Abstract The Characteristic Hydraulic Times (CHT), called Residence Time (RT) and Water Age (WA), were analyzed in the Mundaú-Manguaba Estuarine Lagoon System (MMELS - AL, Brazil), using the SisBaHiA® - Environmental Hydrodynamics Base System, for two scenarios: wet season, from May to July 2018; and dry season, from October to December 2018. The hydrodynamic modelings appropriately represented water level variations measured in the lagoons. The analysis of residual currents revealed how hydrodynamic circulation was affected by seasonal variations, and provided essential information to understand the results of the RT and WA simulations. This study deepened the knowledge regarding the RT of the water masses inside the lagoons, and reinforced how river discharges significantly influence their export, which resulted, considering the spatial scope, in much smaller RT in the wet season compared to the dry season. The WA analysis added new and significant knowledge about water renewal, from a different perspective, and as yet little-explored in the study region. Among the results obtained, the most relevant refer to the dry season, in which it was found that the “oldest” waters in the Mundaú L. occurred near the southeast region, while in the Manguaba L., in the vicinity of the central region. Both regions were confirmed as the places that present the most critical trophic state index in each lagoon, showing that WA is a CHT that indicates the regions most conducive to more critical trophic states.

Resumo Os Tempos Hidráulicos Característicos (THC) denominados Tempo de Residência (TR) e Idade da Água (IA) foram analisados no Complexo Estuarino Lagunar Mundaú-Manguaba (CELMM - AL, Brasil), através do SisBaHiA® - Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental, para dois cenários: período chuvoso, de maio a julho de 2018; e período seco, de outubro a dezembro de 2018. As modelagens hidrodinâmicas representaram adequadamente as variações de nível d’água observadas nas lagunas. As análises das correntes residuais revelaram como a circulação hidrodinâmica foi afetada pelas variações sazonais, e forneceram informações essenciais para compreender os resultados das simulações de TR e da IA. Este estudo aprofundou os conhecimentos em relação ao TR das massas de água no interior das lagunas, e reforçou como as descargas fluviais influenciam significativamente a exportação das mesmas, o que resultou, considerando a abrangência espacial, em TR bem menores no período chuvoso, em comparação ao período seco. As análises da IA agregaram novos e significativos conhecimentos quanto à renovação das águas, por meio de uma perspectiva diferente, e ainda pouco explorada na região de estudo. Dentre os resultados obtidos, os mais relevantes se referem ao período seco, no qual constatou-se que as águas mais “velhas”, na laguna Mundaú, ocorreram próximo da região sudeste, enquanto na laguna Manguaba, nas proximidades da região central. Ambas as regiões foram confirmadas como os locais que apresentam os índices de estado trófico mais crítico, em cada laguna, evidenciando que a IA é um THC que indica os locais mais propícios a estados tróficos mais críticos.

RESUMO O cálculo das fundações das estruturas de suporte de turbinas (monopilares) de parques eólicos offshore, a estimativa dos esforços causados pelas ondas, e o efeito das estruturas no meio ambiente, costumam considerar estas estruturas como cilindros verticais isolados. Justifica-se esta escolha pelo pequeno valor da razão entre o diâmetro dos monopilares e o comprimento da onda, e pelas longas distâncias entre as turbinas. Contudo, no caso de um grande arranjo de monopilares, o efeito do conjunto deve ser investigado. Este trabalho aborda a propagação de ondas através de um arranjo retangular de quatro cilindros separados 800 m e 300 m, aqui considerada como a geometria básica para um parque offshore de turbinas monopilares de arranjo geométrico qualquer. Resultados para velocidades no fundo, nível médio da água, transporte de massa e tensor de radiação na presença do arranjo são comparados àqueles obtidos com um único cilindro. O modelo numérico WAMIT® é usado para calcular a solução do potencial de velocidades. Os resultados mostram variações espaciais relevantes, especialmente para as tensões de radiação, para diferentes períodos de ondas incidentes e ângulos de propagação. Os efeitos de difração no campo de ondas pelo arranjo de cilindros foi significativamente maior que a superposição dos efeitos de difração de cilindros isolados nas mesmas condições de ondas. Os impactos da difração produzidos pelo conjunto do parque eólico sobre os processos morfodinâmicos no entorno das fundações, sobre as cargas atuantes nas estruturas, e sobre o clima das ondas após a passagem pelo parque são discutidos.

