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1 GEO3026 Geologia Costeira e Marinha – Notas de Aula 02 Classificação Morfodinâmica 2 1. Introdução • As praias estão entre os sistemas físicos da superfície terra, com maior dinâmica. Feições geológicas temporárias e movimentadas pela ação das ondas em um equilíbrio dinâmico. • As praias são totalmente dependentes das ondas e sedimentos, são independes da latitude, clima e maré, e são modificadas pelas marés, vento, tamanho e tipo de sedimento e pela bióta. • O estoque de sedimentos pode ser definido como o volume de sedimentos dentro da praia, e aquele que se move através da praia. • O estoque de sedimentos flutua em um determinado intervalo de tempo, principalmente sob influência de tempestades. • Enquanto que o estoque de sedimentos pode ser avaliado qualitativamente, a quantidade e a taxa de suprimento para um intervalo de tempo é muito difícil de ser calculada. • A zona de surfe é a região onde as ondas de gravidade quebram e decrescem em energia, em direção ao pós- praia, enquanto que as ondas longas – ondas de infragravidade, não quebram e incrementam seu domínio. • O tamanho médio do sedimento que compõe uma praia, é função da: energia das ondas incidentes, natureza dos sedimentos disponíveis. 3 shoaling breaking swash a) Divisão do sistema da praial 4 2. Nomenclatura do Perfil Praial. a) In two dimensions beaches consists of a number of sequencial systems, which can be groups in three dynamics zones (Short, 1999): Each zone has a set of waves processes (shoaling, breaking, swash), boundary layer (sediment transport), shape or morphology (slope, bar/tough, beach face/berm). Spatial beach dimensions 5 b) Nomenclatura: outros exemplos. Masselink et al (2011) Wave base is the maximum depth at which waves can transport beach material shoreward. Swash limit is the landward limit os subaerial wave action and sediment transport (Short, 1999). - Limite litorâneo - Limite oceânico The shore is divided into the foreshore and the backshore. The foreshore is the area exposed when the tide is out (low tide) and submerged when the tide is in (high tide). The backshore is landward of the high-tide shoreline. It is usually dry, being affected by waves only during storms. Beaches consist of one or more berms, which are relatively flat platforms often composed of sand that are adjacent to coastal dunes or cliffs marked by a change in slope at the seaward edge. The nearshore zone lies between the low-tide shoreline and the lie where waves break at low tide. Seaward of the nearshore zone is the offshore zone. Although thought of as the sandy area along the water’s edge, a beach is technically an accumulation of sediment found along the landward margin of an ocean or lake. c) Descrição do perfil praial. 8 1. Perfil Praial: A forma da praia ou do perfil praial é controlada principalmente por três fatores, em um equilíbrio dinâmico: • variações do nível do mar, • quantidade e tipo de sedimentos disponíveis, • padrões de ondas e ventos. As variações mais significativas do perfil ocorrem sob condições de tempestades. Ondas elevadas erodem a praia e transportam os sedimentos para o mar aberto, tornam o perfil mais dissipativo, com uma ampla superfície plana levemente inclinada, a semelhança de um mecanismo de defesa contra a erosão dos sedimentos arenosos. Sob condições de menor energia, as ondas constroem um perfil mais reflectivo. 2. Bancos Arenosos: Os bancos arenosos submarinos estão presentes entre 100 e 300 m da linha de praia. Algumas praias apresentam mais de um banco, usualmente um banco interno e outro externo, identificados pelas posições das linhas de quebra das ondas. Os bancos representam uma mudança brusca na declividade do fundo, o que faz as ondas quebrarem rapidamente. Os bancos apresentam diferentes formas e tamanhos, desde longos e estreito até formas crescentes, que se estendem por quilômetros. As formas largas e baixas podem conter um grande volume de sedimentos. Os bancos se movimentam em resposta a ação das ondas e correntes, Ondas de tempestade podem gerar bancos que não existiam previamente, em direção ao mar aberto. Ondas de menor energia movem lentamente esses bancos em direção à praia, e em algumas situações esses bancos podem se unir. Também, podem migrar e se soldar à praia. A parte elevada do banco é denominada de crista (ridge), e a depressão de cava (runnel), e podem se expor completamente sobre a face praial. 