The sand transport processes of bar cross-shore migration and beach recovery

Abstract

(English) The sustainable management of coastal regions requires profound understanding of the physical processes that govern them. Here, a central aspect is the onshore and offshore migration of sandbars, transporting large amounts of sediment and re-shaping the coastline. Recently, important insights on their short-term behavior, offshore migration during storm erosion, have been obtained. However, the processes behind their long-term behavior, onshore migration, and the link to beach recovery after storms are still largely unclear. In part, this resulted from the difficulty in measuring small-scale sediment transport processes and replicating them with the available numerical modeling tools. Thus, this thesis aims to improve the understanding of the physical processes that govern sandbar cross-shore migration and beach recovery. To do so, large-scale experiments with bi-chromatic wave groups over a laboratory beach of medium sand were conducted. Detailed measurements were taken in the shoaling and outer breaking zone around migrating bars. Novel acoustic technology provided uncommonly high temporal and vertical resolution of the flow and sediment concentration fields near the bed (lowest 15 cm of the water column), including bedload and sheet flow. Comparison between different wave conditions, cross-shore positions, elevations above the seabed, and process time scales provided novel insights. Additionally, the data was used to test the existing, practical sediment transport formulations and suggest improvements of their use. First, the detailed sediment transport processes governing bar offshore migration under wave groups are investigated. Short waves (wave period smaller than 8.5 s) caused onshore (toward the beach) transport in a thin layer above the seabed. Sediment was suspended into the water column through various processes and wave breaking induced an offshore current (undertow) which transported sand offshore (away from the beach). The suspended offshore transport occurred over a larger vertical extent and drove the bar's offshore migration. Second, the change of bar migration direction during post-storm reduction in wave energy was investigated. The post-storm reduction in wave energy affected the magnitude of current-related transport more importantly than the magnitude of short wave-related transport, resulting in bar onshore migration. This was related to the effects of wave asymmetry, sediment entrainment and mixing, and undertow magnitude -- all dependent on wave breaking. Third, the processes governing bar onshore migration were investigated and linked to beach recovery. The different shape of post-storm, initial beach profiles induced different types of beach profile evolution under the same low energy wave condition. When waves broke onshore of the outer bar, it dissipated and merged with the inner bar during onshore migration. When waves broke close to the outer bar crest, it migrated onshore at constant form. This resulted from wave breaking's influence on the sediment transport processes (and components). Fourth, the measured sediment transport was replicated with numerical models. Practical sediment transport formulations without case-specific calibration were used. In a process-based approach, short wave- and current-related transport were replicated on the basis of bed shear stress. Different bed shear stress estimation methods were investigated and hydraulic roughness was observed to be a key parameter. Suspended transport was replicated on the basis of Rouse profiles, assuming a balance between sediment settling and diffusive upward mixing. Model-data agreement was improved by using higher hydraulic roughness and mixing parameters than traditionally recommended in literature. This resulted from unresolved physical processes like increased energy dissipation within the sheet flow layer and increased mixing through turbulence injected by breaking waves.

(Español) La gestión sostenible de las regiones costeras exige un profundo conocimiento de los procesos físicos que las gobiernan. En este sentido, un aspecto central es la migración de las barras de arena hacia la costa y mar adentro, los cuales transportan grandes cantidades de sedimentos y remodelan el litoral. Los procesos que gobiernan el comportamiento de las barras a largo plazo, la migración hacia la costa, y su relación con la recuperación de las playas tras las tormentas siguen sin estar claros. Esto se debe en parte a la dificultad de medir los procesos de transporte de sedimentos a pequeña escala y reproducirlos con las herramientas de modelización numérica disponibles. En este sentido, esta tesis pretende mejorar la comprensión de los procesos físicos que gobiernan la migración transversal de las barras de arena y la recuperación de las playas. Para ello, se realizaron experimentos a gran escala con grupos de olas bicromáticas sobre una playa idealizada de arena. Se realizaron mediciones detalladas en la zonas de asomeramiento y de rompiente exterior alrededor de las barras de arena. Para ello, se utilizó una novedosa tecnología acústica capaz de proporcionar medidas de velocidad y concentración de sedimentos cerca del fondo marino (los 15 cm más próximos al fondo), incluyendo el transporte por arrastre de fondo y sheet flow con una resolución temporal y vertical extraordinariamente alta. Las medidas a diferentes posiciones transversales a lo largo del perfil de playa y a diferentes elevaciones con respecto al fondo móvil y la elevada resolución temporal han proporcionado nuevos detalles sobre los procesos de transporte. Además, los datos se utilizaron para comprobar las fórmulas prácticas disponibles de transporte de sedimentos y sugerir mejoras en su uso. Las olas cortas (periodo de ola inferior a 8,5 s) provocaron el transporte hacia la costa en una fina capa sobre el fondo marino. El sedimento se suspendió en la columna de agua a través de varios procesos y la rotura de las olas indujo una corriente hacia mar adentro (corriente de resaca) causando el transporte de sedimentos hacia mar adentro. El transporte en suspensión hacia mar adentro se produjo en una extensión vertical mayor y causó la migración mar adentro de la barra. La reducción de la energía de las olas tras la tormenta afectó a la magnitud del transporte relacionado con la corriente de forma más importante que a la magnitud del transporte relacionado con las olas cortas, dando lugar a una migración de la barra hacia la costa. Esto estaba relacionado con los efectos de la asimetría de las olas, el arrastre y procesos de mezcla de sedimentos y la magnitud de la corriente de resaca, todos ellos dependientes de la rotura del oleaje. Se observó que la diferente forma de los perfiles de playa tras la tormenta indujo diferentes tipos de evolución del perfil de playa bajo el mismo oleaje de baja energía. La barra se disipó y se fusionó con la barra interior durante la migración hacia la costa cuando las olas rompieron más cerca de la costa. La barra migró hacia la costa de forma constante cuando las olas rompían cerca de la barra. Esto se debió a la influencia de la rotura del oleaje en los procesos (y componentes) de transporte de sedimentos. Con un enfoque claro hacia el modelado de los procesos de transporte, el transporte relacionado con las olas cortas y las corrientes se reprodujo sobre la base del esfuerzo cortante en el fondo. Se investigaron diferentes métodos de estimación del esfuerzo cortante del fondo y se observó que la rugosidad hidráulica era un parámetro clave. El transporte en suspensión se reprodujo a partir de perfiles de Rouse, asumiendo un equilibrio entre la caída de grano y la mezcla difusiva ascendente. La concordancia entre el modelo y los datos mejoró al utilizar parámetros de rugosidad hidráulica y parametros de mezcla más elevados que los recomendados tradicionalmente en la bibliografía. Esto se debió a procesos físicos no resueltos.