Dynamics of large-scale shoreline perturbations

Abstract

Shorelines around the world are rarely smooth and they can present undulations and cuspate shapes. On the one hand, human actions can cause shoreline perturbations via beach nourishments, which in turn perturb the wave field that drives the morphological changes. On the other hand, there can be natural perturbations in the coastal system due to positive feedbacks between the wave forcing and the evolving bathymetric contours. In this thesis, the dynamics of mega-nourishments and shoreline sand waves are investigated.

A morphodynamic model based on the wave-driven alongshore sediment transport, including cross-shore transport in a simplified way and neglecting tides, is improved and applied to the Zandmotor mega-nourishment on the Dutch Delfland coast. The model is calibrated with the bathymetric data measured from January 2012 to March 2013 using measured offshore wave forcing. The calibrated model reproduces the evolution of the shoreline and depth contours until March 2015. The modelled coastline diffusivity during the 3-yr period is of 0.0021 m^2/s, close to the observed value of 0.0022 m^2/s. In contrast, the coefficient of the classical one-line diffusion equation is 0.0052~m$^2$/s. Thus, the lifetime is predicted to be of 90 yr instead of 35 yr. This difference is attributed to the role played by the 60% of oblique waves in that climate. The dynamics of mega-nourishments are further investigated by designing analytic mega-nourishments with different asymmetry, shape and volume. It is found that narrow initial shapes are less diffusive than wider shapes and that the smaller nourishments are more diffusive than the bigger ones. Also, it is found that the initial asymmetry can influence the asymmetry in feeding capacity to adjacent beaches throughout 50 years. The mega-nourishment is also forced with wave climates of different obliquity percentages. Its diffusivity decays linearly with increasing obliquity and for very oblique wave climates (more than 80%) hotspot areas are formed at the sides (due to high-angle wave instability). The growth rate of the erosion hotspots is especially high for unimodal wave climates, which also makes mega-nourishments to migrate alongshore at rates of 40 m/yr.

Kilometric-scale shoreline sand waves have been observed in the northern flank of the Dungeness Cuspate Foreland (southeastern coast of U.K.). They consist of two bumps separated by embayments with a 350-450 m spacing. We have analyzed 36 shoreline surveys of 2~km length using the Discrete Fourier Transformation (DFT), from 2005 to 2016, and seven topographic surveys encompassing the intertidal zone, from 2010 to 2016. The data set shows two clear formation events, which are correlated with moments were the wave energy of high-angle waves is dominant over the low-angle waves. Also, a linear stability model based on the one-line approximation is applied to the site. It predicts accurately the formation moments, with positive growth rates in the correct order of magnitude for wavelengths similar to the observed ones. All these results confirm that the shoreline undulations in Dungeness are self-organized and that the underlying formation mechanism is the high-angle wave instability. The two detected formation events thus provide a unique opportunity to validate the existing morphodynamic models that include such instability.

Las costas alrededor del mundo rara vez son suaves y pueden presentar ondulaciones y formas de cúspide. Por un lado, las acciones humanas pueden causar perturbaciones en la costa a través de rellenos de playa, lo que a su vez perturba el campo de oleaje que provoca los cambios morfológicos. Por otro lado, puede haber perturbaciones naturales en el sistema costero debido a la retroalimentación positiva entre el forzamiento del oleaje y la evolución de los contornos batimétricos. En esta tesis, se investiga la dinámica de los mega-rellenos y las ondas de arena en la linea de costa (de gran escala). Un modelo morfodinámico basado en el transporte longitudinal y que incluye el transporte transversal de una manera simplificada (ignorando el efecto de las mareas) es primero mejorado y después aplicado al mega-relleno de arena llamado Zandmotor. El modelo se calibra con los datos batimétricos medidos de enero de 2012 a marzo de 2013 y utilizando los datos de oleaje de una boya ubicada a 40 metros de profundidad. El modelo calibrado reproduce la evolución de la línea de costa y de los contornos batimétricos hasta marzo de 2015. La difusividad de la línea de costa modelada, durante el período de 3 años, es de 0.0021 m^2/s, cerca del valor observado de 0.0022 m^2/s. Por el contrario, el coeficiente de la ecuación clásica de difusión de una línea es 0.0052 ~ m^2/s. Por lo tanto, se predice que la vida útil será de 90 años en lugar de 35 años. Esta diferencia se atribuye al papel desempeñado por el 60% de las olas oblicuas en ese clima. La dinámica de los mega-rellenos se investiga con más profundidad mediante el diseño de mega-rellenos analíticos con diferentes asimetrías, formas y volúmenes. Se encuentra que las formas iniciales estrechas son menos difusivas que las formas anchas y que los rellenos más pequeños son más difusivos que los más grandes. Además, se encuentra que la asimetría inicial puede influir en la asimetría de la capacidad de alimentación de playas adyacentes a lo largo de 50 años. También se hacen simulaciones con climas de oleaje de diferentes porcentajes de oblicuidad. Su difusividad sigue un comportamiento lineal decreciente con el aumento de la oblicuidad. Para climas muy oblicuos (más del 80%) se forman áreas de erosión a los lados (debido a la inestabilidad de la ángulo grande). La tasa de crecimiento de los puntos calientes de erosión es especialmente alta para los climas de olas unimodales, lo que también hace que los mega-alimentos migren a lo largo de la costa a velocidades de 40 m / año. Se han observado ondas de arena de escala kilométrica en el flanco norte de Dungeness (costa sudeste del Reino Unido). Consisten en dos crestas separadas con un espaciamiento de 350-450 m. Hemos analizado 36 líneas de costa medidas de 2 km de longitud utilizando la Transformada Discreta de Fourier (TDF), de 2005 a 2016, y siete estudios topográficos que abarcan la zona intermareal, de 2010 a 2016. El conjunto de datos muestra dos eventos de formación claros, que son correlacionados con los momentos donde la energía de olas de ángulo grande es dominante sobre las olas de ángulo bajo. Además, se aplica al sitio un modelo de estabilidad lineal basado en la aproximación de una línea. Predice con precisión los momentos de formación, con tasas de crecimiento positivas en el orden correcto de magnitud para longitudes de onda similares a las observadas. Todos estos resultados confirman que las ondulaciones de la costa en Dungeness son auto-organizadas y que el mecanismo de formación subyacente es la inestabilidad de la oleaje de ángulo grande. Los dos eventos de formación detectados proporcionan así una oportunidad única para validar los modelos morfodinámicos existentes que incluyen dicha inestabilidad