3. Berma: Pequenas cristas de areia alinhadas de modo paralelo ou sub-paraleo à praia, e que se posicionam com a cota da maré alta, e se desenvolvem por deposição de areia na extremidade do swash. Em algumas praias se preservam mais de uma crista e cada berma indica uma posição de equilíbrio corrente de formação do perfil praial. São geralmente construídas por ondas de baixa a moderada energia. 4. Cúspides Praiais: As cúspites são pontas de areia direcionadas para o mar, alternadas por pequenos embaiamentos, uma superfície suavemente ondulante. As cúspides apresentam um espaçamento uniforme, da ordem de dezenas de metros. As ondas incidentes dissipam a energia sobre os embaiamentos, e os erodem levando parte da carga de areia para as extremidades das pontas ou cúspides. São feições efêmeras que podem mudar a forma e tamanho dependendo das condições de ondas incidentes. 5. Swash Marks e Ripple Marks: A superfície da praia exibe uma variedade de formas, tais como swash marks, ripple marks e rill marks, como resultado das correntes na zona de varrido e da ação dos ventos sobre o pós-praia. A forma mais comum são as Marcas de Deixa, que apresentam a forma de pequenas cristas de areia ou fragmentos deixados na linha de máximo espraiamento da onda. 6. Lençol Freático: Muitas vezes se observa que no movimento de swash a água se infilta na areia antes do início do refluxo. Isso indica o baixo nível do lençol freático na face da praia e/ou uma granulometria que favoreça a infiltraçào da água. Quando no movimento do swash a água não se infiltra na areia, o nível do lençol freático está bastante elevado ou a face praial apresenta baixa permeabilidade. Porque a posição do lençol freático na praia é importante? 7. Praia Subaérea: Consiste de sedimentos depositados pelos movimentos de "swash" e "backwash" sobre a face praial. Sua altura, largura, gradiente e morfologia são dependentes do tamanho do grão e padrão de ondas. Em praias reflectivas, o subsistema subaéreo consiste de tamanhos grosseiros bem selecionados ( 0,6 mm). A face praial é estreita e íngreme, e nas praias com baixa energia (Hb < 0,5 m), as mais estáveis, o berma é encoberto por depósitos eólicos e vegetação. Nas praias com elevada energia (Hb > 1 m), onde a troca perpendicular de sedimentos prevalece, a crista do berma é exposta e a face voltada para o continente apresenta laminações plano-paralelas com suave declive nesta direção. São comuns os canais paralelos à linha de praia. Porém, as laminações plano-paralelas da face do berma voltada para o mar tem acentuado gradiente (1:5 a 1:10). Em praias intermediárias, o subsistema subaéreo pode estar caracterizado por mega cúspides, embaiamentos, bermas e escarpas de erosão. As praias tem pronunciada variabilidade espacial devido a presença das megacúspides, e variabilidade temporal devido as modificações das megacúspides, de modo que a cúspide possa conter fácies relíquias e fácies novas, com diferentes arranjos das laminações plano- paralelas. Os sedimentos são usualmente mais finos,que as praias reflectivas. Em praias dissipativas, o subsistema subaéreo é amplo com baixos gradientes (1:20 a 1:40), normalmente sem feições, refletindo os tamanhos de sedimentos finos e a dinâmica dos movimentos de "swash" governado por ondas de infragravidade. A face praial é uniforme lateralmente, com laminações muito finas voltadas para o mar. Na face inferior, submetida a elevada energia dos movimentos de "swash" e "backwash" é possível a existência de pequenas ondulações e laminações cruzadas associadas. 