On cross-shore beach profile morphodynamics

Abstract

The nearshore zone is plenty of 3D morphodynamic patterns resulting from the interaction of waves, currents and sediments. The dynamics of formation and evolution of these patterns is at present a controversial point in coastal research. However, frequently nearshore zone shows a strongly persistent uniformity. In this situation, morphodynamic changes are dominated just by crossshore processes. Remarkably, although this situation displays much less morphological complexity, cross-shore beach profile morphodynamics is still a research challenge, as sediment transport, in this case, is the result of a very subtle balance between onshore and offshore directed forces that still remain unsolved. The aim of this thesis is to get more insight on the physical processes involving cross-shore beach profile evolution and how relevant are them in the nearshore zone morphodynamics. To this end, a 1D non-linear morphodynamical model for the evolution of the profile is developed to analyze some relevant aspects of cross-shore beach profile morphodynamics. The AMORFO70 model couples hydrodynamics, sediment transport and bottom changes to account for the morphodynamics feedback. The model considers the depth-integrated and wave-averaged momentum and mass conservation equations coupled with wave- and roller-energy conservation, Snell's law and the dispersion relation under the assumption of alongshore uniformity. It is well-known that the intra-wave processes, particularly the near-bottom orbital velocity and acceleration, can lead to net onshore sediment transport. The model accounts for the most novel parameterization of the near-bed intra-wave velocity, to analyze the effects of the temporal distribution of the intra-wave near-bottom velocities and accelerations on cross-shore morphodynamics. It is found that accounting for both velocity and acceleration skewness in the sediment transport is essential to properly simulate onshore sandbar migration and the entire profile evolution. Results have shown a strong spatial dependence of sediment transport along the profile, in such a way that in the shoaling zone transport is mostly driven by bed-shear stress (velocity skewness) and the breaking and inner-zone transport is dominated by pressure gradients (acceleration skewness). The accurate description of sediment transport is a key issue in morphodynamic modeling. The model has been complemented with several transport parameterizations to analyze the differences between morphodynamic predictions related to different sediment transport formulas for different sequences. Results evidenced several differences between the predicted transport rates and also between the predicted incipient bottom changes of the different sediment transport formulas. It is found that the cross-shore morphodynamic predictions depend strongly on the sediment transport formula that is used and not all of them capture the expected trends. Particularly, formulas that account directly for the effects of wave velocity and acceleration skewness lead to the best predictions, especially for accretionary sequences. A common procedure on cross-shore beach profile morphodynamic modeling is to neglect the alongshore variability. This assumption has been analyzed for the prediction of the mean profile evolution on the short-, the mid- and the long-term. It has been proven that the model is able to reproduce short- and mid-term evolution of the mean profile with substantial accuracy. Thus, considering the mean profile as the average of the evolution of individual profiles along the shoreline leads to the best results, as 'a way to account for the alongshore variability'. In the long-term it is found that, although predictions may agree with measurements, they do not capture the real morphodynamics. This stresses the relevance of analyzing the behavior of the simulated morphodynamics during long-term evolution to avoid mistakes in the interpretation of the model capabilities.

La zona costanera és plena de patrons morfodinàmics 3D que són el resultat de la interacció de l’onatge, els corrents i els sediments. La dinàmica de formació i evolució d’aquests patrons és un punt polèmic en la recerca de la dinàmica costanera. Tot sovint la zona costanera mostra una forta i persistent uniformitat longitudinal. En aquest cas, els canvis morfodinàmics són dominats pels processos transversals. Tot i que aquesta situació suposi una complexitat morfològica menor, la morfodinàmica del perfil transversal de platges és encara un repte científic, ja que, en aquest cas, el transport de sediment és el resultat d’un balanç molt subtil entre les forces onshore i offshore. L’objectiu d’aquesta tesis és obtindre una visió més clara dels processos físics involucrats en l’evolució del perfil transversal i com de importants són en la morfodinàmica costanera. Amb aquesta finalitat, s’ha desenvolupat un model morfodinàmic 1D no lineal per a l’evolució del perfil transversal per tal d’analitzar alguns aspectes importants de la morfodinàmica del perfil. El model AMORFO70 acobla la hidrodinàmica, el transport de sediments i els canvis de fons per tal de tenir en compte el feedback morfodinàmic. El model compta amb les equacions de conservació de massa i de moment integrades en el temps i en la vertical, acoblades amb les equacions de conservació d’energia de l’onatge i dels rollers, la llei d’Snell i la relació de dispersió tot suposant uniformitat longitudinal. Els processos entre-ona, i en particular la velocitat i l’acceleració orbitals a prop del fons, poden conduir al transport de sediments cap a terra. El model compta amb una nova parametrització de la velocitat a prop del fons per tal d’analitzar l’efecte de la distribució temporal de les velocitats i acceleracions a prop del fons en la morfodinàmica del perfil. S’ha provat que comptar amb l’skewness de la velocitat i de l’acceleració en el càlcul del transport és essencial per simular correctament la migració cap a terra de les barres de sorra i de l’evolució de tot el perfil. Els resultats mostren una forta dependència espacial del transport al llarg del perfil, de tal manera que a la zona de shoaling el transport és induït per esforços tallants (skewness de velocitats) i que la zona de rompents i de surf està dominada pels gradients de pressió (skewness d’acceleracions). La descripció precisa del transport de sediments és clau en la modelització morfodinàmica. El model inclou múltiples fórmules del transport per tal d’analitzar les diferències en les prediccions morfodinàmiques de cadascuna d’elles per diferents seqüències. Els resultats evidencien moltes diferències entre els valors de transport i també entre els canvis de fons incipients predits per les diferents fórmules. S’ha provat que les prediccions de l’evolució del perfil de penen de la formula de transport emprada i que aquestes prediccions no sempre segueixen les tendències esperades. En particular, les fórmules que compten directament amb el efectes de l’skewness de la velocitat i de l’acceleració donen les millors prediccions, especialment en les seqüències acrecionals. En la modelització de la morfodinamica del perfil transversal és una practica comuna el no considerar la variabilitat longitudinal. Aquest supòsit ha estat analitzat per a la predicció a curt, mig i llarg termini de l’evolució del perfil mig. S’ha demostrat que el model és capaç de predir acuradament l’evolució a curt i mig termini. El fet de considerar el perfil mig com el promig de les evolucions de diferents perfils al llarg de la costa porta als millors resultats, ja que es ’una manera de tenir en compte la variabilitat longitudinal’. A llarg termini s’ha provat que, tot i que les prediccions poden concordar amb les mesures, no capturen la morfodinamica real. Aquest fet destaca la importància de l’anàlisi de la morfodinàmica simulada durant les evolucions a llarg termini per tal d’evitar errors en la interpretació dels resultats.