Practical case with regard to applying the functional and environmental method to low crest level, detached breakwaters

The research work as presented in this article covers the design of detached breakwaters since they constitute a type of coastal defence work with which to combat many of the erosion problems found on beaches in a stable, sustainable fashion. The main aim of this work is to formulate a functional and environmental (but not structural) design method, enabling the fundamental characteristics of a detached breakwater to be defined as a function of the effect it is wished to induce on the coast, and taking into account variables of a different nature (climate, geomorphology and geometry) influencing the changes the shoreline undergoes after its construction. With this article, it is intended to submit the final result of the investigation undertaken, applying the detached breakwater design method as developed to solving a practical case. Thus it may be shown how the method enables a detached breakwater’s geometric pre-sizing to be tackled at a place on the coast with certain climate, geomorphology and littoral dynamic characteristics, first setting the final state of equilibrium it is wanted to obtain therein after its construction.

Modelización de costas rocosas acantiladas

El retroceso de las costas acantiladas es un fenómeno muy extendido sobre los litorales rocosos expuestos a la incidencia combinada de los procesos marinos y meteorológicos que se dan en la franja costera. Este fenómeno se revela violentamente como movimientos gravitacionales del terreno esporádicos, pudiendo causar pérdidas materiales y/o humanas. Aunque el conocimiento de estos riesgos de erosión resulta de vital importancia para la correcta gestión de la costa, el desarrollo de modelos predictivos se encuentra limitado desde el punto de vista geomorfológico debido a la complejidad e interacción de los procesos de desarrollo espacio-temporal que tienen lugar en la zona costera. Los modelos de predicción publicados son escasos y con importantes inconvenientes: a) extrapolación, extienden la información de registros históricos; b) empíricos, sobre registros históricos estudian la respuesta al cambio de un parámetro; c) estocásticos, determinan la cadencia y magnitud de los eventos futuros extrapolando las distribuciones de probabilidad extraídas de catálogos históricos; d) proceso-respuesta, de estabilidad y propagación del error inexplorada; e) en Ecuaciones en Derivadas Parciales, computacionalmente costosos y poco exactos. La primera parte de esta tesis detalla las principales características de los modelos más recientes de cada tipo y, para los más habitualmente utilizados, se indican sus rangos de aplicación, ventajas e inconvenientes. Finalmente como síntesis de los procesos más relevantes que contemplan los modelos revisados, se presenta un diagrama conceptual de la recesión costera, donde se recogen los procesos más influyentes que deben ser tenidos en cuenta, a la hora de utilizar o crear un modelo de recesión costera con el objetivo de evaluar la peligrosidad (tiempo/frecuencia) del fenómeno a medio-corto plazo. En esta tesis se desarrolla un modelo de proceso-respuesta de retroceso de acantilados costeros que incorpora el comportamiento geomecánico de materiales cuya resistencia a compresión no supere los 5 MPa. El modelo simula la evolución espaciotemporal de un perfil-2D del acantilado que puede estar formado por materiales heterogéneos. Para ello, se acoplan la dinámica marina: nivel medio del mar, cambios en el nivel medio del lago, mareas y oleaje; con la evolución del terreno: erosión, desprendimiento rocoso y formación de talud de derrubios. El modelo en sus diferentes variantes es capaz de incluir el análisis de la estabilidad geomecánica de los materiales, el efecto de los derrubios presentes al pie del acantilado, el efecto del agua subterránea, la playa, el run-up, cambios en el nivel medio del mar o cambios (estacionales o interanuales) en el nivel medio de la masa de agua (lagos). Se ha estudiado el error de discretización del modelo y su propagación en el tiempo a partir de las soluciones exactas para los dos primeros periodos de marea