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Geomorphological framework control on beach dynamics
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Beaches occur when sediment is available and where accommodation space exists for the sediments to settle and accumulate. Beaches that occur within one coastal cell share the same oceanographic forcing climate, essentially related to waves and tides, and the same distribution and intensity of sources and sinks of sediment. However, contrasting beach forms and dynamics are frequent along the same coastal cell, leading to the questioning of what other factors are controlling beach morphodynamics. Conceptual models have been developed and are very useful in describing and classifying beaches according to the characteristics of the incoming waves and beach sediments or morphology. Still, several studies suggest that site-specific characteristics, such as the geology, geomorphology or even the human-induced framework of beaches, can play a determinant role in beach systems’ behavior and evolution. However, the majority of studies focusing on the role of geomorphological framework on beach dynamics, address cases sharing the same general characteristics. This thesis focused on how the geomorphological framework interacts with the available coastal sediments and controls the subaerial beach configuration and responses. It investigates a myriad of beach geomorphological conditions along a high energy coastal stretch that is under the influence of the same general deepwater wave regime. By comparing the morphodynamic response of adjacent constrained and unconstrained, platform and no-platform beaches, exposed to the same offshore forcing conditions, the present work provides new insights on the role of the geomorphological settings on beach dynamics. The central hypothesis of this study was formulated as follows: the geomorphological constraints and the local settings of beaches are the primary drivers for the varying temporal and spatial groupings of morphological responses. In order to verify this, work was carried out at the seasonal scale, under modal process-response conditions, and over a two and a half year period, along 14 selected beach sites representative of a 200 km coastal stretch. The study was divided in three major components: 1) geomorphological framework; 2) beach response; and 3) hydrodynamic forcing. Geomorphological framework was analyzed in terms of planform geometry and description of physical boundaries, and type of nearshore and backshore features present at each study site. Beach response investigation relied upon regular field sampling planned to ensure accurate and representative data collection on subaerial beach morphology and sediments. A total of 52 beach profiles were monitored quarterly along the study area. The hydrodynamic forcing description included characterization of the deepwater and nearshore wave regimes at each study site and made use of numerical modelling of wave propagation. In addition, total water levels were computed for each site. The overall results were further explored to derive metrics and investigate and detect spatial organizations related to the geomorphological settings. The geomorphological framework analysis attests to the high variability of settings in which the studied beaches occur. These include several combinations between nearshore and backshore type of features, physical boundaries and subsequent wave obliquities and degrees of indentation. Beach response was analyzed in terms of geoindicators, which were used to evaluate and describe the study sites’ seasonal behavior. Results show that the magnitude of seasonal change between study sites varied considerably, in relative as well as absolute terms, especially regarding the morphological geoindicators. The hydrodynamic forcing included the analysis of a 36-year time series, used to describe the typical modal and storm regimes, and of a two and a half years subset, synoptic of the sediment and morphological field surveys. Results show that the study period was appropriate to characterize the modal process-response conditions, descriptive of a period with no extreme events. They also highlight the differences between sites exposed to higher and lower waves and total water level regimes. The exploratory analyses of the data showed no linear relationship between forcing, controlling and response variables. However, it put in evidence the existence of clusters of beaches sharing similarities in types of boundaries. Beaches with rocky platforms experienced low volumetric variation, consistently lower than beaches with no rocky platform. In addition, within the no platform beaches, those with the higher degree of embaymentization, varied the most. A conceptual model of the subaerial beach dynamics as a function of the geomorphological framework is put forth, in which the magnitude of beach variation is controlled by: 1) the presence of a rocky platform; and 2) in no-platform beaches, by the degree of embayment and its impact on beach circulation. It is suggested that the presence of a permanent and rigid obstacle in the surf zone, such as a rocky platform, limits the range of broken wave characteristics reaching the subaerial beach, and thus the amount of volumetric variation. On the other hand, beaches characterized by a mobile substrate (no-platform beaches) can present a variety of morphological features in the surf zone, and are expected to allow for a wider range of broken wave conditions and subsequent effects on the subaerial beach, including higher volumetric changes. Within the no-platform beaches, subaerial volume variations increase with the degree of embaymentization. Unconstrained beaches have open lateral boundaries, and therefore see their cross-shore morphology and volume vary mostly with the cross-shore sediment exchanges, that are expected to be small under modal conditions. The constrained beaches (with higher degree of embaymentization) on the other hand, are bounded laterally and therefore are prone to beach rotation processes (and subsequent higher volume variation) promoted by longshore sediment transport that occurs under modal conditions. The conceptual model herein proposed departs from existing morphodynamic models that apply only to unconstrained beaches. It incorporates both unconstrained and constrained beaches and relates the constraining boundaries (both lateral and vertical) to the beach subaerial dynamics. It provides a first description on how the geomorphological framework controls subaerial beach dynamics, and hopefully can be developed and evaluated further.
