Development and interactions of surfzone morphological patterns

Abstract

A variety of morphodynamic patterns are typically present in the nearshore zone of sandy beaches that develop due to the interactions between waves, currents and the morphology. The most common are one or several nearshore sandbars that vary in configuration from shore-parallel to crescentic, the latter consisting of alongshore-rhythmic (i.e., undulating) bars (also called rip-channel systems). Crescentic bars are often coupled to similar undulations in the shoreline called megacusps. Understanding the evolution of nearshore sandbars and their coupling to the shoreline is important as they significantly affect the nearshore morphology and hydrodynamics. Alongshore sandbar variability has been studied extensively, but mostly at beaches with substantial tidal range and medium-high energetic waves. Furthermore, the dynamics of megacusps and their coupling with crescentic bars are much less understood. This thesis uses nearly 8 years of hourly time-exposure video images to study the development and interactions of crescentic bars and megacusps at the open, low-energetic, tideless beach of Castelldefels (northwestern Mediterranean Sea, Spain). This requires accurate directional wave conditions at shallow water which can be obtained in various ways. Here, the accuracy of two available large-scale wave models and propagating measured wave conditions (integrated wave parameters and 2D frequency-direction spectra) using wave ray theory or the SWAN wave model was assessed. Comparing the results of the different methods to a short-term dataset of in-situ measurements showed that propagating measured 2D frequency-direction spectra using SWAN yielded the most accurate predictions for all wave parameters. The other methods resulted in increased errors in wave direction, particularly for shore-oblique and bimodal wave climates due to underestimation of refraction. The video images together with the hourly wave conditions at shallow water in front of Castelldefels beach (obtained with the optimal propagation method) were subsequently used to investigate the dynamics of crescentic bars and megacusps as well as the corresponding coupling. Crescentic bars were present during 48% of the study period, but only when the bar-shoreline distance exceeded 10 m. They showed a wide range in wavelengths (100–700 m), alongshore migration speeds (0–50 m/day) and cross-shore amplitudes (5–20 m). Low-medium energetic waves with limited obliquity (θ≲20° at 10-m depth) dominated during crescentic bar formation, whereas medium-high energetic waves with strong obliquity (θ ≳15°) prevailed during their straightening. These observed angle ranges contradict the results of existing models. Megacusps were present during 24% of the study period and crescentic bars were present during 91% of all days with megacusps, whilst megacusps only occurred during 50% of all days with crescentic bars. Megacusp and crescentic bar wavelengths were similar (100-700 m), but the cross-shore amplitudes (3-8 m) and alongshore migration speeds (0-15 m/day) of the former were significantly smaller. Megacusp dynamics were not strongly linked to wave conditions and they mostly developed a few days after the formation of a crescentic bar, confirming that the presence of the latter induces megacusp formation. Significant sandbar-shoreline coupling was observed during 74% of the time when megacusps and crescentic bars occurred simultaneously. The type of coupling pattern was variable and depended on the wave height and angle, as they probably determine the flow pattern over the inner crescentic bar (single or double rip cell circulations versus meandering currents). Overall, this thesis shows that crescentic bar dynamics strongly depend on the wave direction and initial bathymetric configuration, highlights the strong dependence of megacusp development on crescentic bar presence and provides some ideas regarding the underlying coupling mechanisms.