para diferentes aproximaciones numéricas tanto en tiempo como en espacio. Los resultados obtenidos han permitido justificar las elecciones que minimizan el error y los métodos de aproximación más adecuados para su posterior uso en la modelización. El modelo ha sido validado frente a datos reales en la costa de Holderness, Yorkshire, Reino Unido; y en la costa norte del lago Erie, Ontario, Canadá. Los resultados obtenidos presentan un importante avance en los modelos de recesión costera, especialmente en su relación con las condiciones geomecánicas del medio, la influencia del agua subterránea, la verticalización de los perfiles rocosos y su respuesta ante condiciones variables producidas por el cambio climático (por ejemplo, nivel medio del mar, cambios en los niveles de lago, etc.). The recession of coastal cliffs is a widespread phenomenon on the rocky shores that are exposed to the combined incidence of marine and meteorological processes that occur in the shoreline. This phenomenon is revealed violently and occasionally, as gravitational movements of the ground and can cause material or human losses. Although knowledge of the risks of erosion is vital for the proper management of the coast, the development of cliff erosion predictive models is limited by the complex interactions between environmental processes and material properties over a range of temporal and spatial scales. Published prediction models are scarce and present important drawbacks: extrapolation, that extend historical records to the future; empirical, that based on historical records studies the system response against the change in one parameter; stochastic, that represent of cliff behaviour based on assumptions regarding the magnitude and frequency of events in a probabilistic framework based on historical records; process-response, stability and error propagation unexplored; PDE´s, highly computationally expensive and not very accurate. The first part of this thesis describes the main features of the latest models of each type and, for the most commonly used, their ranges of application, advantages and disadvantages are given. Finally as a synthesis of the most relevant processes that include the revised models, a conceptual diagram of coastal recession is presented. This conceptual model includes the most influential processes that must be taken into account when using or creating a model of coastal recession to evaluate the dangerousness (time/frequency) of the phenomenon to medium-short term. A new process-response coastal recession model developed in this thesis has been designed to incorporate the behavioural and mechanical characteristics of coastal cliffs which are composed of with materials whose compressive strength is less than 5 MPa. The model simulates the spatial and temporal evolution of a cliff-2D profile that can consist of heterogeneous materials. To do so, marine dynamics: mean sea level, waves, tides, lake seasonal changes; is coupled with the evolution of land recession: erosion, cliff face failure and associated protective colluvial wedge. The model in its different variants can include analysis of material geomechanical stability, the effect of debris present at the cliff foot, groundwater effects, beach and run-up effects, changes in the mean sea level or changes (seasonal or inter-annual) in the mean lake level. Computational implementation and study of different numerical resolution techniques, in both time and space approximations, and the produced errors are exposed and analysed for the first two tidal periods. The results obtained in the errors analysis allow us to operate the model with a configuration that minimizes the error of the approximation methods. The model is validated through profile evolution assessment at various locations of coastline retreat on the Holderness Coast, Yorkshire, UK and on the north coast of Lake Erie, Ontario, Canada. The results represent an important stepforward in linking material properties to the processes of cliff recession, in considering the effect of groundwater charge and the slope oversteeping and their response to changing conditions caused by climate change (i.e. sea level, changes in lakes levels, etc.).

