Análisis de bypass de sedimentos en estructuras

Abstract

RESUMEN: Está comprobado que las estructuras costeras constituyen una perturbación del sistema morfológico natural (Kristensen, Dronen, Deigaard, & Elfrink, 2017). En general, la presencia de estructuras conducirá a un avance de la costa aguas arriba y la erosión de la línea de costa aguas abajo de la estructura (DHI, 2016). Para conocer el funcionamiento es imprescindible modelar el comportamiento del sistema. IHCantabria está desarrollando un modelo numérico de evolución de línea de costa llamado CHRONOS y una de las mejoras que aportará CHRONOS frente a otros modelos es el modelado del bypass de sedimentos alrededor de estructuras, estando el presente estudio enmarcado en este contexto. Este estudio tiene como objetivo principal el estudio del fenómeno de bypass alrededor de estructuras, de forma que el proceso pueda ser incluido en el modelo CHRONOS. Con el fin de cumplir este objetivo se plantean los siguientes objetivos específicos los cuales consisten en la determinación de formulaciones empíricas para parametrizar: en primer lugar, la tasa de sedimento que pasa aguas abajo de la estructura, la tasa de bypass, respecto del caudal de sedimento aguas arriba de la estructura. En segundo lugar, la distribución del sedimento de bypass depositado aguas debajo de la estructura que tendrá forma asimétrica con cola asintótica, y en particular la distancia de inicio y la distancia final de afección del bypass. La metodología para alcanzar los objetivos planteados parte de una colección de distintas geometrías (batimetrías y estructuras) y oleajes (Cange, 2017). En los que se obtienen los datos de oleaje, corrientes y transporte en cada nodo de la malla de cálculo. Posteriormente, se realiza un primer tratamiento de estos datos de transporte para caracterizar la tasa de bypass y con esta se realiza un segundo tratamiento de datos para caracterizar las distancias final e inicial y la distribución del sedimento de bypass aguas debajo de la estructura en función de dos parámetros de forma. Finalmente, se procede a la parametrización de las variables de interés que caracteriza el bypass en función de las condiciones de geometría y oleaje. Los resultados obtenidos son cuatro formulaciones empíricas función de la profundidad en rotura y la profundidad en el morro de la estructura. En primer lugar, la tasa de bypass se parametriza en función del cociente entre profundidad en rotura y profundidad en el morro de la estructura. En segundo lugar, la distribución del bypass de sedimentos se ajusta a una función con dos parámetros independientes los cuales son función de la profundidad de rotura y profundidad en el morro de la estructura. En cuanto a la distancia final, se parametriza en función de la profundidad en rotura y se ajusta a una recta con sus dos coeficientes función de la profundidad en el morro de la estructura. Finalmente, se propone emplear la media de los valores obtenidos para cada profundidad en el morro de la estructura por falta de datos para la obtención de la distancia inicial de sedimentación del material procedente del bypass. Cabe destacar que tanto la tasa como distribución del bypass son independientes de la dirección y el periodo del oleaje. Del cálculo de los estadísticos de ajuste se obtiene que los errores son bajos y la correlación alta. Por lo tanto, las formulaciones empíricas que se han determinado podrán ser implementadas en el modelo CHRONOS, permitiendo determinar la cantidad de sedimento de bypass y su distribución en la costa aguas abajo de la estructura a partir de la profundidad en rotura del oleaje y la profundidad en el morro de la estructura. En base a lo expuesto se proponen unas futuras líneas de investigación que, en términos generales, consideran la necesidad de generar otras geometrías con el fin de ampliar la base de datos disponible.

ABSTRACT: It is an established fact that coastal structures constitute a disturbance of the natural morphological coastal system (Kristensen, Dronen, Deigaard, & Elfrink, 2017). In general, the presence of structures will lead to an advance of the upstream coastline and erosion of the coastline downstream of the structure (DHI, 2016). To understand how the system works it is necessary to model its behaviour. IHCantabria is developing a numerical model of coastline evolution called CHRONOS. One of the unique improvements to CHRONOS is the modelling of sediment bypass around structures. The main aim of this work is the study of the bypass phenomenon around structures, so that the process can be included in the CHRONOS model. This was achieved through the following specific objectives, which consist in the determination of empirical formulations to parameterize: first, the sediment rate going downstream of the structure, the bypass rate, in relation to the sediment flow upstream of the structure. Second, the distribution of the bypass sediment deposited downstream of the structure and in particular the starting distance and the final distance of bypass affection. The methodology to obtain the objectives starts in waves, currents and transport data obtained in each node of the calculation mesh, from a collection of different geometrie s (bathymetry and structures) and waves types. Afterwards, these transport data are p rocessed in order to characterize the bypass from the variables of interest: final distanc e, initial distance and distribution function with the variables that define it. Finally, the variables of interest are parameterized so as to characterize the bypass as a function of the geometry and waves conditions. The results obtained are four empirical formulation where the depth at the base of the structure and the depth of wave break are the variables that define it. Firstly, the bypass rate is parameterized as a function of the ratio between depth of wa ve break and depth at the base of the structure.Secondly, the distribution of the sediment bypass is parameterized as a function with t wo independent parameters which are function of depths of wave break and at the ba se of the structure. As for the final distance, it is parameterized according to the depth at break and is fitted to a line with its two coefficients function of the depth at the bas e of the structure. Finally, it is proposed to use the average of the values obtained for each depth at the b ase of the structure due to lack of data to obtain the initial sedimentation distance. It should be noted that the bypass rate and bypass distribution are independent of the direction and period of the wave. From the calculation of correlation and RMSE we obtain that errors are low and the cor relation high. The empirical formulations that have been determined can be implemented in the CHR ONOS model, allowing to calculate the amount of bypass sediment and its distribution in the coastline downstream of the structure from depths of wave break and at the bas e of the structure. According with the above conclusions, future research lines are proposed. In general te rms, the need of generating other geometries is considered to widen the available data base.