ABSTRACT The design of monopile foundations for offshore wind farms, the estimate of wave loads, and the effect of the structures on the environment usually consider one single vertical cylinder. This choice is based on the size of the ratio cylinder diameter to wavelength, and on the large distances between turbines. However, for large arrays of monopiles, the ensemble effect must be investigated. This study addresses monochromatic wave propagation through a rectangular array of four cylinders 800 m and 300 m apart, considered here as the fundamental geometry for an arbitrary array of monopiles turbines. Results for bottom velocities, mean water level, mass transport, and radiation stress tensor in the presence of the array are compared with those for a single cylinder. The numerical model WAMIT® is used to compute the potential velocity solution. Relevant spatial variations were found, especially for radiation stresses, for different periods and directions of propagation. Diffraction effects on the wave field by the array are significantly stronger than the superposition of individual effects of isolated cylinders under the same conditions. Impacts of the entire wind farm on bottom morphodynamics near the foundations, on the design loads, and on the wave climate past the wind farm are discussed.

Resumo Embora a análise de tempos hidráulicos característicos seja uma ferramenta importante para estudar trocas de massas de água e identificar áreas propensas a estagnação de águas, que são potencialmente vulneráveis a efeitos de eutrofização, seus conceitos e usos são interpretados de forma errada com frequência. Este artigo compara as diferenças e similaridades entre tempos hidráulicos característicos, CHT, amplamente utilizados, tais como: Tempo de Residência, Tempo de Taxas de Renovação e Idade da Água. Definições precisas de cada um destes tempos característicos são incluídas neste trabalho com o intuito de evitar confusão entre os múltiplos conceitos presentes na literatura. São apresentadas metodologias para o cálculo destes CHT utilizando sistemas de modelagem hidrodinâmica e, a fim de aprimorar o entendimento, aplicadas a três casos idealizados em canais de fluxo constante: (1) Canal com fluxo uniforme; (2) canal com um afluxo lateral; (3) Canal com uma baia lateral. Posteriormente, um exemplo prático é discutido aplicando as metodologias à Lagoa dos Patos (RS). Os resultados para os casos de canais idealizados não são intuitivos. A discussão teórica esclarece a interpretação e os usos dos diferentes tempos característicos e destaca a Idade da Água como o mais versátil e multifuncional, se comparada com os outros CHT abordados neste trabalho. Os resultados da Lagoa dos Patos são um exemplo do grande valor das informações que os CHT oferecem para a gestão ambiental em corpos hídricos naturais.

Abstract Although the analyses of characteristic hydraulic times are important diagnostic tools for studying water mass exchanges and identifying areas prone to stagnation that are potentially subjected to eutrophication effects, their concepts and uses are often misinterpreted. This paper compares similarities and differences between widely used characteristic hydraulic times, CHT, known as Residence Time, Times of Water Renewal Rates and Water Age. A proper definition for each of these characteristic hydraulic times is stated to avoid the existing confusion with multiple concepts in the literature. Methodologies to compute these CHT through hydrodynamic modelling systems are presented and, in order to enhance understanding, applied to three idealized cases in steady flow channels: (1) Channel with uniform flow; (2) Channel with a lateral inflow; and (3) Channel with a lateral embayment. Finally, a practical example is discussed by applying the methodologies to the Patos Lagoon (RS). The results for the idealized channel cases are non-intuitive and this theoretical discussion clarifies the interpretation and uses of different timescales and outlines the Water Age as the more versatile and multifunctional timescale if compared to the others addressed here. The results for the Patos Lagoon exemplify the valuable information that CHT can offer for environmental management in natural water bodies.