En la zona sumergida de las playas arenosas aparecen típicamente patrones morfológicos resultantes de las interacciones entre el oleaje, las corrientes y el fondo marino. Los más frecuentes son barras de arena, paralelas a la costa o crescénticas (con ondulaciones longitudinales). Las barras crescénticas a menudo se acoplan a patrones similares en la orilla conocidos como megacúspides. La evolución de estos patrones afecta significativamente la morfología y la hidrodinámica próxima de la orilla. Las barras crescénticas se han estudiado ampliamente, principalmente en playas con mareas importantes y oleaje de energía media-alta. Sin embargo, existe un gran desconocimiento sobre la dinámica de las megacúspides y su acoplamiento con las barras crescénticas. Esta tesis utiliza casi 8 años de imágenes horarias de video para estudiar el desarrollo y las interacciones de barras crescénticas y megacúspides en Castelldefels (noroeste del mar Mediterráneo, España), una playa abierta de baja energía y sin mareas. El estudio requiere de datos precisos de oleaje direccional en aguas someras que se pueden obtener con varias metodológías. Aquí se evaluó la precisión de dos modelos de oleaje a gran escala y la propagación de oleaje medido (parámetros de oleaje y espectros 2D en dirección y frecuencia) utilizando la teoría de rayos o el modelo SWAN. La comparación de los diferentes métodos con un conjunto de datos a corto plazo de medidas in situ mostró que la propagación de espectros 2D con SWAN produce las predicciones más precisas. Los otros métodos dieron como resultado errores mayores en la dirección, debido a la subestimación de la refracción durante climas de oleaje bimodal y oblicuo a la costa. Las imágenes de vídeo junto con los datos de oleaje en aguas someras frente a la playa de Castelldefels (obtenidos con el método óptimo) se utilizaron para investigar la dinámica de barras crescénticas y megacúspides, así como el acoplamiento correspondiente. Las barras crescénticas estuvieron presentes un 48% del período de estudio, pero solo cuando la distancia entre la orilla y la barra excedía los 10 m. Mostraron una gran variabilidad en longitudes de onda (100-700 m), velocidades de migración longitudinal (0-50 m/día) y amplitudes transversales (5-20 m). Durante la formación de las barras crescénticas, dominó el oleaje de energía media-baja con oblicuidad limitada (θ ≲ 20° a 10 m de profundidad), mientras que el oleaje de energía media-alta con oblicuidad fuerte (θ ≳ 15°) prevaleció durante su desaparición. Estos rangos de ángulos observados contradicen los resultados de los modelos existentes. Las megacúspides ocurrieron durante un 24% del período de estudio y las barras crescénticas estaban presentes durante un 91% de los días con megacúspides, mientras que las megacúspides solo se observaron durante un 50% de los días con barras crescénticas. Las longitudes de onda de las megacúspides y las barras crescénticas fueron similares (100-700 m), pero las amplitudes (3-8 m) y las velocidades de migración (0-15 m/día) de las primeras fueron más pequeñas. La dinámica de las megacúspides no estuvo fuertemente relacionada con el oleaje y se desarrollaron principalmente unos días después de la formación de una barra crescéntica, confirmando que su presencia genera las megacúspides. Se observó un acoplamiento significativo entre la orilla y la barra durante un 74% del tiempo en que ocurrieron simultáneamente megacúspides y barras crescénticas. El tipo de acoplamiento fue variable y dependió de la altura y el ángulo del oleaje, ya que probablemente determinan el patrón de corriente sobre la barra crescéntica. En general, esta tesis muestra que la dinámica de las barras crescénticas depende mucho de la dirección de oleaje y la configuración inicial de la batimetría, destaca la fuerte relación entre el desarrollo de las megacúspides y la presencia de una barra crescéntica y proporciona ideas sobre los mecanismos físicos de acoplamiento.