8. Zona de Surfe. Comparativamente aos três subsistemas, a zona de surfe tem a mais energética interface sedimento/água, e está em constante estado de equilíbrio-dinâmico, em resposta às variações de energia das ondas incidentes. É portanto, o subsistema mais variável, tanto na sua extensão, quanto na sua complexidade morfológica. As praias reflectivas não contém a zona de surfe. Por definição, as ondas movem-se através da antepraia e elevam-se sobre a íngreme face praial. Também, não ocorrem canais, nem bermas, e o "backwash" é o único modo de circulação. Em praias intermediárias, ocorrem complexos padrões de circulação e características morfológicas, como canais e bancos cortados por correntes de retorno, sistema de bancos crescentes e bancos paralelos, em uma gradação associada a um aumento de energia das ondas. Os sedimentos nesta zona são caracteristicamente finos a médios. As formas de fundo nos canais e bancos são assimétricas, geradas tanto pelo movimento orbital das ondas reformadas, bem como pelo fluxo das correntes paralelas. Os canais desenvolvidos pelas correntes de retorno, podem estar submetido ao regime de fluxo superior, com ondulações de fundo (ripples) migrando para o mar, e presença de antidunas. O desenvolvimento de seqüências acrecionais, resulta da migração da barra sobre o canal. Na zona externa das praias dissipativas as ondas deslizantes (spilling) produzem um fluxo assimétrico junto ao fundo, gerando mega ondulações de sedimentos finos voltadas para o continente. As correntes desenvolvem-se na zona do canal que reforma parcialmente as ondas e produzem fluxos oscilatórios, também pelo rebaixamento do nível d'agua "setdown" que induz alguma corrente de retorno, e finalmente a zona interna que experimenta os fluxo em direção a praia e em direção ao mar, as quais desenvolvem laminações voltadas para o mar. 9. Antepraia. Em praias reflectivas, onde o elevado gradiente dos subsistemas subaéreo e zona de surfe são íngremes, observa-se a uma suavização em torno da isóbota de 5 m, onde registram-se ondulações orientadas para o continente. Em praias intermediárias e dissipativas, o comportamento da antepraia é idêntico, com presença de ondulações de 4 a 5 m de comprimento e de 1,0 a 1,5 m de altura, e cristas tipo lunar. 11 3. Forçantes sobre o fundo (Near-bed hydrodynamics) The wave phenomena in the shoreface zone are characterized by different types of motions on different types of scales. The coastal zone between the coastline and the shelf is the territory of winds, waves and currents. Waves entering on shallow water are subjected to: shoaling, refraction, reflection, difraction, bottom friction and breaking. Three vertical layers are present in nthe shoreface and nearshore zone; surface boundary layer, interior layer, bottom boundary layer (L. V. Rijn 1998) 1. Subaerial beach / Dune: - wind - wave*-induced currents (swash / backwash) - tides (regular water-level) - storm-surge (non regular water-level) 2. Surfe zone (upper shoreface): - breaking waves - wave*-induced currents (longsohre and rip currents) - wind-induced currents (longshore currents) 3. Shoreface (midle and lower shoreface): - non breaking waves - tides (tide-induced currents) - density- and wind-induced currents 4. Nearshore zone (up to 10 m - friction dominated zone) - turbulent mixing of water 5. Nearshore zone (up to 20 m – geostrophic zone) - tide - wind - density-driven flows - Coriolis and Ekman effects 12 4. Classificação morfodinâmica Qual é o estado modal ? Qual é a variabilidade do perfil praial ? Quais as variáveis periódicas e quais as aperiódicas ? As diferenças espaciais e temporais em uma praia podem ser dramáticas. Estas diferenças são representadas pela morfologia deposicional, e por significativas diferenças no comportamento hidrodinâmico. O conceito "estados morfodinâmicos" implicam em uma completa assembléia de formas deposicionais e processos hidrodinâmicos. A classificação ou os estados de uma praia dependem: (1) das condições morfológicas locais, dos sedimentos, das ondas e do perfil praial antecedente, (2) das ondas incidentes, das ondas subharmônicas e infragravidade, das "edge waves", bem como da circulação e do transporte sedimentar na zona de surfe, que reciprocamente variam com o estado da praia, (3) o estado modal da praia representa uma resposta a moda presente na rebentação. 