RESUMO Este trabalho analisa aspectos hidrodinâmicos do sistema estuarino da Baía de Guanabara, localizado na costa sul do estado do Rio de Janeiro, Brasil. Padrões de circulação hidrodinâmica foram caracterizados, com e sem influência de gradientes de pressão baroclínicos devido a diferenças de densidade da água, para cenários típicos de verão e de inverno. A avaliação foi realizada por meio de simulações computacionais de circulação hidrodinâmica, com a utilização de modelos do Sistema Base de Hidrodinâmica ambiental, entitulado SisBaHiA. As modelagens indicam que a não inclusão de efeitos baroclínicos nos gradientes de pressão subestima níveis médifnefos de água na Baía de Guanabara em valores de até 5 centímetros dependendo da região e da época do ano. Entretanto, os padrões de circulação hidrodinâmica com ou sem gradientes de pressão baroclínicos são muito similares, como mostram os mapas de circulação em diferentes fases de maré.

ABSTRACT This study analyzes hydrodynamic aspects of the Guabanara Bay estuarine system, which is in the southern coast of the state of Rio de Janeiro, Brazil. Hydrodynamic circulation patterns were characterized, with and without the influence of baroclinic pressure gradients due to water density differences. Typical summer and winter scenarios are considered. The evaluation adopted computational simulations of hydrodynamic circulation, using models from the environmental hydrodynamic base system, entitled SisBaHiA. The simulations indicate that by disregarding baroclinic effects in the pressure gradients, the mean water levels in the Guanabara Bay are underestimated up to 5 centimeters, depending on the region and season of year. However, the hydrodynamic circulation patterns with or without baroclinic pressure gradients are very similar, as shown by the circulation patterns maps in different tidal phases.

RESUMO Este trabalho tem por objetivo investigar as transformações sobre o nível médio da água e o tensor de tensão de radiação durante a propagação de ondas Bicromáticas e Bidirecionais (Bi-Bi) em um talude 1:22 e profundidades variando de 55 cm a 26 cm, simulando uma bacia de ondas em laboratório. Um modelo matemático escrito em Python foi utilizado para o cálculo daquelas grandezas para diferentes combinações de ângulos e períodos de ondas. A sobre-elevação e o rebaixamento do nível médio da água são fortemente dependentes da combinação de períodos e direções escolhidos para as ondas primárias, dado que elas refratam ao longo do talude, modificando assim a onda de infragravidade aprisionada. Os círculos de Mohr para o tensor de tensões de radiação mostraram mudanças significativas no diâmetro e no posicionamento do centro em diferentes pontos ao longo da bacia. As componentes da tensão de radiação para as ondas Bi-Bi são a soma das tensões associadas a cada onda primária e um termo não linear que resulta da interferência entre as ondas primárias. Ao se desconsiderar estes termos não-lineares pode-se causar consequências significativas sobre previsão da circulação hidrodinâmica.

ABSTRACT This study aims to investigate the transformations experienced by the mean water level and radiation stress tensor during the propagation of Bichromatic-Bidirectional (Bi-Bi) waves on a slope of 1:22 and water depth varying from 55 cm to 26 cm, simulating laboratory conditions. A computer program written in Python was used to compute those quantities at different combinations of wave angles and periods. The setup and setdown of the mean water level are strongly dependent on the combination of periods and direction of the primary waves, as they propagate along the slope, modifying the bound infragravity wave. Mohr’s circles for the radiation stress tensor showed significant changes of diameter and center at different points along the basin. The radiation stress components for the Bi-Bi waves are the sum of the stresses associated with each primary wave and a nonlinear term which results from the interference between primary waves. Disregarding these nonlinear terms may significantly affect the nearshore hydrodynamics prediction.

Resumo No presente trabalho, os modelos de circulação hidrodinâmico bidimensional horizontal (2DH) e de qualidade da água integrados na direção vertical, para escalares não conservativos e passivos, são resolvidos de forma acoplada e aplicados ao reservatório de Rio Verde, localizado no estado do Paraná, Brasil, para simular a circulação e parâmetros qualidade da água no reservatório de Rio Verde. O modelo de qualidade da água utiliza a mesma grade espacial aplicada ao modelo hidrodinâmico. As velocidades e os coeficientes de relacionados à turbulência, previamente definidos no modelo hidrodinâmico, podem ser utilizados diretamente no modelo de qualidade da água. Os resultados de modelagem foram comparados com dados de campo para um período de 308 dias, de 27 de fevereiro de 2010 a 31 de dezembro de 2010. Dados de campo incluem temperatura da água e do ar, vento, umidade relativa, radiação, vazões e valores de concentração de algumas substâncias nos afluentes do reservatório de Rio Verde. Os resultados mostram que a circulação hidrodinâmica e, consequentemente, o transporte horizontal, são fortemente dependentes do vento. As vazões afluentes/efluentes geram uma circulação localizada, restrita as regiões próximas às embocaduras. Os resultados de temperatura e da concentração de oxigênio dissolvido obtidos pelo modelo foram comparados com dados medidos, mostrando uma concordância satisfatória. Apesar dos erros associados às condições de contorno, os modelos demonstraram seu potencial para simular adequadamente o conjunto de dados coletados do reservatório.

