Contribution to the design of Multi-Functional Artificial Reefs

Abstract

Portugal is one of many countries in the world that suffers from coastal erosion. Conventional ways of protecting a coastline appear to entail some disadvantages. An innovative and interesting way of protecting a local coastal zone by means of multifunctional artificial reefs avoids some of them. A multi-functional artificial reef is a submerged breakwater which, besides the helping to protect the local coastline, can offer other purposes; in particular, it may enhance the surfing possibilities and the environmental value of the local area. The structure has several positive side-effects: first, it provides an unimpaired visual amenity; second, it offers tourist and economic benefits by improving the surfing conditions; third, it can enhance the environmental value of the area where it is built, and fourth, with a proper design the down drift erosion can be minimal. An optimal reef design for the Leirosa beach, located to the south of Figueira da Foz, midway along the Portuguese West Atlantic coast, is investigated. In order to achieve this optimal design several steps were conducted. A preliminary design, as a result of a theoretical study, achieved step by step, is proposed for a multi-functional artificial reef making use of the theory and of the state of the art. The proposed reef geometry is used as initial design in the numerical and physical tests, which were executed to analyze the capacity of a multi-functional reef breakwater to protect the local coastline of Leirosa, Portugal, and to increase the local surfing possibilities. Further, a physical and a numerical 2DV study have been executed to get insight in the influence of the length of the reef and in the submergence on the Iribarren number, which is an indication for the breaker type. In this study, also the optimum height for the reef has been defined. Subsequently, in order to be able to investigate the three design parameters: the reef angle, the geometry of the reef (with or without a platform) and the horizontal dimensions in 2DH for the optimal geometry, the Boussinesq-type COULWAVE model was validated; finally, a 2DH numerical study has been conducted with COULWAVE to define the best values for these parameters. In terms of surfability, and for the conditions of the local coastline of Leirosa, the following values for the main parameters were found: a reef angle of 66°, a structure height of 3.20 m, a reef geometry composed by a delta without platform, a reef submergence of 1.50 m and a structure seaward slope of 1:10. The calibration of the numerical model COULWAVE has shown that it can be used very well to simulate the hydrodynamics around an MFAR. However, improvements are recommended on the actual version of COULWAVE. These improvements include mainly the introduction of bottom porous structures. Even though the mean velocity fields give an indication about the sediment transport, they are not sufficient to get a deep insight about the influence of an MFAR on the morphology around the structure. For a proper design of the reef, particularly for the protection of a local coastline, a morphological study has to be executed. / Portugal é um dos muitos países no mundo que sofre os efeitos adversos da erosão costeira. É sabido que as formas convencionais de protecção costeira apresentam algumas desvantagens. Uma forma particularmente interessante de proteger ou contribuir para a protecção local de um troço da zona costeira, minimizando algumas das desvantagens das estruturas tradicionais, é através da construção de recifes artificiais multi-funcionais. Um recife artificial multi-funcional é um quebra-mar submerso construído com objectivos de ajudar a proteger localmente a zona costeira e oferecer outras valências, nomeadamente, aumentar as possibilidades locais para a prática de surf e contribuir para a valorização ambiental da região. Um recife artificial com estas características apresenta diversos aspectos positivos. Com efeito, esta estrutura: (1) não tem qualquer impacto visual negativo; (2) oferece os benefícios económicos resultantes da atracção turística, ao melhorar as condições locais para práticas de surf e/ou outros desportos náuticos (mergulho e pesca); (3) permite aumentar o valor ambiental da região, e (4) com um projecto adequado permite reduzir ao mínimo os efeitos adversos da erosão local ou prolongar mesmo a praia por efeito de tômbolo. Neste trabalho são investigados os parâmetros característicos de um recife artificial multi-funcional, tendo como caso de estudo um troço da zona costeira da Leirosa, situado a cerca de 15 km a sul da Figueira da Foz, Portugal. Para obter as características óptimas da estrutura a construir foram realizados vários estudos ao longo de diversas etapas. Como resultado do estado da arte e de um estudo teórico, realizado passo a passo, é proposta uma geometria preliminar de recife artificial multi-funcional. Esta geometria preliminar do recife é em seguida utilizada como projecto inicial de diversos testes em modelo numérico e em modelo físico para analisar a sua capacidade na protecção da praia e do cordão dunar da Leirosa e, em simultâneo, analisar as possibilidades locais para a prática de surf. Além dos testes realizados em modelo físico, foi efectuado um estudo numérico utilizando o modelo 2DV COBRAS-UC para obter informações sobre a influência do comprimento do recife e da submersão do mesmo no número Iribarren, sendo este um parâmetro que fornece uma boa indicação do tipo de rebentação a esperar. Neste estudo foi igualmente investigada a altura ideal para o recife. Posteriormente, procedeu-se à validação de um modelo numérico 2DH do tipo Boussinesq, o modelo COULWAVE, tendo como objectivo analisar a influência de três parâmetros de projecto com particular desenvolvimento no plano horizontal: o ângulo do recife, a geometria do recife (com ou sem plataforma) e as suas dimensões horizontais. Uma vez validado, foi este modelo numérico utilizado para analisar a influência daqueles parâmetros e identificar os seus valores mais adequados para a definição de uma geometria optimizada do recife. Em termos de características para a prática de surf, e para as condições locais do litoral da Leirosa, foram identificados os seguintes valores para os principais parâmetros: uma estrutura de recife com ângulo de 66º, altura de 3.20 m e uma geometria composta por um delta sem plataforma, uma submersão do recife de 1.50 m e um declive de barlamar da estrutura de 1:10. A calibração do modelo numérico COULWAVE mostrou que este pode ser usado com sucesso para simular a hidrodinâmica em torno de um recife artificial multi-funcional. No entanto, recomendam-se melhorias na actual versão deste modelo. Tais melhorias incluem principalmente a possibilidade de modelação com fundos porosos. Embora os campos da velocidade média forneçam uma primeira indicação sobre o transporte de sedimentos, esta informação não é por si só suficientemente profunda para obter conclusões definitivas quanto à influência de uma estrutura com estas características sobre a morfologia local. Para uma concepção mais adequada da estrutura final do recife, em particular para efeitos de protecção costeira, deverá ser elaborado um estudo morfodinâmico.