13 • a) Modelo de praia de banco único • Os estados morfordinâmicos da zona de surfe e da praia situam-se em dois extremos: • (1) Dissipativo: o extremo dissipativo é análogo aos perfis de inverno ou de tempestade (Wright et al., 1979), caracterizado por praias que possuem areia fina, praias extensas com grande estoque de sedimentos subaquoso, gradientes suaves entre tan b = 0,01-0,02, e presença de barras na zona de surfe. Feições rítmicas longitudinais ou significativas irregularidades raramente estão presentes. Os parâmetros oceanográficos são: Hs de 2m, T=10s, e = 30, rebentação tipo spilling, as quais dissipam-se progressivamente através da extensa zona de surfe até alcançar a face praial com tamanhos muito pequeno. • (2) Reflectivo: o perfil eqüivale a situação de verão ou acresção. As praias são íngremes com pequeno estoque de sedimentos subaquosos. O tipo de rebentação é exclusivamente surging a collapsing, e o processo turbulento relacionado a rebentação é confinado a zona de elevado run-up na face praial. A face praial é íngreme e composta por sedimento grosseiros. O perfil da face praial é mais íngreme, quanto maior for a altura da onda. As cúspides praiais são freqüentes na zona de swash, entretanto sob condições de baixa energia a praia apresenta a crista da barra bem desenvolvida. Os parâmetros desta praia são e=1 a 3 e tanb = 0,1 a 0,15. (morfodinâmica é definida como ajuste da topografia e da dinâmica dos fluidos associados ao transporte de sedimentos (Wright e Thom, 1977) 14 Pilkey et al 2011 Dinâmica de Fluídos Topografia e Estratigrafia Transporte de Sedimentos t Conceito morfodinâmico segundo Cowell e Thom (1997) 16 Wright et. al (1979) e Short, reconhecem 04 estados intermediários, cada um dos quais com elementos dissipativos e reflectivos, onde as diferenças são visivelmente morfológicas. • (1) banco e cava longitudinal (longshore bar-trought) • (2) banco e praia rítmicos (rhytmic bar and beach) • (3) banco transversal e correntes de retorno (transverse-bar and rip) • (4) terraço de maré baixa (low tide terrace) Morfodinamicamente os dois extremos são distinguidos pelo parâmetro "surf scaling factor" (GUZA e INMAN,1975): e = ab w 2/(g.tan2b), onde, ab = amplitude da rebentação (m) w = freqüência radial da onda incidente (2p/T) ou através do parâmetro adimensional W, o qual incorpora características da onda e sedimento: Ω = Hb/(ws T), onde, ws= velocidade dequeda do grão (m/s) 17 Estado Dp Dissipativo Banco e Cava Longitudinal (BCL) Banco e Praia Rítmicos (BPR) Banco Transversal e Corrente de Retorno (BTR) Terraço de Maré Baixa (TMB) Reflectivo >5,50 4,70 3,50 3,15 2,40 <1,50 0,93 0,76 0,64 0,19 18 19 Perfil praial - Dissipativo (Tramandaí) 20 Perfil praia no verão – Banco e Cava Longitudinal (Capão da Canoa) 21 22 23 24 Pilkei et al 2011 Pearl beach – New South Wales (Photo Andy Short) 25 26 •- Exemplo de variabilidade morfodinâmica: 27 28 29 Qual o tempo necessário para o ajuste da morfologia de fundo as modificações nas condições hidrodinâmicas ? 