Op weg naar een beter begrip en numerieke simulatie van golf- en sedimentdynamiek in de ondiepe kustzone

Kustgebieden zijn wereldwijd populaire bestemmingen voor mensen om te leven, te werken of te onstpannen, nochtans worden ze op grote schaal bedreigd door erosie-en overstromingsrisico’s, gelinkt aan de stijging van de zeespiegel en zware stormen. Het begrip, en de korte-en langetermijnvoorspellingen van de nabij de kust gelegen hydro-en morfodynamica blijven dus essentieel om beleidsmakers te helpen om de veiligheid van de kust te waarborgen en kosteneffectieve beschermingsstrategieën te ontwikkelen. Om deze reden is de dynamica van golven, stromingen en sedimenten in de nabij de kust gelegen gebieden de focus geweest van vele eerder uitgevoerde onderzoeken, meer bepaald in de laatste drie decennia, alhoewel deze nog lang niet opgelost en volledig begrepen zijn.

De huidige studie draagt bij tot het verbeteren van het begrip en de numerieke voorspellingen voor golf- en sedimentdynamiek in de shoaling zone. Het eerste doel is het onderzoeken van het gebonden infragravity (IG) golfgedrag voor een niet-vlakke bodem. Deze studie wordt gemotiveerd door de verkeerde schatting van het energieniveau van een lange golf volgens de huidige beschikbare methode, voorgesteld onder de lokale evenwichtshypothese voor een nietvlakke bodem (Longuet-Higgins and Stewart, 1960) (LHS60). Die aanname geldt niet voor een hellende bedding, die typisch voorkomt in een nearshore shoalingzone (Fiedler et al., 2018). In deze studie hebben we de semianalytische oplossing toegepast die wordt voorgesteld door Schäffer (1993), waarvoor een nieuwe methode werd voorgesteld om de gebonden en vrije lange golven in de shoalingzone te scheiden, aangezien de oorspronkelijke oplossing alleen het overlappende energieniveau hiervan aangeeft. We hebben 1344 combinatiesets voor near-shore parameters bestudeerd, waaronder variërende offshore waterdiepte, bodemhelling en inkomende kortegolfparameters. Voor milde golfcondities (golfhoogte ≤ 0.5m) werd vastgesteld dat de bound wave shoaling correleert met de dimensieloze beddinghelling . Wanneer de inkomende golfhoogte echter ongeveer 1mbereikt, komt de gemiddelde primaire golffrequentie in het spel. Er is geen algemene shoaling law geformuleerd, zelf niet voor het eenvoudigste geval van een constante helling. Een gedetailleerde analyse bevestigde een overschatting van de evenwichtsoplossing door LHS60.
Die overschatting is het meest significant gebleken voor inkomende korte golven met een kleine golfsteilheid in de offshore-zone. In de parametriseringsstudie is een correctie van de evenwichtsoplossing van LHS60 afgeleid, en de validiteit ervan is geverifieerd door een vergelijking met een laboratoriumexperiment met hoge resolutie onder bichromatische golfomstandigheden. qDaarnaast is de faseverschuiving tussen de kortegolfgroepen en de IG-golven bediscussieerd. In het binnenste van de shoaling-zone blijken de gebonden IG-golffasen nog steeds sterk te worden bepaald door de local forcing van kortegolfgroepen, zoals opgemerkt door Baldock (2006). Voor het near-resonant geval vormen de gebonden IG-golven de tegenfase van de korte golfgroepen, en een grotere faseverschuiving in de shoaling-zone zou het resultaat kunnen zijn van superpositie van inkomende vrije IG-golven.
Het tweede doel van dit proefschrift is het onderzoeken van sheet flow onder toenemende golven en de verbeterde dissipatie van de golfbodem. Nauwkeurige voorspellingen van cross-shore sedimenttransport onder stormcondities blijven moeilijk, zonder dat er consensus is bereikt voor de golfdominante kusten. Bovendien is in eerdere studies nooit rekening gehouden met de dissipatie van golfenergie volgens de voortplanting. In dit onderzoek worden voor het eerst de sheet flow onder progressieve golven en de versterkte dissipatie van golfenergie als geheel bestudeerd door het gebruik van een meerfasig stromingsmodel (Ouda and Toorman, 2019). Dit procesgebaseerde model verklaart niet alleen de verticale en horizontale structuur van de intragolf- dynamica en de zandconcentratievelden, maar omvat ook de complexe mechanismen in termen van de partikel-water, partikel-turbulentie en partikelpartikel-interacties. Het model werd eerder gevalideerd onder verschillende scenario’s variërend van enkelvoudige sedimentatie tot turbulente sheet flow en golfgeïnduceerde scour onder een onderzeese pijpleiding (Ouda and Toorman, 2019). In deze thesis wordt allereerst een validerende testcase voor oscillerende stromingen in U-tunnel voorgesteld, waarbij het experimentele sedimentgedrag, de erosiediepte en het snelheidsprofiel goed zijn vastgelegd door het model. Dit wordt gevolgd door een tweede validerende testcase van sheet flow dynamics
onder progressieve golven, die ook dient voor een diepgaande analyse en parametriseringsstudie. Hieruit blijkt dat de golfwrijvingsfactor, die wordt
gebruikt om de Shields-parameter en het zandtransport te evalueren, en de golfdissipatiefactor, die de golfgemiddelde hydraulische gradiënt volgt,
niet kunnen worden aangenomen als gelijk in het sheet flow regime. De eerste parametriseert de totale shear stress voor het sedimenttransport, en
de laatste omvat alle mechanismen die bijdragen aan de dissipatie van golfenergie, inclusief de partikel-botsingen en partikel-turbulentie-interactie.
Onder oscillerende stroming worden de zanddeeltjes voortdurend opgehaald en neergelegd binnen een golfcyclus, wat resulteert in een niet te verwaarlozen effect van partikelbotsingen. De equivalente ruwheidshoogte van Wilson (1989) (ongeveer 10d50), gekoppeld aan de zandstroom van Ribberink (1998), blijkt het fase-afhankelijke zandtransport onder golven goed vast te leggen. Voor het berekenen van de golfdissipatiefactor moet een grotere ruwheidshoogte zoals aangegeven in Grant and Madsen (1982) (ongeveer 500d50) worden onderzocht. Die hoogte was aanvankelijk afgeleid op basis van op de golfenergiemetingen in een oscillerende watertunnel van Carstens et al. (1969), wat een verwaarloosbare impact betekent door progressive wave streaming op energiedissipatie.