Abstract This work applied the coupled horizontal two-dimensional hydrodynamic circulation model (2DH) and the vertically integrated water quality model for non-conservative and passive scalars to the Rio Verde reservoir in the state of Paraná, Brazil, to simulate flow, temperature and water quality parameters. The water quality model uses the same spatial grid applied for the hydrodynamics model. Flow velocities and turbulence coefficients previously defined in the hydrodynamics model can be used directly in the water quality model. Modeling results were compared to field data for a period of 308 days, from February 27th 2010 and December 31th 2010. Field data included water and air temperature, wind, relative humidity, radiation, discharges and concentration values of some substances in the tributaries of the reservoir. The results indicated that hydrodynamic circulation and, consequently, horizontal transport, are strongly dependent on the wind. Inflows/outflows generated a localized circulation. The results for the temperature and dissolved oxygen concentration were compared with field measures and a satisfactory consistency was achieved. Despite the errors associated with boundary conditions, the models demonstrated their potential to adequately simulate the data set collected from the reservoir.

RESUMO A dinâmica de sedimentos coesivos em corpos d’água naturais é um tema de grande importância na prática da engenharia costeira, sendo recorrente a necessidade de serem feitos prognósticos sobre esses fenômenos. Devido ao fato da física que envolve o transporte desses sedimentos ser relativamente complexa, o desenvolvimento de estudos e avaliações em projetos de engenharia se mostram um desafio. Assim, é importante que existam ferramentas de análise capazes de descrever os processos sedimentológicos para sedimentos coesivos. Nesse sentido, este artigo apresenta o desenvolvimento de um modelo euleriano 2DH de transporte advectivo-difusivo de sedimentos coesivos em suspensão. Tal modelo está disponível no SisBaHiA®, um software computacional de modelagem, desenvolvido e mantido na COPPE/UFRJ. Após a implantação, procedeu-se a etapa de verificação dos mecanismos implementados. Os resultados do modelo foram confrontados com resultados teóricos e, para alguns testes, com os resultados das mesmas simulações feitas com o Delft3D® e o Telemac®, que são modelos similares ao desenvolvido neste trabalho. Os testes confirmaram que o modelo desenvolvido apresenta resultados consistentes para todos os mecanismos avaliados, sendo assim positivamente verificado.

ABSTRACT The dynamics of cohesive sediments in natural water bodies is of great importance for coastal engineering. Quite often, it is necessary to assess sedimentological processes in regions where cohesive sediments are prevalent, such as in many harbors. Such assessments poses challenges, especially in quantitative evaluations, as the physics involved in the transport, sedimentation and erosion of cohesive sediments is rather complex. For that, by all means, it is important to have analysis tools capable of computing cohesive sediments dynamics. This paper presents the development of a vertically averaged eulerian transport model for suspended cohesive sediments. Such model is currently available on SisBaHiA®, which is a computational modeling system developed and maintained in COPPE/UFRJ. After describing the model implementation, we present a discussion on consistency and validation tests, for each implemented mechanism within the sedimentological process, with a focus in the erosion and sedimentation fluxes. In sequence, we compare model results with the theoretical results and, for some tests, with the results of the simulations performed with the Delft3D® and Telemac® modeling systems. These models are similar to the one presented in this paper, and are well accepted and widely used on professional projects and studies. The tests showed that the developed model results were consistent for all the evaluated mechanism, and hence it’s positively verified.

