Sediment circulation and accumulation sensors for in situ continuous monitoring

Abstract

A zona costeira é uma região complexa em termos de dinâmica hidráulica, geológica e ambiental. A compreensão dos processos sedimentares é essencial para validar modelos e garantir a gestão e proteção de infraestruturas e populações. Contudo, a correlação entre as projeções e as medições feitas em campo nem sempre são satisfatórias. A medição contínua em campo torna-se assim essencial para um estudo eficaz de cada processo ou ação. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de instrumentos para medir processos sedimentares em campo. Estes processos são analisados e decompostos em dois ramos de estudo: deposição e erosão de sedimentos e transporte sedimentar. O transporte sedimentar, por sua vez, é decomposto em duas variáveis: concentração de sedimentos em suspensão e velocidade da água. Diferentes sensores foram desenvolvidos para medir temperatura da água, profundidade, turbidez, concentração de sedimentos em suspensão, velocidade da água e deposição e erosão sedimentar do leito aquático. Cada um dos dispositivos foi construído com alta eficiência energética para aumentar o tempo de vida útil das baterias, custos de fabricação reduzidos para permitir fabricação em massa, e tamanhos e pesos reduzidos para facilitar a instalação e manutenção. Os desenhos eletrónicos, mecânicos e de fabricação, bem como as metodologias de calibração, são apresentados para que os instrumentos possam ser replicados pela comunidade científica. Uma estação de monitorização foi instalada no estuário do Rio Cávado (Esposende - Portugal) para testar e validar os instrumentos desenvolvidos. As medições de cada instrumento são discutidas e correlacionadas com outras variáveis ambientais para interpretar as dinâmicas no estuário. O objetivo de medir processos sedimentares foi alcançado, sendo possível observar a dinâmica da deposição e erosão sedimentar, a concentração do sedimento suspenso na coluna de água e a inversão de corrente durante os ciclos de maré. Foi também possível estimar a descarga de água, volume total de água, taxas de transporte sedimentar e quantidade total de sedimentos no estuário. Outros eventos como inundações e erosão do leito durante dias de precipitação, ou altas taxas de deposição sedimentar e aumento de sedimentos em suspensão na água durante eventos de floração de algas são discutidos e analisados. O problema da incrustação biológica é também estudado com o desenvolvimento e validação de técnicas para aumentar a longevidade dos sensores em campo sem necessidade de limpeza e manutenção.

The coastal zone is a complex region in terms of hydraulic, geologic, and environmental dynamics. Understanding its sedimentary processes is essential to validate models and ensure the management and protection of infrastructures and populations. However, the correlation between projections and field measurements is not always satisfactory. Thus, continuous monitoring becomes essential for an effective study of each process and action. This dissertation presents the development of new tools to continuously monitor sedimentary processes in situ. The sedimentary processes that take place in the watersheds are analysed and decomposed in two branches of study: sediment deposition and erosion of the streambed and sediment transport. The sediment transport is in turn decomposed into the two most important variables for the process: suspended sediment concentration and water velocity. Different individual sensors were developed to measure a set of water parameters: water temperature, depth, turbidity, suspended sediment concentration, water velocity and streambed height. Each one of the devices was built with high energy efficiency to extend the lifetime of batteries, reduced costs to allow massive replication, and reduced size and weight for ease of deployment and maintenance. The electronic, mechanical and manufacturing designs and calibration methodologies are disclosed so the instruments can be replicated by others. A monitoring station was installed in the estuary of Cávado River (Esposende – Portugal) to test and validate the developed instruments in a real scenario. The monitoring results of each instrument are discussed and correlated with other environmental variables to interpret and analyse the dynamics in the estuary. The objective of measuring the different sedimentary processes in situ was accomplished. The developed instruments made it possible to understand the dynamics of sediment displacement in the streambed, suspended sediment concentration in the water column and inversion of stream flow during the tidal cycles. It was also possible to estimate the water discharge, total volume of water, sediment transport rates and total amount of sediment in the estuary. Other abnormal events such as floods and streambed erosion during precipitation days or high sediment deposition rates and increase of suspended sediment in the water during algae blooms are discussed. The problem of biofouling, which precludes long-time continuous monitoring, is also addressed with the development and validation of anti-fouling techniques to extend the monitoring time without the need for cleaning and maintenance.