Eulerian-Lagrangian definition of coarse bed-load transport: Theory and verification with low-cost inertial measurement units

Fluvial sediment transport is controlled by hydraulics, sediment properties and arrangement, and flow history across a range of time scales. This physical complexity has led to ambiguous definition of the reference frame (Lagrangian or Eulerian) in which sediment transport is analysed. A general Eulerian-Lagrangian approach accounts for inertial characteristics of particles in a Lagrangian (particle fixed) frame, and for the hydrodynamics in an independent Eulerian frame. The necessary Eulerian-Lagrangian transformations are simplified under the assumption of an ideal Inertial Measurement Unit (IMU), rigidly attached at the centre of the mass of a sediment particle. Real, commercially available IMU sensors can provide high frequency data on accelerations and angular velocities (hence forces and energy) experienced by grains during entrainment and motion, if adequately customized. IMUs are subjected to significant error accu- mulation but they can be used for statistical parametrisation of an Eulerian-Lagrangian model, for coarse sediment particles and over the temporal scale of individual entrainment events. In this thesis an Eulerian-Lagrangian model is introduced and evaluated experimentally. Absolute inertial accelerations were recorded at a 4 Hz frequency from a spherical instrumented particle (111 mm diameter and 2383 kg/m3 density) in a series of entrainment threshold experiments on a fixed idealised bed. The grain-top inertial acceleration entrainment threshold was approximated at 44 and 51 mg for slopes 0.026 and 0.037 respectively. The saddle inertial acceleration entrainment threshold was at 32 and 25 mg for slopes 0.044 and 0.057 respectively. For the evaluation of the complete Eulerian-Lagrangian model two prototype sensors are presented: an idealised (spherical) with a diameter of 90 mm and an ellipsoidal with axes 100, 70 and 30 mm. Both are instrumented with a complete IMU, capable of sampling 3D inertial accelerations and 3D angular velocities at 50 Hz. After signal analysis, the results can be used to parametrize sediment movement but they do not contain positional information. The two sensors (spherical and ellipsoidal) were tested in a series of entrainment experiments, similar to the evaluation of the 111 mm prototype, for a slope of 0.02. The spherical sensor entrained at discharges of 24.8 ± 1.8 l/s while the same threshold for the ellipsoidal sensor was 45.2 ± 2.2 l/s. Kinetic energy calculations were used to quantify the particle-bed energy exchange under fluvial (discharge at 30 l/s) and non-fluvial conditions. All the experiments suggest that the effect of the inertial characteristics of coarse sediments on their motion is comparable to the effect hydrodynamic forces. The coupling of IMU sensors with advanced telemetric systems can lead to the tracking of Lagrangian particle trajectories, at a frequency and accuracy that will permit the testing of diffusion/dispersion models across the range of particle diameters.

Utilização de métodos acústicos em estudos de dinâmica costeira: exemplo na desembocadura lagunar de cananéia

Em função de suas condições de interface entre águas doces e salinas, desembocaduras estuarinas e lagunares constituem sistemas geomorfológicos altamente complexos e dinâmicos. Como conseqüência da variabilidade espacial e temporal dos fluxos de maré, o leito responde com uma grande variabilidade nas características morfológicas e sedimentares. Neste sentido, é possível relacionar diretamente a circulação de fundo e o transporte sedimentar com as feições submersas geradas. Perfis de ecossondagem, sonar de varredura lateral e sísmica de alta resolução, executados na desembocadura lagunar de Cananéia, revelaram a existência de uma dinâmica de fundo extremamente complexa, caracterizada por marcas onduladas e ondas de areia de alturas métricas. As maiores ondas de areia, localizadas em uma depressão na desembocadura lagunar, apresentam inversão de polaridade em sua assimetria, com a presença de ondas simétricas de grande tamanho no ponto de inversão. Este padrão morfológico não apresenta variação temporal em escala anual, sugerindo a persistência de um padrão de fluxos sobre o leito. Esta dinâmica revela, também, a constância de fluxos convergentes que aparentemente independem das condições de maré enchente ou vazante. Os resultados permitiram o estabelecimento de um primeiro modelo qualitativo de circulação de fundo na área, com aplicações potenciais na navegação e estudos de proteção da costa.