30 •- Exemplo do mobilidade do perfil praial: 31 32 33 34 b) Modelo de praia de banco múltiplo O número de bancos formados na zona de surfe é definido por Short & Aagaard (1993), pelo Parâmetro de Banco (B*): B*= s / tan . T onde, s = distância da linha de costa até o ponto do perfil onde declividade tende a zero (m) tan = declividade da praia T = período da onda (s) Sistemas com banco duplo são comuns em praias com baixa declividade, dominadas por vagas e episodicamente por tempestades. Sistemas de banco triplo são restritos a costas dominadas por tempestades, onde oscilações de infra-gravidade agindo sobre pendentes suaves (tan > 0,015) proporcionam estas feições. Quatro ou mais bancos foram registrados em praias de baixa de energia raramente atingidas por ondas de tempestades. Nestes ambiente o período poucas vezes excede a 5 s e os gradientes são muito baixos (tan < 0,01). B* Número de Bancos < 20 20 – 50 50 – 100 100 – 400 > 400 sem banco um banco dois bancos três bancos quatro bancos 35 C) Modelo de praias meso/macro-marés Masselink & Short (1994) apresentaram um modelo conceitual com base no parâmetro e no parâmetro de variação relativa da maré – Relative Tidal Range (RTR): RTR = TR / Hb, onde, TR = variação média da maré de sizígia (m) Hb = altura de onda na rebentação (m) Quando RTR < 3, os tipos de praias propostos por Wright & Short (1984) aplicam-se. Quando 3 < RTR < 7, praias de baixa energia tornam-se reflectivas na maré alta e intermediárias na maré baixa (TMB). Quando 7 < RTR < 15, praias de baixa energia apresentam-se reflectivas na maré baixa (TMB). Quando RTR > 15, a ação das ondas é subordinada pela maré, em ambiente de planície de maré. 36 ESTADO MODAL E VARIABILIDADE TEMPORAL • Estudos prévios mostram que a mobilidade do perfil em relação ao estado modal da praia varia largamente pela altura da onda, quando o tamanho de sedimento permanece o mesmo. Também, para uma condição de ondas elevadas e praia com abundância de areia fina, resulta na manutenção de estados totalmente dissipativos. • As praias intermediárias são espacialmente e temporalmente as formas com maior dinâmica. Com suas características, como corrente de retorno, presença de barras e elevado estoque de sedimentos na zona de surfe, associada a ondas moderadas, elas podem sofrer rápidas mudanças pelas flutuações na altura da onda, provocando rápida inversão no transporte perpendicular e paralelo a praia • O tempo requerido para que a praia e a zona de surfe passem de um estado de equilíbrio para outro, será proporcional a massa de sedimento que necessita ser redistribuída. Se a mudança em Hb for muito rápida, não resultará em uma resposta da praia. Por outro lado, eventos de baixa energia, terão resposta lenta, e eventos de alta energia terão respostas rápidas. • Eventos de alta energia podem causar uma mudança no estado da praia de reflectica para dissipativa em questão de dias. O retorno para condições reflectivas, sob baixa energia, pode requerer semanas meses ou mais. • Os eventos que se sucedem sobre uma praia podem ser classificados em periódicos e aperiódicos. Exemplo de eventos periódicos de curta-duração: (1) ciclo sazonal, (2) ciclo da maré, e de longa-duração (3) elevação do nível relativo médio do mar. • Eventos aperiódicos são representados pelas tempestades incidentes sobre a praia, e pela migração das correntes de retorno ao longo da zona de surfe. • Questões concernentes à predição da praia e zona de surf: - Que fatores ambientais determinam o estado modal da praia e prováveis extremos temporais do estado da praia? - Qual o papel da plataforma interna e processos de águas rasas, no controle dos estados modais da praia e variabilidade dos estados praiais? - Que relações existem entre o estado modal e a mobilidade do perfil? • “A person can live on a mountain, in a desert, or on a suburban lot, and after a few years he can say “I know every inch of this place, every rock, tree, weed, and fold of earth”. No one can say that about the shoreline or the beaches” 37 Segundo Maurício, J. (2016) Praia de enseada é definida como uma praia limitada por promontórios ou obstáculos físicos, que apresenta forma de arco com curvatura acentuada (Hoefel, 1998), . Kenneth (1981) e Van Rijn (1998), a praia de enseada apresenta uma forma em planta que pode ser compartimentada em: 1- Zona de sombra: seção contígua ao promontório, a sotamar, fortemente curvada e protegida da energia das ondas; 2- Região central: seção relativamente retilínea, normalmente