A la zona submergida de les platges de sorra apareixen típicament una varietat de patrons morfològics que resulten de les interaccions entre les onades, els corrents i el fons marí. Els més comuns són barres de sorra que poden ser paral·leles a la costa o crescèntiques (amb ondulacions longitudinals). Les barres crescèntiques sovint s’acoblen a patrons similars a la riba (megacúspides). L’evolució d’aquests patrons afecta significativament la morfologia i la hidrodinàmica a prop de la costa. Les barres crescèntiques s’han estudiat àmpliament, però principalment a platges amb marees importants i onatge d’energia mitjana-alta. La dinàmica de les megacúspides i el seu acoblament amb les barres crescèntiques es coneixen molt menys. Aquesta tesi utilitza gairebé 8 anys d’imatges horàries de vídeo per estudiar el desenvolupament i les interaccions de barres crescèntiques i megacúspides a Castelldefels (nord-oest del mar Mediterrani, Espanya), una platja oberta de baixa energia i sense marees. Això requereix dades precises d’onatge direccional en aigües poc profundes que es poden obtenir de diverses maneres. Aquí es va avaluar la precisió de dos models d’onatge a gran escala i la propagació d’onatge mesurat (paràmetres d’onatge i espectres 2D en direcció i freqüència) utilitzant la teoria de rajos o el model SWAN. La comparació dels diferents mètodes amb un conjunt de dades a curt termini de mesures in situ va mostrar que la propagació d’espectres 2D amb SWAN produeix les prediccions més precises. Els altres mètodes van donar com a resultat errors més grans en la direcció, a causa de la subestimació de la refracció durant climes d’onatge bimodal i oblic a la costa. Les imatges de vídeo juntament amb les dades d’onatge en aigües poc profundes davant de la platja de Castelldefels (obtingudes amb el mètode òptim) es van utilitzar per investigar la dinàmica de barres crescèntiques i megacúspides, així com l’acoblament corresponent. Les barres crescèntiques van estar presents un 48% del període d’estudi, però només quan la distància entre la riba i la barra excedia els 10 m. Van mostrar una gran variabilitat en longituds d’ona (100–700 m), velocitats de migració longitudinal (0–50 m/dia) i amplituds transversals (5–20 m). Durant la formació de les barres crescèntiques, va dominar l’onatge d’energia mitjana-baixa amb obliqüitat limitada (θ ≲ 20○ a 10 m de profunditat), mentre que l’onatge d’energia mitjana-alta amb obliqüitat forta (θ ≳ 15○) va prevaldre durant la desaparició. Aquests rangs d’angles observats contradiuen els resultats dels models existents. Les megacúspides van ocórrer durant un 24% del període d’estudi i les barres crescèntiques estaven presents durant un 91% dels dies amb megacúspides, mentre que les megacúspides només es van observar durant un 50% dels dies amb barres crescèntiques. Les longituds d’ona de les megacúspides i les barres crescèntiques eren semblants (100–700 m), però les amplituds (3–8 m) i les velocitats de migració (0–15 m/dia) de les primeres eren més petites. La dinàmica de les megacúspides no va estar fortament relacionada amb l’onatge i es van desenvolupar principalment uns dies després de la formació d’una barra crescèntica, confirmant que la seva presència genera les megacúspides. Es va observar un acoblament significatiu entre la riba i la barra durant un 74% del temps en què van ocórrer simultàniament megacúspi des i barres crescèntiques. El tipus d’acoblament era variable i depenia de l’alçada i l’angle de l’onatge, ja que probablement determinen el patró de corrent sobre la barra crescèntica. En general, aquesta tesi mostra que la dinàmica de les barres crescèntiques depèn molt de la direcció d’onatge i la configuració inicial de la batimetria, destaca la forta relació entre el desenvolupament de les megacúspides i la presència d’una barra crescèntica i proporciona idees sobre els mecanismes físics d’acoblament.