Toward sustainable soil and water resources use in China`s highly erodible semi-arid loess plateau

The water-wind crisscross region of the Loess Plateau in China is comprised of 17.8 million hectares of highly erodible soil under limited annual rainfall. This requires a sustainable water balance for the restoration of dryland ecosystems to reduce and manage soil erosion. In this region, alfalfa has been one of the main legumes grown to minimize soil erosion. However, alfalfa yields were significantly lower in years of reduced rainfall suggesting that high water use and deep rooting alfalfa make it an unsustainable crop due to the long-term decline in soil water storage and productivity. Our objectives in this Study were to evaluate the soil water balance of Loess Plateau soils during vegetative restoration and to evaluate practices that prevent soil desiccation and promote ecosystem restoration and sustainability. Field observations of soil moisture recovery and soil erosion were carried out for five years after alfalfa was replaced with different crops and with bare soil. Soil water content changes in cropland, rangeland, and bare soil were tracked over several years, using a water balance approach. Results indicate that growing forages significantly reduced runoff and sediment transport. A forage-food-crop rotation is a better choice than other cropping systems for achieving sustainable productivity and preventing soil erosion and desiccation. However, economic considerations have prevented its widespread adoption by local farmers. Alternatively, this study recommends consideration of grassland crops or forest ecosystems to provide a sustainable water balance in the Loess Plateau of China. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Numerical modelling of tide-induced beach water table fluctuations

Field studies have shown that the elevation of the beach groundwater table varies with the tide and such variations affect significantly beach erosion or accretion. In this paper, we present a BEM (Boundary Element Method) model for simulating the tidal fluctuation of the beach groundwater table. The model solves the two-dimensional flow equation subject to free and moving boundary conditions, including the seepage dynamics at the beach face. The simulated seepage faces were found to agree with the predictions of a simple model (Turner, 1993). The advantage of the present model is, however, that it can be used with little modification to simulate more complicated cases, e.g., surface recharge from rainfall and drainage in the aquifer may be included (the latter is related to beach dewatering technique). The model also simulated well the field data of Nielsen (1990). In particular, the model replicated three distinct features of local water table fluctuations: steep rising phase versus flat falling phase, amplitude attenuation and phase lagging.

Beach water table fluctuations due to wave run-up: Capillarity effects

High-frequency beach water table fluctuations due to wave run-up and rundown have been observed in the field [Waddell, 1976]. Such fluctuations affect the infiltration/exfiltration process across the beach face and the interstitial oxygenation process in the beach ecosystem. Accurate representation of high-frequency water table fluctuations is of importance in the modeling of (1) the interaction between seawater and groundwater, more important, the effects on swash sediment transport and (2) the biological activities in the beach ecosystem. Capillarity effects provide a mechanism for high-frequency water table fluctuations. Previous modeling approaches adopted the assumption of saturated flow only and failed to predict the propagation of high-frequency fluctuations in the aquifer. In this paper we develop a modified kinematic boundary condition (kbc) for the water table which incorporates capillarity effects. The application of this kbc in a boundary element model enables the simulation of high-frequency water table fluctuations due to wave run-up. Numerical tests were carried out for a rectangular domain with small-amplitude oscillations; the behavior of water table responses was found to be similar to that predicted by an analytical solution based on the one-dimensional Boussinesq equation. The model was also applied to simulate the water table response to wave run-up on a doping beach. The results showed similar features of water table fluctuations observed in the field. In particular, these fluctuations are standing wave-like with the amplitude becoming increasingly damped inland. We conclude that the modified kbc presented here is a reasonable approximation of capillarity effects on beach water table fluctuations. However, further model validation is necessary before the model can confidently be used to simulate high-frequency water table fluctuations due to wave run-up.

