorâneo realiza um papel importante na distribuição do sedimento ao longo da costa e, portanto na sua configuração e estabilidade. O SMC-Brasil incorpora uma ferramenta que permite calcular o transporte potencial de sedimentos em longo prazo. Esta ferramenta avalia o transporte potencial a partir da formulação do CERC (Coastal Engineering Research Center) (USACE, 2002b) sobre um perfil de praia. Usando a formulação do CERC, pode-se estimar, a partir do período, altura de quebra e a variação do ângulo de incidência da onda, a variação da taxa de transporte de sedimentos na praia. Dependendo da altura e direção da onda na zona de quebra, ela fornece informações do transporte em função da incidência oblíqua da onda.
Mais detalhes das formulações e aplicações da forma em planta, perfil de equilíbrio e transporte de sedimentos podem ser encontrados no Documento Temático de Recuperação de Praias e no Documento Temático de Mudanças do Clima em Praias.
3. MÓDULO DE MODELAGEM DO TERRENO
O módulo de Modelagem do Terreno é um módulo que permite gerar e/ou modificar batimetrias de uma área de estudo, incluindo ou retirando contornos rígidos como: molhes, cais, muros, etc.; e contornos não consolidados como preenchimentos de areia, dragagem, etc. Entre as modificações possíveis está incluída a geração de batimetrias baseada em condições de equilíbrio em longo prazo de uma praia (perfil e planta).
O objetivo deste módulo é permitir ao usuário a geração de batimetrias associadas a diversos cenários de atuação (obras, alimentação de praia) para sua posterior análise com os programas do SMC-Brasil.
Mais detalhes dos módulos de análise de praias em curto prazo, análise de praias em longo prazo e modelagem de terreno podem ser encontrados no Manual do Usuário do SMC 3.0.
Para instalar a ferramenta SMC-Brasil favor consultar o passo a passo no Documento de Práticas.
Referências
BAILARD, J.A. An energetic total load sediment transport model for a plane sloping beach. Journal of Geophysical Research, v.86, n.CII, p.10938-10954, 1981.
BOOIJ, N. Gravity waves on water with non-uniform depth e currents. Report nº 81-1, Delft University of Technology, 131. 1981.
BRUUN, P. Coastal Erosion and Development of Beach Profiles. U.S. Army Beach Erosion Board Technical Memorandum, n. 44. U.S. Army Corps of Engr. Waterways Exp. Station, Vicksburg, Mississipi. 1954.
DEAN, R.G. Equilibrium beach profiles: U.S. Atlantic and Gulf coasts. Department of Civil Engineering, Ocean Engineering Report, n.12, University of Delaware, Newark, Delaware. 1977.
GONZÁLEZ, M.; MEDINA, R. On the application of static equilibrium bay formulations to natural and man-made beaches. Coastal Engineering, v.43, p.209-225, 2001.
GONZÁLEZ, M.; MEDINA, R.; GONZALEZ-ONDINA, J.; OSORIO, A.; MÉNDEZ, F.J.; GARCIA, E. An Integrated coastal modeling system for analyzing beach processes and beach restoration projects, SMC. Computer & Geosciences, v.33, p.916-931, 2007.
HSU, J. R-C.; EVANS, C. Parabolic Bay Shapes and Applications. In: Institution of Civil Engineers – Part 2, 1989,Londres. Proceedings… Londres: Thomas Telford, 1989. p.557-570.
RADER, A.C. On the parabolic equation method for water-wave propagation. Journal of Fluid Mechanics, v.95, p. 159-176, 1979.
SOULSBY, R. Dynamics of Marine Sands: A manual for practical applications. London: Thomas Telford, 1997. 245p.
TAN, S.; CHIEW, Y. Analysis of Bayed Beaches in Static Equilibrium. Journal of Waterway, Port, Coastal and ocean Engineering, v.120, n.2, p.145-153, 1994.
USACE (US ARMY CORPS OF ENGINEERS), Water Wave Mechanics. In: USACE. Coastal Engineering Manual – Chapter 1, Part II. Vicksburg, Mississippi: EM 1110-2-1100, 2002a. 121p.
USACE (US ARMY CORPS OF ENGINEERS), Longshore Sediment Transport. In: USACE. Coastal Engineering Manual – Chapter 2, Part III. Vicksburg, Mississippi: EM 1110-2-1100, 2002b. 113p.
VAN RIJN, L.C. Principles of Coastal Morphology. Amsterdam, Holanda: Aqua Publications, 1998.