(Neerlandès) De ondiepe (< 10 m) wateren van zandige kusten worden meestal gekenmerkt door een grote verscheidenheid aan morfologische patronen, welke ontstaan als gevolg van de interacties tussen golven, stromingen en de morfologie. Veelvoorkomende patronen zijn een of meerdere kustnabije zandbanken die qua configuratie variëren van parallel langs de kust tot crescentisch, waarbij de laatste gekenmerkt worden door een kustlangse ritmische (golvende) periodiciteit. Crescentische zandbanken zijn vaak morfologisch gekoppeld aan soortgelijke ritmische patronen in de kustlijn die megacusps worden genoemd. Het begrijpen van de evolutie van kustnabije zandbanken en hun koppeling met de kustlijn is belangrijk aangezien ze de morfologie en hydrodynamica in ondiep water aanzienlijk beïnvloeden. De kustlangse variabiliteit van zandbanken is in het verleden al uitgebreid bestudeerd, maar vooral op stranden met aanzienlijke getijden en gemiddeld tot hoog-energetische golven. Daarnaast zijn er nog veel open vragen omtrent de dynamica van megacusps en hun koppeling met crescentische zandbanken. Dit proefschrift maakt gebruik van bijna 8 jaar aan uurlijkse videobeelden om de ontwikkeling en interacties van crescentische zandbanken en megacusps te bestuderen op het open, laag-energetische strand met verwaarloosbaar getij van Castelldefels (noordwestelijke Middellandse Zee, Spanje). Om dit te doen zijn nauwkeurige golfcondities op ondiep water noodzakelijk die op verschillende manieren kunnen worden verkregen. Voor Castelldefels werd de nauwkeurigheid bepaald van twee beschikbare grootschalige golfmodellen en het propageren van gemeten golfcondities (geïntegreerde golfparameters en 2D spectra in frequentie en richting) met behulp van golfstraaltheorie of het SWAN-golfmodel. Door de resultaten van de verschillende methoden te vergelijken met een korte-termijn dataset van metingen ter plaatse bleek dat het propageren van gemeten 2D spectra in richting en frequentie met behulp van SWAN de meest nauwkeurige voorspellingen opleverde voor alle golfparameters. De andere methodes resulteerden in grotere fouten in golfrichting, doordat refractie tijdens bimodale golfklimaten en schuin-invallende golven werd onderschat. De videobeelden en de golfcondities per uur in ondiep water voor het strand van Castelldefels (verkregen met de optimale propagatiemethode) werden vervolgens gebruikt om de dynamica van crescentische zandbanken en megacusps en de gerelateerde morfologische koppeling te onderzoeken. Crescentische zandbanken kwamen vaak voor tijdens de studieperiode (48% van de tijd), maar alleen wanneer de gemiddelde kustlangse afstand tussen de zandbank en de kustlijn groter was dan 10 m. Ze vertoonden een grote variatie in golflengtes (100–700 m), kustlangse migratiesnelheden (0–50 m/dag) en kustdwarse amplitudes (5– 20 m). Laag tot gemiddeld-energetische golven met een relatief kleine invalshoek (θ ≲ 20○ op 10 m diepte) domineerden tijdens de vorming van crescentische zandbanken, terwijl gemiddeld tot hoog-energetische golven met een grote invalshoek (θ ≳ 15○) dominant waren bij het rechttrekken van crescentische zandbanken. Deze waargenomen reikwijdtes in golfhoek zijn in tegenspraak met de resultaten van bestaande morfologische modellen. Megacusps waren aanwezig gedurende 24% van de studieperiode en crescentische zandbanken waren aanwezig gedurende 91% van alle dagen met megacusps, terwijl megacusps slechts gedurende 50% van alle dagen met crescentische zandbanken voorkwamen. De golflengtes van de megacusps en de crescentische zandbanken waren vergelijkbaar (100–700 m), maar de kustdwarse amplitudes (3–8 m) en de kustlangse migratiesnelheden (0–15 m/dag) van de megacusps waren aanzienlijk kleiner. De dynamica van de megacusps was niet sterk gerelateerd aan de golfcondities en ze ontstonden meestal een paar dagen na de vorming van een crescentische zandbank, wat aangeeft dat megacusps afhankelijk zijn van de aanwezigheid van een crescentische zandbank. Significante morfologische koppeling tussen zandbank en kustlijn was aanwezig gedurende 74% van de tijd waarin megacusps en crescentische zandbanken gelijktijdig voorkwamen. Het koppelingstype was variabel en hing af van de golfhoogte en golfhoek, aangezien deze vermoedelijk het stromingspatroon over de binnenste crescentische zandbank bepalen. Alles overziend toont dit proefschrift aan dat de dynamica van crescentische zandbanken sterk afhangt van de golfrichting en de initiële bathymetrische configuratie, benadrukt het dat de ontwikkeling van megacusps sterk afhangt van de aanwezigheid van een crescentische zandbank en geeft het enkele ideeën betreffende de onderliggende fysische mechanismen die van invloed kunnen zijn op het ontstaan van de verschillende koppelingstypes