Métodos de estimativa de descarga sólida em rios : análise comparativa

Transporte de sedimentos em bacias hidrográficas está relacionado com geomorfologia, ecologia fluvial, estabilidade das estruturas de engenharia e condições de navegação, dentre outros aspectos importantes para o planejamento e o controle de recursos hídricos. Existência de inúmeras variáveis envolvidas na mecânica de transporte de sedimentos e complexidade nas interações de processos físicos tornam difícil o estabelecimento de metodologias indiretas para estimativa de transporte de sedimentos em rios. Desta forma, não existe ainda metodologia universalmente aceita. O principal objetivo do presente trabalho é a análise comparativa de diferentes métodos empíricos disponíveis na literatura para estimativa de descargas sólidas em rios, considerando suas características específicas e resultados de aplicações às bacias dos rios Santa Joana e Santa Maria do Doce e microbacias Sossego e Santa Júlia, inseridas na porção da bacia do rio Doce localizada no Espírito Santo. Foram aplicados os métodos de estimativa indireta de descarga sólida: Einstein Modificado por Colby e Hembree (1955); Colby Simplificado (1957); Engelund & Hansen (1967); Ackers & White (1973); Yang (1973), Karim (1998) e Cheng (2002). Considerando as médias das estimativas de descarga sólida de material de leito (Qsml) relativas às campanhas realizadas em período chuvoso para a seção transversal do rio Doce, de maior porte, o método de Karim (1998), seguido pelo método de Ackers & White (1973), apresentou o maior valor, enquanto que o método de Yang (1973) apresentou o menor. Para os rios Santa Maria do Doce e Santa Joana e os córregos Santa Júlia e Sossego, verificou-se que o método de Ackers & White (1973), seguido de Karim (1998) e Yang (1973) apresentaram as maiores médias, enquanto que os métodos de Cheng (2002) e Engelund & Hansen (1967) apresentaram as menores. O método Simplificado de Colby apresentou as maiores estimativas de descargas sólidas totais (Qst) para todas as seções transversais de todos os cursos d'água monitorados. Concluiu-se que os diferentes métodos indiretos podem resultar em grandes diferenças em estimativas de transporte de sedimento em rios e que, desta forma, resultados de aplicação destes métodos devem ser considerados com muita cautela. Os resultados mostraram a grande importância de realização de campanhas de medição sedimentométricas para avaliação do transporte de sedimentos e definição dos melhores métodos indiretos de estimativa para cursos d'água específicos.

Modelo de escoamento multifásico para estudo da interação onda/sedimento

Modelos de escoamento multifásico são amplamente usados em diversas áreas de pesquisa ambiental, como leitos fluidizados, dispersão de gás em líquidos e vários outros processos que englobam mais de uma propriedade físico-química do meio. Dessa forma, um modelo multifásico foi desenvolvido e adaptado para o estudo do transporte de sedimentos de fundo devido à ação de ondas de gravidade. Neste trabalho, foi elaborado o acoplamento multifásico de um modelo euleriano não-linear de ondas do tipo Boussinesq, baseado na formulação numérica encontrada em Wei et al. (1995), com um modelo lagrangiano de partículas, fundamentado pelo princípio Newtoniano do movimento com o esquema de colisões do tipo esferas rígidas. O modelo de ondas foi testado quanto à sua fonte geradora, representada por uma função gaussiana, pá-pistão e pá-batedor, e quanto à sua interação com a profundidade, através da não-linearidade e de propriedades dispersivas. Nos testes realizados da fonte geradora, foi observado que a fonte gaussiana, conforme Wei et al. (1999), apresentou melhor consistência e estabilidade na geração das ondas, quando comparada à teoria linear para um kh   . A não-linearidade do modelo de ondas de 2ª ordem para a dispersão apresentou resultados satisfatórios quando confrontados com o experimento de ondas sobre um obstáculo trapezoidal, onde a deformação da onda sobre a estrutura submersa está em concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. A partir daí, o modelo granular também foi testado em dois experimentos. O primeiro simula uma quebra de barragem em um tanque contendo água e o segundo, a quebra de barragem é simulada com um obstáculo rígido adicionado ao centro do tanque. Nesses experimentos, o algoritmo de colisão foi eficaz no tratamento da interação entre partícula-partícula e partícula-parede, permitindo a evidência de processos físicos que são complicados de serem simulados por modelos de malhas regulares. Para o acoplamento do modelo de ondas e de sedimentos, o algoritmo foi testado com base de dados da literatura quanto à morfologia do leito. Os resultados foram confrontados com dados analíticos e de modelos numéricos, e se mostraram satisfatórios com relação aos pontos de erosão, de sedimentação e na alteração da forma da barra arenosa