As praias formam-se onde existe espaço de acomodação e sedimento disponível para se depositar e acumular. As praias que ocorrem na mesma célula sedimentar partilham do mesmo forçamento oceanográfico, essencialmente relacionado com as ondas e marés, e da mesma distribuição e magnitude de fontes e sumidouros de sedimentos. No entanto, é frequente encontrar praias com formas e dinâmicas contrastantes ao longo da mesma célula sedimentar, sugerindo a existência de outros fatores controladores da morfodinâmica das praias. Os modelos conceptuais existentes são muito úteis na descrição e classificação de praias, agrupando-as, de uma forma generalista, de acordo com as características da agitação, e do sistema (morfologia e sedimentos). Ainda assim, são vários os estudos que sugerem que as características específicas locais, como a geologia, a geomorfologia ou mesmo a presença de estruturas de engenharia, podem desempenhar um papel determinante no comportamento e na evolução dos sistemas de praia. No entanto, a maioria dos trabalhos que estudam a influência do contexto geomorfológico na dinâmica das praias, abordam casos de estudo que partilham das mesmas características locais. Este trabalho procurou avaliar de que forma o contexto geomorfológico interage com os sedimentos disponíveis e condiciona a configuração e dinâmica da praia subaérea. Foi avaliado um número considerável de praias com diferentes contextos geomorfológicos, localizadas ao longo de um troço litoral de alta energia, e sob a influência do mesmo regime de agitação ao largo. A comparação entre praias adjacentes, encaixadas e abertas, com e sem plataforma rochosa, e expostas às mesmas condições de forçamento oceanográfico, corresponde a uma abordagem nova que pode ajudar a melhor compreender o papel do contexto geomorfológico na dinâmica das praias. A hipótese central deste estudo foi formulada da seguinte forma: o contexto geomorfológico e configuração local das praias são os principais fatores condicionantes dos diferentes agrupamentos espaciais e temporais que se observam nas respostas morfológicas das praias. Para testar esta hipótese, o estudo foi efetuado à escala sazonal, em condições modais de processo-resposta, e ao longo de dois anos e meio, em 14 praias selecionadas, representativas de um troço costeiro de 200 km. O estudo foi dividido em três componentes principais: 1) contexto geomorfológico; 2) resposta da praia; e 3) forçamento hidrodinâmico. O contexto geomorfológico foi analisado em termos da geometria plana da praia e descrição dos seus limites físicos, e tipo de estruturas presentes na alta e baixa praia em cada local de estudo. A descrição da resposta da praia baseou-se em campanhas de campo com levantamentos da morfologia e recolha de sedimentos, feitas com caráter regular, de acordo com protocolos estabelecidos para o efeito. Um total de 52 perfis de praia foram monitorizados trimestralmente ao longo da área de estudo. A descrição do forçamento hidrodinâmico incluiu a caracterização dos regimes de agitação em águas profundas e agitação local, e recorreu a modelação numérica para a propagação das ondas. Adicionalmente, calcularam-se os níveis totais de água para cada local. Os resultados das várias componentes foram analisados conjuntamente e explorados por forma a detetar organizações espaciais das praias relacionadas com o contexto geomorfológico. Da análise do contexto geomorfológico resulta a descrição da variabilidade das configurações locais nas quais as praias estudadas ocorrem. Estas incluem várias combinações entre os tipos de estruturas presentes na alta e baixa praia, configuração dos limites físicos e, consequentes obliquidades das ondas e graus de indentação. A resposta da praia foi analisada em termos de geoindicadores que foram utilizados para avaliar e descrever o comportamento sazonal dos locais de estudo. Os resultados mostram que a magnitude da variação sazonal varia consideravelmente entre os locais de estudo, em termos relativos e absolutos, especialmente no que diz respeito aos geoindicadores morfológicos. O forçamento hidrodinâmico incluiu a análise de uma série temporal de 36 anos, usada para descrever os regimes típicos de tempestades e modais, e de um subconjunto de dois anos e meio, sinótico das campanhas de campo. Os resultados indicam que o período de estudo foi apropriado para caracterizar as condições modais de processo-resposta, num período sem ocorrência de eventos extremos. Os dados revelaram ainda as diferenças entre os locais mais expostos e mais abrigados da agitação. A análise exploratória dos dados não apresentou quaisquer relações lineares entre as variáveis de forçamento, condicionantes e de resposta. No entanto, evidenciou a existência de agrupamentos de praias com semelhanças no tipo de limites físicos. Praias