paralela a ação das ondas, e situada entre a zona de sombra e a seção tangencial; 3- Seção tangencial: zona de relativa estabilidade retilínea na extremidade da praia.. d) Praias de enseada (Headland-bay beaches) A forma da praia em planta, é resultante do transporte longitudinal de sedimentos, originado a partir da incidência obliqua das ondas e do seu gradiente de altura, sendo que o ângulo de incidência das ondas de maior energia determinará a orientação da praia (Silvester & Hsu, 1993). A linha de costa da praia em planta torna-se estável (equilíbrio) quando alcança uma forma que se ajusta ao padrão de ondas refratado (Silvester, 1974). Quando a praia está fora de equilíbrio há a quebra de ondas em certa angulação que possibilita o transporte longitudinal. Dessa forma, a estabilidade das praias de enseada estão baseadas em três estados de acordo com Hsu & Evans (1989) e Hsu et al. (2008): 38 1- Equilíbrio estático: o aporte sedimentar e o transporte longitudinal são praticamente nulos. A ondulação incidente possui uma direção dominante, geralmente sofrendo difração pelo promontório, e sua quebra é simultânea ao longo de toda a extensão da praia. A linha de costa possui forma parabólica e comportamento estável. 2- Equilíbrio dinâmico: o aporte sedimentar e o transporte longitudinal é ativo. A linha de costa é parabólica, mas instável em decorrência da circulação sedimentar, que pode ocorrer pela transposição sedimentar e pelo aporte externo (e.g. rios). 3- Estado instável: ocorre quando existe estrutura antrópica (e.g. molhes) construída ou colocada na praia. Neste caso, a praia tende a ser erodida na região central e o sedimento é transportado para a zona de sombra. Quando ocorre um significante deslocamento da linha de costa, a praia é classificada como instável. Estados de estabilidade das praias de enseada. Adaptado de Klein (2003). 39Tópico dois •Surf beat – groups of high waves raise the water level temporarily at the shore (King, 1972). Surf beat periodicity is reported to range from 1–5 to 1–10 minutes. The amplitude is measured as just a few centimeters. A praia ajusta constantemente seu perfil para prover o mais efeciente meio de dissipação de energia das ondas, sendo a antepraia o primeiro local de importante dissipação de energia, seguido pela zona de surfe, pós-praia e campo de dunas, A declividade do sistema praial é ajustada também pelo tipo de onda, ou seja, o perfil de uma praia varia com o ganho ou perda de areia de acordo com a energia das ondas. Por exemplo, ondulações de pequena altura (frequentes no verão) constroem o berma, o que resulta em um perfil mais íngrime, com a face praial progradante. Ondas de tempestade erodem a face praial, transportam sedimentos para a antepraia, o que resulta em um perfil mais suave. (sub-harmônica = duas vezes o período da onda incidente) É de conhecimento que o perfil praial é controlado pela altura da onda na rebentaçGo, período e tamanho de sedimento, mas qual é exatamente o grau desta relaçGo? A largura de um perfil praial decresce em termos gerais, quando o regime de ondas passa da condição de "swell" para tempestade, ou da condição de ondas de pequena esbeltez para elevada esbeltez, ou da condição reflectiva para dissipativa. 40 41 Publicações recentes: Rijn, L. C. V. 1998. Principles of Coastal Morphology. Aqua Publications Short, A. D. 1999. Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics, 392 pages, John Wiley & Sons Ltd. Dean, R.G. and Dalrymple, R. A. 2002. Coastal Process with Engineering Applications. 475 p. Cambridge University Press. Davis Jr, R. and Fitzgerald, D. 2004. Beaches and Coasts. Blackwell Publishing. Masselink, G., Hughes, M., Knight, J. 2003, 2011. Coastal Processes & Geomorphology. Hodder Education. 436p. Alfredini, P. e Arasaki, E. 2009. Obras e Gestão de Portos e Costas. Blucher. 804p. Ministério do Meio Ambiente. 2006. Erosão e Progradação do Litoral Brasileiro. 476p.
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