Coastal Sediment Dynamics Under Asymmetric Waves and Currents: Measurements and Simulations

Abstract

As waves travel and shoal towards a beach, their surface elevation becomes peaky (sharp crests) and asymmetric relative to the vertical. Within a wave period, the corresponding orbital velocity near the bottom shows a similar (time) variation, presenting both velocity and acceleration skewnesses. These local nonlinearities are inextricably linked to sediment transport, but the processes involved are not well understood. This research intends to increase the understanding of cross-shore sediment transport processes under combined nonlinear waves plus currents, focusing on the importance of the velocity and acceleration skewnesses in sheet flow layer dynamics. For that purpose, new experimental and modelling work are presented in this thesis. Firstly, new experiments under sheet flow conditions conducted in an oscillating water tunnel (OWT) are reported, enabling to study the effects of flow acceleration on instantaneous velocities and sediment concentrations and fluxes. The measured net transport rates show that (i) the acceleration skewness in an oscillatory flow is responsible for a net sediment transport in the direction of the highest (onshore) acceleration; (ii) the net transport in the presence of an opposing current is negative, against the direction of the highest acceleration, and reduces with an increase in flow acceleration; and (iii) the velocity skewness increases the values of the net onshore transport rates. This trend is also confirmed through detailed velocity and concentration measurements in the sheet-flow layer. Two mechanisms play a key role in the sediment transport of acceleration skewness flows, namely, skewed bed shear stresses and unsteady phase-lag effects between the velocity and sediment concentration: they both drive a positive net transport in the direction of the largest acceleration. Afterwards, a new simple analytical formulation that reproduces a skewed, nonlinear, near-bed wave orbital velocity is presented. Two input parameters are related to the velocity and acceleration skewnesses. The equation is compared with other models and validated against field and laboratory experiments. The results reveal that it can simulate accurately a wide range of nonlinear wave shapes. The new expression is used to derive a new bed shear stress estimator accounting for these nonlinear effects. When tested against bed shear stress measurements of the OWT experiment, a good agreement with the momentum-integral method estimate is obtained. The parameterisation is incorporated in a quasi-steady bed load formula and is tested against the measured net transport rates in several OWT experiments. When compared with other sediment transport formulations the new model accurately reproduces transport rates under nonlinear, nonbreaking waves with and without an opposing current. Finally, the same bedload shear stress predictor is applied to predict the bed changes in the surf region in front of a collapsing coastal dune, in a laboratory experiment.

À medida que uma onda se propaga para a costa e a profundidade diminui, a superfície livre evolui, tornando-se pontiaguda sobre a crista da onda, mais achatada na cava e relativamente íngreme na face frontal da crista, previamente à rebentação. No período da onda, a velocidade orbital junto ao fundo exibe variações temporais semelhantes, apresentando assimetrias na velocidade e na aceleração. Estas não linearidades estão inextrincavelmente ligadas ao transporte sedimentar, mas subsiste um desconhecimento dos processos envolvidos. Este trabalho de investigação pretende contribuir para um melhor entendimento dos processos de transporte sedimentar na direcção transversal à costa, sob a acção combinada de ondas assimétricas e correntes, evidenciando a importância das assimetrias da velocidade e da aceleração na dinâmica da camada de sedimentos em regime de leito plano superior (“sheet flow”). Com esse propósito, esta tese apresenta novos trabalhos experimentais e de modelação. Inicialmente, apresentam-se novas experiências realizadas em túnel de ondas em condições (configuração de fundo) de leito plano superior, que permitem avaliar o efeito da aceleração em escoamentos oscilatórios, no campo de velocidade orbital e na concentração e fluxos de sedimentos. As taxas de transporte sedimentar calculadas experimentalmente revelam que (i) a assimetria da aceleração de um escoamento oscilatório é responsável por um transporte efectivo no sentido da maior aceleração (para sotamar); (ii) o transporte é negativo na presença de uma corrente colinear oposta ao do sentido da maior aceleração, mas é minorado com um aumento da aceleração; (iii) a assimetria da velocidade aumenta os valores da taxa de transporte sedimentar em direcção à linha de costa. Esta tendência é igualmente confirmada através de medições detalhadas de velocidades e concentrações dentro da camada de “sheet flow”. Os resultados evidenciam dois mecanismos que desempenham um papel primordial no transporte sedimentar de escoamentos oscilatórios na presença de acelerações assimétricas, nomeadamente, a assimetria das tensões de atrito junto ao fundo e efeitos associados ao desfasamento entre velocidades e concentrações de sedimentos: ambos conduzem a um transporte positivo na direcção da maior aceleração. Posteriormente, apresenta-se uma expressão analítica eficaz na reprodução de velocidades orbitais junto ao fundo sob a acção de ondas não lineares. Dois parâmetros intervenientes nesta expressão estão relacionados com as assimetrias da velocidade e aceleração do escoamento. A equação é comparada com outros modelos e validada com resultados experimentais de trabalhos de campo e laboratoriais. Mostra-se que a expressão simula adequadamente um vasto número de formas de ondas assimétricas. A nova expressão é utilizada na obtenção de um estimador de tensões de atrito que entra com essas formas não lineares. Quando comparada com estimativas de tensões de atrito obtidas através do método “momentum-integral”, em experiências em túnel de onda, obtém-se uma boa concordância. A parametrização é incorporada num modelo de transporte por arrastamento quase-estacionário e o seu desempenho é avaliado para medições de transporte obtidos em diversos túneis de ondas. Confrontada com outras formulações, o novo modelo revela-se promissor na estimativa do transporte sedimentar sob ondas não rebentadas assimétricas e que possam coexistir com correntes opostas. Finalmente, o mesmo modelo de transporte é aplicado para prever mudanças morfológicas, medidas em laboratório, na região de espalho (“surf”) em frente a uma duna colapsante.