Physics of eroding coastal berm-dune systems during extreme waves and storm surges
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Publisher
University of Delaware
Abstract
The exposure of the East Coast and Gulf Coast of the United States to the impact of extreme wave and storm surge events is expected to increase in the next decades. The projected intensity of coastal hazards requires a closer investigation of the response of dunes and berms to coastal floods to assess their efficiency and maximize the benefits of mitigation measures. A near prototype-scale laboratory study was conducted to investigate the sedimentary processes across a rapidly eroding berm-dune system and relate them to the changes in the beach profile. The profile was tested under surge and wave events from a segment of Hurricane Sandy recorded between October 29-30, 2012. Sensors were used to quantify hydrodynamics, sheet flow dynamics, and dune evolution. Results indicate that swash zone dynamics played a crucial role in the transformation of the dune profile. Offshore sediment transport with intermittent accretion between the sensor stations was documented. Sheet layer sediment transport dominated the suspended load between the mid and landward swash zone, but the suspended sediment transport prevailed under wave breaking and bore-induced turbulence in the inner-surf region. Net offshore-directed transport was dominant when infragravity motions increased in the swash zone. Conversely, the influence of incident-band motions on sediment transport was relatively greater in the inner-surf zone. The berm eroded during the early storm stage while the water depth was 2.15 m, owing to runup and wave overtopping. During the berm morphological evolution, the landward extent of that energy was confined to the seaward foreshore inhibiting inundation of the backshore. Moreover, two sand bars were formed offshore that attenuated subsequent wave energy. Dune scarping was monitored when the maximum forcing conditions were examined, near the peak of the Hurricane. This study provides a unique, large dataset of intra-event swash and inner-surf zone records in addition to a rare and valuable analysis between morphology-estimated total sediment transport rates and rates derived from in situ measurements. Corresponding estimates are of the same order of magnitude and direction.
Se espera que la exposición de muchas costas de todo el mundo al impacto de eventos extremos de olas y marejadas ciclónicas aumente en las próximas décadas. La intensidad proyectada de los peligros costeros requiere una mayor investigación de la respuesta de las dunas y bermas a las inundaciones costeras para evaluar su eficiencia y maximizar los beneficios de las medidas de mitigación. Se llevó a cabo un estudio de laboratorio a escala casi prototipo para investigar los procesos sedimentarios a lo largo de un sistema de dunas y bermas en rápida erosión y relacionarlos con los cambios en el perfil de la playa. El perfil se probó bajo marejadas ciclónicas y eventos de olas de un segmento del huracán Sandy registrado entre el 29 y el 30 de octubre de 2012. Se usaron sensores para cuantificar la hidrodinámica, la dinámica del flujo laminar y la evolución de las dunas. Los resultados indican que la dinámica de la zona swash jugó un papel vital en la transformación del perfil dunar. Se documentó el transporte de sedimentos en alta mar con acreción intermitente entre las estaciones de sensores. El transporte de sedimentos de la capa laminar dominó la carga suspendida entre la zona de swash media y la costa trasera, pero el transporte de sedimentos suspendidos prevaleció bajo el rompimiento de olas y la turbulencia en la región de olas tierra adentro. El transporte neto dirigido mar adentro fue dominante cuando los movimientos de infragravedad aumentaron en la zona de swash. Por el contrario, la influencia de los movimientos de la banda incidente sobre el transporte de sedimentos fue relativamente mayor en la zona de oleaje interior. La berma fue erosionada durante la etapa inicial de la tormenta, mientras que la profundidad del agua era de 2,15 m, debido al desbordamiento de las olas y runup. Durante la evolución morfológica de la berma, la energía del oleaje se limitó mar adentro, lo que inhibió la inundación de la zona costera. Además, se formaron dos bancos de arena en alta mar que atenuaron la energía de las olas posteriores. La formación de scarp fue monitoreada cerca del pico del huracán.Este estudio proporciona un conjunto de datos grande y único de registros obtenidos durante el impacto de grandes olas en la playa, así como un análisis raro y valioso entre las tasas de transporte de sedimentos totales estimadas por morfología y las tasas derivadas de mediciones in situ. Las estimaciones correspondientes son del mismo orden de magnitud y dirección.
Se espera que la exposición de muchas costas de todo el mundo al impacto de eventos extremos de olas y marejadas ciclónicas aumente en las próximas décadas. La intensidad proyectada de los peligros costeros requiere una mayor investigación de la respuesta de las dunas y bermas a las inundaciones costeras para evaluar su eficiencia y maximizar los beneficios de las medidas de mitigación. Se llevó a cabo un estudio de laboratorio a escala casi prototipo para investigar los procesos sedimentarios a lo largo de un sistema de dunas y bermas en rápida erosión y relacionarlos con los cambios en el perfil de la playa. El perfil se probó bajo marejadas ciclónicas y eventos de olas de un segmento del huracán Sandy registrado entre el 29 y el 30 de octubre de 2012. Se usaron sensores para cuantificar la hidrodinámica, la dinámica del flujo laminar y la evolución de las dunas. Los resultados indican que la dinámica de la zona swash jugó un papel vital en la transformación del perfil dunar. Se documentó el transporte de sedimentos en alta mar con acreción intermitente entre las estaciones de sensores. El transporte de sedimentos de la capa laminar dominó la carga suspendida entre la zona de swash media y la costa trasera, pero el transporte de sedimentos suspendidos prevaleció bajo el rompimiento de olas y la turbulencia en la región de olas tierra adentro. El transporte neto dirigido mar adentro fue dominante cuando los movimientos de infragravedad aumentaron en la zona de swash. Por el contrario, la influencia de los movimientos de la banda incidente sobre el transporte de sedimentos fue relativamente mayor en la zona de oleaje interior. La berma fue erosionada durante la etapa inicial de la tormenta, mientras que la profundidad del agua era de 2,15 m, debido al desbordamiento de las olas y runup. Durante la evolución morfológica de la berma, la energía del oleaje se limitó mar adentro, lo que inhibió la inundación de la zona costera. Además, se formaron dos bancos de arena en alta mar que atenuaron la energía de las olas posteriores. La formación de scarp fue monitoreada cerca del pico del huracán.Este estudio proporciona un conjunto de datos grande y único de registros obtenidos durante el impacto de grandes olas en la playa, así como un análisis raro y valioso entre las tasas de transporte de sedimentos totales estimadas por morfología y las tasas derivadas de mediciones in situ. Las estimaciones correspondientes son del mismo orden de magnitud y dirección.