Boulder deposition during major tsunami events

A remarkable accumulation of marine boulders located above the present spring tide level has occurred in two coastal lowlands of the Algarve (Portugal). The size-interval of the particles studied here is seldom reported in the literature in association with extreme events of coastal inundation, thus making this study of relevance to many other coasts worldwide. The spreads of boulders extend several hundred meters inland and well beyond the present landward limit of storm activity. The marine origin of the boulders is demonstrated by well-developed macro-bioerosion sculpturing and in situ skeletal remains of endolithic shallow marine bivalves. The good state preservation of the fossils within the boulders indicates that abrasion duringtransport and redeposition was not significant. We envisage boulder deposition as having taken place during the Lisbon tsunami of ad 1755 through the simultaneous landward entrainment of coarse particles from nearshore followed by rapid shoreward suspended-dominated transport and non-graded redeposition that excluded significant sorting by weight or boulder dimensions. We use numerical hydrodynamic modeling of tsunami (and storm) waves to test the observational data on boulder dimensions (density, size, distribution) on the most likely processes of sediment deposition. This work demonstrates the effectiveness of the study of boulder deposits in tsunami reconstruction. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Caracterização hidráulica, hidrológica e do transporte sólido das principais linhas de água (ribeiras) do concelho de Câmara de Lobos: ilha da Madeira

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Organised turbulence over mobile and immobile hydraulically rough boundaries

33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment

Maximum level and time to peak of dam-break waves on mobile horizontal bed

Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135, No. 11, November 1, 2009

Geomorphic dam-break flows. Part I: conceptual model

Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management 163 Issue WM6

Avaliação do transporte sedimentar na bacia do rio Lima baseada em ferramentas de modelação

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Estudo numérico do escoamento e transporte de sedimentos em torno de pilares de pontes

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Vulnerabilidad costera a múltiples agentes : aplicación al litoral catalán

El proyecto “Vulnerabilidad costera a múltiples agentes. Aplicación al litoral Catalán” tiene como objetivo general desarrollar y validar una metodología para evaluar cuantitativamente la vulnerabilidad de las costas sedimentarias a los principales procesos que rigen su comportamiento. Dentro de este contexto y durante un periodo de 6 meses se ha estado trabajando en el principal objetivo parcial del proyecto: el desarrollo de una serie de indicadores de vulnerabilidad costera a procesos físicos, más específicamente en la obtención de un índice de vulnerabilidad costera a temporales. Para ello se ha analizado la variabilidad espacial y temporal de la intensidad de los procesos costeros inducidos por temporales a lo largo de la costa Catalana, teniendo en cuenta únicamente la contribución de las características del oleaje. Se han integrado datos reales y simulados de oleaje de tres sitios distribuidos a lo largo del litoral Catalán para obtener las series temporales de intensidad de los tres procesos costeros derivados de la acción de temporales más relevantes (transporte de sedimentos, erosión e inundación). Los resultados muestran que no existen tendencias significativas en las series temporales de los procesos estudiados. Por otro lado, el análisis de las series de la media móvil de 5 años de las anomalías de dichos procesos refleja tendencias positivas significativas en el transporte de sedimentos y la erosión para las zonas norte y sur de la costa, y en la inundación para la zona sur. En relación a la variabilidad espacial, los resultados muestran que la zona sur es la más vulnerable a los procesos de erosión costera y transporte de sedimentos, mientras que la parte norte es la más vulnerable al proceso de inundación.