Resumo A investigação de processos inerentes a um sistema estuarino permite inferir de forma mais precisa sua complexa dinâmica, possibilitando o balizamento de estratégias de ação em planos de gestão e projetos ambientais em regiões costeiras. Este trabalho apresenta um estudo da hidrodinâmica do Sistema Estuarino de Santos (SP), com enfoque na análise da renovação de suas águas, pelo efeito da maré e pelas vazões fluviais afluentes. Por meio do SisBaHiA® (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental) foi implementado um modelo hidrodinâmico computacional para a reprodução dos padrões de circulação do sistema. A partir de simulações com o Modelo de Transporte Euleriano, foram então calculadas as taxas de renovação de suas águas, para os períodos representativos de verão e de inverno. Os resultados, apresentados na forma de mapas e na forma de séries temporais de renovação, indicaram que após 30 dias todo o sistema apresenta uma renovação total maior que 95%. Diferenças sazonais puderam ser verificadas apenas em regiões mais internas do estuário, e.g., no Canal de Piaçaguera.

Abstract The investigation of processes inherent in an estuary system allows us to infer more precisely its complex dynamics, assisting in the development of action strategies for environmental management plans and projects in coastal areas. This paper describes a hydrodynamic study of the Santos Estuarine System (São Paulo State, Brazil), focused on its water renewal analysis. A computational model was implemented using SisBaHiA® (Base System for Environmental Hydrodynamics) in order to reproduce the hydrodynamic patterns of the system. Simulations based on Eulerian Transport Model were performed to compute renewal rates for summer and winter representative periods. Results presented on maps and time series indicated that after 30 days the entire system has a total renewal greater than 95%. Seasonal differences could only be verified on the inner regions of the estuary, such as Piaçaguera Channel.

RESUMO A Lagoa de Araruama, maior laguna hipersalina do Brasil, é um importante sistema estuarino situado na Região dos Lagos, sudeste do estado do Rio de Janeiro. A lagoa tem forma oblonga, estendendo-se por cerca de 40 km de oeste a leste em seu eixo maior. Por apresentar um balanço hídrico negativo e apenas uma ligação com o mar, através do longo Canal de Itajuru em sua extremidade leste, a laguna apresenta pouquíssima renovação de águas, o que a torna naturalmente propensa a eutrofização. A criação de uma nova conexão com o mar em sua extremidade oeste tiraria proveito dos ventos reinantes de ENE, criando uma deriva de leste para oeste que promoveria maior renovação das águas e, consequentemente, melhora da qualidade ambiental do corpo hídrico. Este artigo analisa a viabilidade hidro-sedimentológica de tal canal através de modelos computacionais. Inicialmente discute-se o dimensionamento de um canal estável, com análise calcada em critérios bem estabelecidos para estabilidade de canais de maré, com modelagem computacional 1D específica ao caso. Posteriormente, via modelagem hidro-sedimentológica 2DH, analisa-se a evolução morfodinâmica da Lagoa de Araruama, canais de ligação com o mar e região marítima próxima, considerando a situação projetada. Após 365 dias, as alterações batimétricas observadas na maior parte da laguna foram muito pequenas. O canal idealizado permaneceu desobstruído durante todo o tempo.

ABSTRACT The Araruama Lagoon, Brazil’s largest hypersaline lagoon, is an important estuarine system located in the southeast of the state of Rio de Janeiro. This lagoon is oblong-shaped and extends for circa 40 km from west to east at its longest axis. Since it has a negative water balance and only one connection with the open sea, through the long Itajuru Channel, there is very little water renewal, which causes a natural tendency to eutrophication. Creating a new maritime connection on the western side of the Lagoon would take advantage of the very frequent ENE winds, generating a drift from east to west that would increase water renewal and, consequently, enhance the quality of the environment. This paper analyses the hydro-sedimentological viability of this tidal inlet using computer models. Initially the sizing of a stable inlet is discussed considering an analysis based on well established criteria of stability of tidal inlets and with 1D computational modeling. Afterward, through 2DH hydro-sedimentological modeling, the morphodynamic evolution of the lagoon, its tidal inlets and adjacent maritime region, are analyzed considering the projected situation. The inlet considered changed very little in the lagoon’s bathymetry and remained unobstructed during the 365 days of simulation.