Morphodynamics in a beach with submerged breakwaters

Abstract

Nowadays, over 40 percent of the global population lives in coastal areas, where the largest cities in the world are also located. With more people crowding in these vulnerable zones undue pressures are imposed over both land and sea. The combination of human activities and natural processes often results to increased erosion and loss of beaches.Until recently, the great majority of coastal interventions to enhance coastline stability relied on the “hard” protection concept which includes the construction of large structures made of concrete or natural stones, similar to harbour breakwaters. During the recent years, submerged breakwaters have stimulated the scientific interest as a milder alternative solution to conventional emergent ones for coastal defense. The main objective of the present PhD thesis is twofold. At first, to contribute to the understanding of the behaviour of submerged breakwaters. Secondly, to develop an integrated numerical model that simulates the relevant complex hydrodynamic and morphodynamic processes. In addition, the dissertation included the performance of laboratory measurements for also studying these processes experimentally.The first step was to choose the suitable wave model that forms the basis of the specific project. In this context, upgraded versions, with respect to their nonlinear characteristics, of two existing Boussinesq-type models were derived. The final choice of the basic solver was accomplished through a nonlinear mathematical analysis and inter-comparison of a number of different Boussinesq-type wave models.Then, a compound numerical model was developed which combined four different modules. This integrated tool includes: the wave module, the hydrodynamic module for simulating the wave-induced currents, the sediment transport module and the geomorphological module. These modules are successively applied using an automatic coupled procedure for describing short-term bed morphology evolution. The compound model was extended to porous beds and thus it also accounts for wave propagation over permeable submerged breakwaters. The accuracy and efficiency of all the individual modules were checked through a thorough validation against experimental measurements which are available in the international literature. In addition, two horizontal dimensional laboratory experiments were conducted in order to study the morphological evolution of a sandy beach in the lee of a permeable submerged breakwater. These measurements were also used for validating the compound numerical model.Finally, a number of numerical experiments were performed using layouts which included arrays of submerged breakwaters. In particular, the effect of a number of basic design parameters on the shoreline response was studied. Thus, some conclusions and general guidelines were derived for the design of these structures. The dissertation ends with the summary of the main conclusions and some suggestions for further research on the discussed issues.

Σήμερα, πάνω από το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού κατοικεί σε παράκτιες περιοχές, όπου συγκεντρώνεται και η πλειοψηφία των μεγαλουπόλεων. Η υπερσυγκέντρωση πληθυσμών στις ευαίσθητες αυτές ζώνες συνεπάγεται υπερβολικές πιέσεις τόσο στη στεριά, όσο και στη θάλασσα. Ο συνδυασμός των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των φυσικών διεργασιών οδηγεί συχνά στην εκτεταμένη διάβρωση των ακτών.Μέχρι πρόσφατα, τα παράκτια έργα βασίζονταν στη λογική της λεγόμενης «σκληρής» προστασίας, η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή ογκωδών έργων από σκυρόδεμα ή φυσικούς ογκόλιθους, παρόμοια με τους κυματοθραύστες των λιμένων. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι ύφαλοι κυματοθραύστες έχουν κινήσει το επιστημονικό ενδιαφέρον ως μία ηπιότερη εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών για την παράκτια προστασία. Ο βασικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι διπλός. Καταρχάς, να συνεισφέρει στην κατανόηση των συμπεριφοράς των ύφαλων κυματοθραυστών. Κατά δεύτερον, να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό μοντέλο για την προσομοίωση των σύνθετων υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών διεργασιών που σχετίζονται με τα έργα αυτά. Η Διατριβή περιλάμβανε επίσης την εκτέλεση εργαστηριακών μετρήσεων για την επιπλεόν μελέτη των διεργασιών αυτών πειραματικά. Το πρώτο βήμα ήταν η επιλογή του κατάλληλου κυματικού μοντέλου που αποτελεί τη βάση της εργασίας. Στα πλαίσια αυτής εξήχθησαν βελτιωμένες, ως προς τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά τους, εκδόσεις δύο υπάρχοντων μοντέλων τύπου Boussinesq. Η τελική επιλογή της μορφής των βασικών εξισώσεων πραγματοποιήθηκε μέσω μη γραμμικής μαθηματικής ανάλυσης και σύγκρισης διαφόρων μοντέλων τύπου Boussinesq. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα σύνθετο αριθμητικό μοντέλο που συνδυάζει τέσσερα υπομοντέλα σε μία ενιαία μορφή. Το σύνθετο αυτό εργαλείο περιλαμβάνει: κυματικό μοντέλο, υδροδυναμικό μοντέλο για την προσομοίωση των κυματογενών ρευμάτων, μοντέλο παράκτιας στερεομεταφοράς και μοντέλο γεωμορφολογίας. Τα υπο-μοντέλα εφαρμόζονται διαδοχικά, το ένα μετά το άλλο, σε μία αυτοματοποιημένη και ενοποιημένη διαδικασία, με τελικό αποτέλεσμα την προσομοίωση βραχυπρόθεσμων μεταβολών της μορφολογίας του πυθμένα. Μάλιστα, το σύνθετο μοντέλο επεκτάθηκε σε πορώδεις πυθμένες, ώστε να εφαρμόζεται και για διαπερατούς ύφαλους κυματοθραύστες. Η ακρίβεια και αξιοπιστία καθενός από τα υπομοντέλα ελέγχθηκε μέσω εκτενούς επαλήθευσης με πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας.Επιπλέον, εκτελέστηκαν εργαστηριακά πειράματα δύο οριζόντιων διαστάσεων, κατά τη διάρκεια των οποίων μετρήθηκε η εξέλιξη της τοπογραφίας αμμώδους πυθμένα κατάντη διαπερατού ύφαλου κυματοθραύστη. Οι μετρήσεις αυτές χρησίμευσαν και για την επαλήθευση του σύνθετου αριθμητικού μοντέλου. Τέλος, εκτελέστηκε μια σειρά από αριθμητικά πειράματα σε διατάξεις που περιλάμβαναν συστήματα ύφαλων κυματοθραυστών. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η απόκριση της ακτογραμμής στις μεταβολές κάποιων βασικών παραμέτρων σχεδιασμού των ύφαλων κυματοθραυστών. Έτσι, εξήχθησαν κάποια συμπεράσματα και γενικές κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό των έργων αυτών.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη σύνοψη των βασικών συμπερασμάτων και την αναφορά κάποιων προτάσεων για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το αντικείμενο που εξετάστηκε.