Numerical models for coastal zone management

The basic equations for modelling two-dimensional hydrodynamics and transport in estuaries and coastal regions have been developed. By using the finite element method, it is possible to transform the model into a discretized counterpart. The model has been applied in order to study the dispersion of an effluent within the Bay of Santander. The results obtained by means of a computer program are discussed.

Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.

Lugares adecuados para la utilización de nuevos materiales y formas con geotextiles en la gestión integral de la zona litoral como protección ambiental

La erosión costera es un fenómeno que ha cobrado importancia durante los últimos años, debido a sus repercusiones tanto en el turismo, como en el incremento de riesgo para las infraestructuras y para la población allí ubicada. Se define como el retroceso progresivo de la línea de costa cuyas causas pueden ser de origen natural o antropogénicas. La costa merece la máxima protección, y su gestión debe asegurar su integridad física y su libre acceso, al igual que un uso público por parte de todos. En este horizonte, la reducción de costes, la facilidad de construcción y velocidad de realización, las obras de geotextil se han mostrado como una alternativa muy seria a las obras duras u obras clásicas, tradicionalmente realizadas a lo largo de las costas. Pero esta alternativa de uso conlleva un mayor conocimiento en el comportamiento de éstas, su diseño y durabilidad. Las obras de geotextil, como su nombre indica, se realizan con elementos tridimensionales de geotextil (cosidos o no cosidos) rellenos de arena. Estos elementos se pueden considerar innovadores, económicos, ecológicos y alternativos frente a los tradicionales. Se distinguen tres tipos denominados: sacos, tubos y contenedores. El principal objetivo de esta tesis se centra en la determinación de las zonas de la costa apropiados para la utilización de estructuras compuestas de elementos de geotextil rellenos de arena, como obras de defensa de costas, con el fin de facilitar su uso en la ingeniería de costas. Para ello se ha clasificado tanto las distintas zonas del perfil longitudinal de una playa, como los tipos de costa en función de la variable altura de ola significante. Se han determinado las limitaciones de esta variable en las distintas fórmulas de estabilidad de estas estructuras. Y finalmente, en función de la máxima limitación de altura de ola significante y de sus posibles valores en las zonas y tipos de costa, se han determinado las zonas más apropiadas para el uso de las estructuras compuestas por elementos de geotextil. Finalmente se han redactado las conclusiones de la investigación y se han propuesto nuevas líneas de investigación relacionadas con esta Tesis Doctoral. Coastal erosion is a phenomenon that has become more important in recent years because of its impact on both on tourism, and increased risk to infrastructure and the population located there. It is defined as the gradual decline in the coastline whose causes may be natural or anthropogenic origin. The coast deserves maximum protection, and management should ensure their physical integrity and their free access, as well as public use by all. In this line, cost reduction, ease of construction and completion rate, geotextile works have been shown as a very serious to hard works or classics alternative, traditionally performed along the coasts. But this alternative use entails greater insight into the behaviour of these, design and durability. Works of geotextile, as its name suggests, are made with three-dimensional elements of geotextile (sewn or stitched) filled with sand. These items can be considered innovative, economic, and ecological alternative compared to traditional. Bags, tubes and containers, three known types are distinguished. The main objective of this thesis focuses on determining the appropriate areas of the coast for the use of composite structures of elements filled geotextile sand as coastal defence works, in order to facilitate their use, in coastal engineering. For it, has been classified by both the different areas of the longitudinal profile of a beach as the shoreline types depending on the variable significant wave height. We have determined the limitations of this variable in the different formulas stability of these structures. And finally, depending on the maximum limitation of significant wave height and its possible values in the areas and types of coastline, have determined the most appropriate for use in structures composed of elements of geotextile areas. Finally, the conclusions of the research have been addressed and the proposal of new lines of work related to the topic has been made.

