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Title in Portuguese: Simulações de campos de dunas sob a influência do crescimento de vegetação e da exposição do nível de água do terreno
Title: Simulations of dune fields under the influence of vegetation growth and the exposure of the ground water level
Author: Luna, Marco César Monteiro de Morais
Advisor(s): Herrmann, Hans Jürgen
Co-advisor(s): Parteli, Eric Josef Ribeiro
Keywords: Dunas
Transporte eólico
Geomorfologia costeira
Dinâmica territorial e ambiental
Dunes
Aeolian transport
Coastal geomorphology
Issue Date: 2010
Citation: LUNA, Marco César Monteiro de Morais. Simulações de campos de dunas sob a influência do crescimento de vegetação e da exposição do nível de água do terreno. 2010. 129 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010.
Abstract in Portuguese: Neste trabalho estudamos a gênese de campos de dunas costeiras através do modelo DUNE desenvolvido por Sauermann et al. (2001) e Kroy et al. (2002), e posteriormente aprimorado por Schwämmle e Herrmann (2004). O modelo DUNE foi desenvolvido para calcular o transporte de grãos por saltação e para a formação de dunas de areia. Depois, passou a levar em consideração também o crescimento da vegetação (Durán e Herrmann, 2006a). Inicialmente investigamos a gênese e os primeiros estágios de desenvolvimento de campos costeiros de dunas na presença do crescimento da vegetação. O modelo é aplicado para calcular a evolução da areia transportada na mesma direção do vento para dentro de um terreno onde ocorre o crescimento da vegetação. Antes, o modelo reproduziu a fixação da areia e consequente estabilização de dunas barcanas na presença das plantas, resultando na formação de dunas parabólicas (Durán et al., 2006a). Aqui, buscamos o entendimento dessa competição entre o transporte de areia e o crescimento da vegetação no desenvolvimento de dunas transversais na presença do crescimento de plantas, quando encontramos uma altura máxima para a duna transversal sob a influência da vegetação. Em seguida realizamos um estudo detalhado do desenvolvimento de campos de dunas levando em consideração variações nos parâmetros relevantes: largura da praia, disponibilidade de sedimentos, intensidade do vento, a velocidade de crescimento da vegetação e a altura máxima atingida pelas plantas. Diferentes morfologias foram obtidas para os campos de duna costeiras que dependem fundamentalmente da taxa de crescimento característica da vegetação e da velocidade de cisalhamento do vento, e que conseguem reproduzir padrões encontrados em campos reais. Depois investigamos no trabalho, a gênese e o desenvolvimento de campos de dunas costeiros na presença de um nível de água dinâmico. Para isso complementamos o modelo com uma superfície de água dinâmica. Buscamos aqui, obter e compreender a influência de uma superfície de água exposta no terreno no desenvolvimento e na morfologia das dunas. De maneira que, buscamos também um entendimento quantitativo da dinâmica de campos de dunas costeiros como função das condições climáticas locais, já que a dinâmica do nível de água está ligada ao regime de chuvas (Jimenez et al., 1999; Levin et al., 2009). Os resultados mostram que, para ventos com velocidade de cisalhamento u∗ constante, o principal efeito da presença da água é tornar as dunas no campo mais regulares em sua forma e tamanho. À medida que o deslocamento no nível de água Aw se torna maior, as dunas sofrem uma transição, passando de barcanas para cadeias de dunas barcanóides e depois para dunas transversais, reduzindo as alturas máximas atingidas pelas dunas. A água espalha a areia por todo campo e diminui a existência de áreas livres da presença de areia, impedindo a formação de dunas e levando à formação de um leito arenoso de relevo suave. Quando fixamos a altura máxima atingida pelo nível de água e aumentamos o seu tempo de exposição tew acima do chão, as dunas no campo apresentam padrão mais regular na forma e na altura da mesma maneira que acontece quando cresce o deslocamento no nível de água. Para um vento unidirecional oscilando senoidalmente fora de fase em relação a oscilação do nível de água, de maneira contrário ao vento constante, à medida que Aw se torna maior, maiores são as dunas no campo, e as dunas passam de cadeias de dunas barcanóides para dunas barcanas isoladas. Nesse caso, a areia fica retida nas dunas e não temos a formação de um leito de areia à medida que Aw cresce. Já no caso de um vento senoidal em fase com a oscilação do nível de água as dunas somente surgem para pequenas variações no nível de água. Esses resultados concordam com observações realizadas em campos reais por Kocurek et al. (1992), reproduzindo as fase destrutivas e construtivas que se alternam em campos de dunas sob a influência de um nível de água oscilante, devido às mudanças climáticas sazonais. Conseguimos com o modelo reproduzir alguns padrões de morfológicos de dunas que são encontrados nos Lençóis Maranhenses. A comparação dos resultados obtidos nas simulações com as imagens de satélite da região é bastante satisfatória, tanto do ponto de vista qualitativo, quanto do ponto de vista quantitativo.