com plataformas rochosas apresentaram valores de variação volumétrica reduzidos, consistentemente inferiores aos das praias sem plataforma rochosa. Adicionalmente, entre as praias sem plataforma, aquelas com maior grau de indentação, variaram mais. É apresentado um modelo conceptual da dinâmica da praia subaérea, em função do contexto geomorfológico, em que a magnitude da variação volumétrica da praia é controlada por: 1) a presença de uma plataforma rochosa; e 2) em praias sem plataforma, pelo grau de indentação e o seu impacto na circulação da praia. Sugere-se que a presença de um obstáculo permanente e rígido na zona de espalho, como uma plataforma rochosa, limita a amplitude das características das ondas quebradas que atingem a praia subaérea e, portanto, a magnitude das variações volumétricas induzidas. Por outro lado, as praias caracterizadas por um substrato móvel (praias sem plataforma) podem apresentar uma maior variedade de estruturas e características morfológicas na zona de espalho, permitindo uma maior gama de condições de ondas quebradas e subsequentes efeitos na praia subaérea, incluindo maiores variações volumétricas. Nas praias sem plataforma, as variações volumétricas aumentam com o grau de indentação e o seu impacto na circulação da praia. As praias consideradas abertas, sem limites laterais, vêem a sua morfologia e volume variar principalmente com as trocas transversais de sedimentos, que se estimam de reduzida magnitude em condições modais. As praias encaixadas (com maior grau de indentação), por outro lado, são delimitadas lateralmente e, portanto, são propensas a processos de rotação de praia (e subsequente maior variação volumétrica) promovidos pelos processos de transporte longilitoral de sedimentos que ocorrem sob condições modais. O modelo conceptual proposto no âmbito deste trabalho parte dos modelos morfodinâmicos existentes, e procura incluir praias com fronteiras e limites físicos com impacto na circulação da praia. O modelo inclui praias abertas e encaixadas, e relaciona os limites físicos (tanto laterais quanto verticais) com a dinâmica da praia subaérea. O presente trabalho procura descrever de que forma o contexto geomorfológico condiciona a dinâmica da praia subaérea e, espero, apresenta um ponto de partida para futuros trabalhos nesta temática.
As praias formam-se onde existe espaço de acomodação e sedimento disponível para se depositar e acumular. As praias que ocorrem na mesma célula sedimentar partilham do mesmo forçamento oceanográfico, essencialmente relacionado com as ondas e marés, e da mesma distribuição e magnitude de fontes e sumidouros de sedimentos. No entanto, é frequente encontrar praias com formas e dinâmicas contrastantes ao longo da mesma célula sedimentar, sugerindo a existência de outros fatores controladores da morfodinâmica das praias. Os modelos conceptuais existentes são muito úteis na descrição e classificação de praias, agrupando-as, de uma forma generalista, de acordo com as características da agitação, e do sistema (morfologia e sedimentos). Ainda assim, são vários os estudos que sugerem que as características específicas locais, como a geologia, a geomorfologia ou mesmo a presença de estruturas de engenharia, podem desempenhar um papel determinante no comportamento e na evolução dos sistemas de praia. No entanto, a maioria dos trabalhos que estudam a influência do contexto geomorfológico na dinâmica das praias, abordam casos de estudo que partilham das mesmas características locais. Este trabalho procurou avaliar de que forma o contexto geomorfológico interage com os sedimentos disponíveis e condiciona a configuração e dinâmica da praia subaérea. Foi avaliado um número considerável de praias com diferentes contextos geomorfológicos, localizadas ao longo de um troço litoral de alta energia, e sob a influência do mesmo regime de agitação ao largo. A comparação entre praias adjacentes, encaixadas e abertas, com e sem plataforma rochosa, e expostas às mesmas condições de forçamento oceanográfico, corresponde a uma abordagem nova que pode ajudar a melhor compreender o papel do contexto geomorfológico na dinâmica das praias. A hipótese central deste estudo foi formulada da seguinte forma: o contexto geomorfológico e configuração local das praias são os principais fatores condicionantes dos diferentes agrupamentos espaciais e temporais que se observam nas respostas morfológicas das praias. Para testar esta hipótese, o estudo foi efetuado à escala sazonal, em condições modais de processo-resposta, e ao longo de dois anos e meio, em 14 praias selecionadas, representativas de um troço costeiro de 200 km. O estudo foi dividido em três componentes principais: 1) contexto geomorfológico; 2) resposta da praia; e 3) forçamento hidrodinâmico. O contexto geomorfológico