La construcción del espacio litoral : el caso de la costa de Cartagena

El litoral ha constituido a lo largo de la historia una importante fuente de recursos económicos además de un punto estratégico para la defensa del territorio. El comercio, la pesca o la industria de la sal han propiciado la formación de poblaciones y ciudades al borde del mar. La costa funcionó como un ámbito defensivo, peligroso e insalubre durante siglos donde el mar modulaba el frente costero sin grandes interacciones con un entorno prácticamente deshabitado. A mediados del siglo XIX, las innovaciones técnicas y la pacificación definitiva del Mediterráneo permiten poner en valor sus características naturales y de oportunidad. Sin perder del todo su valor defensivo, el litoral resurge como recurso productivo y como lugar de ocio y disfrute de la población. El valor estratégico de la costa quedará también reflejado en el marco normativo. El derecho civil moderno recuperará el concepto de Dominio público Marítimo Terrestre a través de la Ley de Aguas de 1866 que regulará también los usos y las limitaciones en la propiedad privada litoral. Desde ese momento, las transformaciones económicas, sociales, jurídicas y ambientales van a provocar un cambio significativo en la relación entre la sociedad y la costa que dará paso a la construcción del espacio litoral que hemos heredado. Desde la triple perspectiva del litoral como sistema físico ambiental, sistema económico, productivo y cultural, y sistema administrativo y legal, el principal objetivo de la tesis será reconstruir el proceso de transformación del litoral consecuencia de la evolución en la forma de producción del espacio, de área defensiva a recurso productivo, y desde mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XXI. Sin embargo, la construcción del litoral no ha sido homogénea ni constante a lo largo del tiempo. Ha estado sujeta a los distintos vaivenes económicos y sociales pero también a los cambios en el modelo territorial definido por el marco legal vigente, así como a los reajustes del propio sistema físico. Como instrumento sociopolítico, el marco legal regula las presiones del sistema económico sobre el medio, apostando por una visión frente a otra, y posibilitando el grado de transformación final. Así, el conocimiento sobre el territorio en el que se interviene y la definición del modelo de litoral por parte de los poderes públicos irán configurando el espacio físico, económico y social desarrollado en la costa. Para la reconstrucción del proceso de construcción del litoral, la tesis define cuatro fases diferentes y aplica las hipótesis y la metodología a la costa de Cartagena. Se presenta gráficamente la evolución en los tres sistemas en cada una de las fases, y se recompone el relato histórico a través de los hitos más relevantes para el proceso. En cada una de las fases, el nuevo modelo intentará dar respuesta a todo aquello que no funcionó o se quedó a medias en el periodo anterior. Las crisis económicas provocan la ralentización de la actividad productiva y, consecuentemente, de las transformaciones en el territorio. Servirán para establecer, en principio, un cambio de paradigma en la lectura y gestión del litoral que acabará traduciéndose en un nuevo texto legislativo en materia de costas (1969, 1988 y 2013). La reforma de la normativa responde a una nueva forma de entender, ordenar, gestionar e intervenir en el territorio, donde se modulan las pautas pero también la intensidad en la intervención. Pero nace condicionada por el litoral heredado: los derechos generados durante la vigencia del marco legal anterior; el modelo económico y sus presiones y expectativas sobre el litoral; y el medio físico en el que se acumulan los procesos de degradación no resueltos y los nuevos riesgos. Así, las conclusiones de la tesis ponen de manifiesto la necesidad de una visión compleja e integral sobre el litoral, en la que el urbanismo y la ordenación del territorio serán fundamentales para afrontar los nuevos retos en su construcción a futuro. ABSTRACT The littoral has been throughout history an important source of economic resources and a strategic point for the defense of territory. Trade, fishing or salt industry have led to the formation of towns and cities on the edge of the sea. The coast served as a defensive, dangerous and unhealthy place where the sea modulated for centuries the waterfront without major interactions with a virtually uninhabited environment. In the mid-nineteenth century, technical innovations and the final pacification of the Mediterranean allowed to value its natural features and opportunities. Without entirely losing its defensive value, the coast emerges as a productive resource and as a place of leisure and enjoyment of people. The strategic value of the coast will also be reflected in the legal framework. The concept of maritime-terrestrial public domain will be recovered by the modern civil law and the law of waters of 1866 governs the uses and limitations of private ownership of the coast. Since then, the economic, social, legal and environmental changes will to cause a significant change in the relationship between society and the coast that will give way to the construction of littoral space inherited. From the triple perspective of the littoral as a physical environmental system, an economic, productive and cultural system, and an administrative and legal system, the main objective of the thesis is to rebuild its process of transformation, as a result of the evolution in the way that space is produced, from defensive zone to productive resource, and from the middle of the nineteenth century until the beginning of the twenty-first century. However, the construction of the coast has not been uniform nor constant over time. It has been subject to different economic and social fluctuations and also to changes in the territorial model defined by the legal framework in force, as well as to readjustments of the physical system itself. As socio-political instrument, the legal framework regulates the pressure of the economic system on the environment, it bets on a vision over another and facilitates the final degree of transformation. Thus, the knowledge on the territory that is being intervened and the definition of the model of shoreline by public authorities will configure the physical, economic and social space developed on the coast. For the reconstruction of the littoral building process, the thesis defines four different phases and applies the hypothesis and methodology to the coast of Cartagena. It introduces graphically the evolution of the three systems in each of the phases and it recomposes the historical account through of the most important milestones for the process. In each phase, the new model will attempt to answer everything that did not work or was half in the previous period. Economic crises cause a slowdown in productive activity and, consequently, in the changes of territory. They serve to establish, in principle, a paradigm shift for reading and managing the littoral, eventually resulting in new legal texts on coasts matter (1969, 1988 and 2013). The reform of legislation responds to a new way for understanding, arranging, managing and intervening on the territory, where the guidelines and also the intervention intensity are modulated. But it is born conditioned by the inherited coast: the rights generated under previous legal framework; the economic model and its pressures and expectations on the littoral; and the physical environment which accumulates degradation processes unresolved and new risks. Thus, the thesis conclusions highlight the need for a complex and comprehensive view on the littoral, where urban planning and land-use planning will be key to meet the future challenges in its construction.