Abstract: In this work we study the genesis of coastal dune fields using the DUNE model developed by Sauermann et al. (2001) and Kroy et al. (2002), and later perfected by Schwämmle and Herrmann (2004). The model was developed to calculate the transport of grains by saltation and the formation of sand dunes, and then it takes account the growth of vegetation (Durán and Herrmann, 2006a). Initially we investigate the genesis and the early stages of development of coastal dune fields in the presence of vegetation growth. The model is applied to calculate the evolution of sand transported in the same direction of the wind into a land where there is vegetation growth. In previous work, the model reproduced the fixation of sand grains and the stabilization of dunes. Consequently, the barchans dunes in the presence of plants can be transformed into parabolic dunes (Durán et al., 2006a). Here, we seek the understanding of competition between the sand transport and vegetation growth in the development of transverse dunes under the influence of plant growth, when we find a maximum height for transverse dunes under the influence of vegetation. Then we conduct a detailed study of the development of dune fields taking into account changes in the relevant parameters: the width of the beach, availability of sand sediment, wind intensity, the vegetation growth rate and the maximum height reached by the plants. Different morphologies are obtained for the coastal dune fields which depend crucially on the characteristic vegetation growth rate and the wind shear velocity, which can reproduce patterns found in actual fields. After we investigate, the genesis and development of coastal dune fields in the presence of a dynamic water level. In other to do it we complement this model with a dynamic water surface. Here we try to obtain and understand the influence of a exposed water surface over the ground in the development and morphology of the dunes. In this way, we also try a quantitative understanding of the dynamics of coastal dune fields as a function of local climatic conditions, since the dynamics of the water level is linked to rainfall (Jimenez et al., 1999, Levin et al., 2009). The results show that for a constant wind shear velocity u∗ the main effect of the presence of water is to produce the dunes in the field more regular in their shape and size. As the shift Aw in the water level becomes larger, the dunes undergo a transition from barchans dunes to chains of barchans dunes, and then to transverse dunes, reducing the maximum height reached by the dunes in the field. The water spreads the sand across the field and reduces the existence of areas which are free of the sand presence, preventing the formation of dunes and leading to the formation of a sandy bed with a smooth surface. When we increase the time which the water level tew is above the ground, the dunes in the field pattern are more regular in shape and height in the same way as when we increase the shift in water level. For a unidirectional wind sinusoidally oscillating out of phase with respect to fluctuation of water level, in opposition to the constant wind, as Aw becomes larger, higher are the dunes in the field, and they undergo a transition from chains of barchans dunes to isolated barchans dunes. In this case, the sand is retained in the dunes and we do not observe the formation of a sand bed as Aw grows. In the case of a sinusoidal wind in phase with the oscillation of the water level, the dunes appear only for small shifts in the water level. These results agree with the observations of real sand dune fields (Kocurek et al., 1992), reproducing the constructive and destructive phases which alternate in dune fields under the influence of an oscillating water level due to seasonal climatic changes. In the simulations we reproduce some morphological patterns of sand dunes that are found in the Lençóis Maranhenses sand dune field. Comparison between simulation results and satellite images of this region is quite satisfactory from a qualitative point of view and from a quantitative point of view.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/13673
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