Sediment transport in coastal environments with mixed sand beds

Abstract

Sediment dynamics is a complex subject, playing an important role in coastal areas. The interaction between the wave action and sediment particles is determinant to understand sediment transport. The knowledge of sediment transport in sand mixtures is relevant as the coastal zone usually presents large heterogeneities of sediment particles sizes in the horizontal and vertical directions, which denote the existence of selective transport process. The goal of the present study was to understand selective sand transport mechanisms associated with wave-dominated conditions. To achieve the proposed objective, the work was supported by several approaches to give insights into the processes associated with heterometric sediment transport. The first approach consisted in a review of the literature to understand what is known and the lack of knowledge in the subject. The second approach consisted in performing a set of experiments with fluorescent sand tracers in natural conditions, at the field, and in a controlled environment, at the laboratory. The experiment conducted at Patos beach, Spain, aimed to observe the behavior of the native sand in the natural environment. The one performed at a large wave flume (Großer Wellenkanal, GWK) in Hannover, considered distinct sediment mixtures under two wave conditions. In both, measurements of the total and fractional transport were made. Finally, a quasi-steady and a semi-unsteady model were considered to calculate the net sediment transport of a large data set, for uniform and graded sand, allowing to identify limitations of the models and to propose new methodologies to obtain more adequate results. The experimental results obtained in the field allowed to observe the tracer transport towards the beach, in the wave direction, and to characterize the transport of the different fractions of the tracer in terms of the hydrodynamic processes. The laboratory experiment allowed to verify the occurrence of interaction between the sand fractions, with the finer (coarser) sediment decreasing (increasing) their transport, as the percentage of coarse sand in the bed mixture increases. The validation of the models was conducted and their performance was improved with the introduction of parameters related to surface wave streaming effects and bedforms.

A dinâmica sedimentar é um tema complexo, desempenhando um papel importante nas zonas costeiras. A interação entre a ação das ondas e as partículas de sedimento é determinante para compreender o transporte sedimentar. O conhecimento do transporte de sedimentos heterométricos é relevante uma vez que a zona costeira apresenta geralmente grandes heterogeneidades na dimensão das partículas sedimentares nas direções horizontal e vertical, o que denota a existência de processos seletivos de transporte. O presente estudo teve como objetivo compreender os mecanismos de transporte seletivo de areia associados a condições hidrodinâmicas dominadas pelas ondas e considerou diferentes abordagens para evidenciar os processos que intervêm no transporte de sedimentos heterométricos. A primeira abordagem consistiu numa revisão da literatura para compreender o conhecimento atual e as lacunas existentes. A segunda abordagem consistiu na realização de um conjunto de experiências com traçadores de areia fluorescente em condições naturais, no campo, e em ambiente controlado, no laboratório. A experiência realizada na praia de Patos, Espanha, visou observar o comportamento da areia nativa em ambiente natural. A experiência realizada no grande canal de ondas (Großer Wellenkanal, GWK) em Hannover, considerou misturas de sedimentos com granulometrias distintas sob duas condições de ondas. Em ambas as experiências, foram feitas medições do transporte total e fracionado. Finalmente, um modelo quase-estacionário e um modelo semi-não estacionário foram considerados para calcular as taxas de transporte sedimentar de um grande conjunto de dados experimentais, para areia uniforme e heterométrica, permitindo identificar limitações dos modelos e propor novas metodologias para obter resultados mais adequados. Os resultados experimentais obtidos no campo permitiram observar o transporte do traçador em direcção à praia, na direcção das ondas, e caracterizar o transporte das diferentes frações do traçador em termos dos processos hidrodinâmicos. A experiência laboratorial permitiu verificar a ocorrência de processos de interação no transporte das diferentes frações de areia, com a fração mais fina do sedimento (mais grosseira) a diminuir (aumentar) o seu transporte, à medida que a percentagem de areia grosseira na mistura do leito de fundo aumenta. A validação dos modelos foi realizada e o seu desempenho foi melhorado com a introdução de parâmetros relacionados com os efeitos de streaming e formas de fundo.