foi analisado em termos da geometria plana da praia e descrição dos seus limites físicos, e tipo de estruturas presentes na alta e baixa praia em cada local de estudo. A descrição da resposta da praia baseou-se em campanhas de campo com levantamentos da morfologia e recolha de sedimentos, feitas com caráter regular, de acordo com protocolos estabelecidos para o efeito. Um total de 52 perfis de praia foram monitorizados trimestralmente ao longo da área de estudo. A descrição do forçamento hidrodinâmico incluiu a caracterização dos regimes de agitação em águas profundas e agitação local, e recorreu a modelação numérica para a propagação das ondas. Adicionalmente, calcularam-se os níveis totais de água para cada local. Os resultados das várias componentes foram analisados conjuntamente e explorados por forma a detetar organizações espaciais das praias relacionadas com o contexto geomorfológico. Da análise do contexto geomorfológico resulta a descrição da variabilidade das configurações locais nas quais as praias estudadas ocorrem. Estas incluem várias combinações entre os tipos de estruturas presentes na alta e baixa praia, configuração dos limites físicos e, consequentes obliquidades das ondas e graus de indentação. A resposta da praia foi analisada em termos de geoindicadores que foram utilizados para avaliar e descrever o comportamento sazonal dos locais de estudo. Os resultados mostram que a magnitude da variação sazonal varia consideravelmente entre os locais de estudo, em termos relativos e absolutos, especialmente no que diz respeito aos geoindicadores morfológicos. O forçamento hidrodinâmico incluiu a análise de uma série temporal de 36 anos, usada para descrever os regimes típicos de tempestades e modais, e de um subconjunto de dois anos e meio, sinótico das campanhas de campo. Os resultados indicam que o período de estudo foi apropriado para caracterizar as condições modais de processo-resposta, num período sem ocorrência de eventos extremos. Os dados revelaram ainda as diferenças entre os locais mais expostos e mais abrigados da agitação. A análise exploratória dos dados não apresentou quaisquer relações lineares entre as variáveis de forçamento, condicionantes e de resposta. No entanto, evidenciou a existência de agrupamentos de praias com semelhanças no tipo de limites físicos. Praias com plataformas rochosas apresentaram valores de variação volumétrica reduzidos, consistentemente inferiores aos das praias sem plataforma rochosa. Adicionalmente, entre as praias sem plataforma, aquelas com maior grau de indentação, variaram mais. É apresentado um modelo conceptual da dinâmica da praia subaérea, em função do contexto geomorfológico, em que a magnitude da variação volumétrica da praia é controlada por: 1) a presença de uma plataforma rochosa; e 2) em praias sem plataforma, pelo grau de indentação e o seu impacto na circulação da praia. Sugere-se que a presença de um obstáculo permanente e rígido na zona de espalho, como uma plataforma rochosa, limita a amplitude das características das ondas quebradas que atingem a praia subaérea e, portanto, a magnitude das variações volumétricas induzidas. Por outro lado, as praias caracterizadas por um substrato móvel (praias sem plataforma) podem apresentar uma maior variedade de estruturas e características morfológicas na zona de espalho, permitindo uma maior gama de condições de ondas quebradas e subsequentes efeitos na praia subaérea, incluindo maiores variações volumétricas. Nas praias sem plataforma, as variações volumétricas aumentam com o grau de indentação e o seu impacto na circulação da praia. As praias consideradas abertas, sem limites laterais, vêem a sua morfologia e volume variar principalmente com as trocas transversais de sedimentos, que se estimam de reduzida magnitude em condições modais. As praias encaixadas (com maior grau de indentação), por outro lado, são delimitadas lateralmente e, portanto, são propensas a processos de rotação de praia (e subsequente maior variação volumétrica) promovidos pelos processos de transporte longilitoral de sedimentos que ocorrem sob condições modais. O modelo conceptual proposto no âmbito deste trabalho parte dos modelos morfodinâmicos existentes, e procura incluir praias com fronteiras e limites físicos com impacto na circulação da praia. O modelo inclui praias abertas e encaixadas, e relaciona os limites físicos (tanto laterais quanto verticais) com a dinâmica da praia subaérea. O presente trabalho procura descrever de que forma o contexto geomorfológico condiciona a dinâmica da praia subaérea e, espero, apresenta um ponto de partida para futuros trabalhos nesta temática.
Descrição
Tese de doutoramento, Geologia (Geologia Económica e do Ambiente), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Teses de doutoramento - 2017