Beach inundation and morphological changes during storms using video monitoring techniques
Authors:   , Sancho García Amanda 
Published: August 2023

The predictability of beach inundation is mainly related to wave runup and most of the formulations that have been developed focus on the hydrodynamics, disregarding the morphological changes caused during storms. For these reasons, the aim of this thesis is to provide more insight into beach inundation processes at embayed and open beaches and to determine how morphological changes can interfere with these processes. To this end, video measurements of beach inundation and the characteristic morphological changes were carried out at two stretches of coast with different wave climates: the stretch comprising La Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, which are three artificial, tideless embayed beaches located in Barcelona, Spain (NW Mediterranean); and Noordwijk beach, which is an open, microtidal multibarred beach located in Noordwijk, the Netherlands (North Sea). The effects of a submerged and a detached breakwaters on the morphological and hydrodynamic changes occurring at La Barceloneta during storms is examined in chapter 2. The shoreline response before and after the beach nourishment and the construction of the protective structures was compared using a ten-year video-recorded dataset and hydrodynamics modelled using the SMC model. As a result of the protection works, La Barceloneta was divided into two beaches separated by a salient. A new methodological approach to analyzing beach rotation which eliminates the morphological effect is presented. Results indicate that the beach rotation process has been modified caused by a change in the wave-induced current system from a single dominant alongshore current to one composed of two dominant alongshore currents with opposite directions. In chapter 3, beach inundation affecting the three embayed beaches of Barcelona during the 17 strongest storm events of the period 2001-2008 is analyzed using daily time-exposure images. The shoreline variability due to storms was split into beach planform and morphological features in order to determine its influence on beach inundation measurements. The characterization of the inundation depended on the orientation with respect to the wave direction approach and the morphological features. Beach planform changes are the foremost influence on the inundation of Barcelona beaches. The inundation at the multibarred beach of Noordwijk during the seven strongest storms in the period between 1998 and 2005 is estimated, also using video monitoring techniques in chapter 4. Additionally, the influence of subtidal sandbars on the inundation is analyzed using the XBeach model. To this end, six simulations were carried out using barred profiles measured at Noordwijk but differing in sandbar height and location, and one simulation using a synthetic barless profile. Inundation values ranged from 22 to 105 m, with considerable alongshore variation before the peak of each storm because of the presence of the intertidal bars. The mean inundation values along the beach are well estimated using a simple inundation parameter. The XBeach model shows that the inundation is only affected by the morphology close to the shoreline (i.e. by the intertidal bars or the inner bar if it is wide and closer to shoreline). The outer bar does not seem to influence Beach inundation prediction at Somorrostro beach is evaluated in chapter 5. To this end, inundation measurements using video observations are compared with estimations including the tidal variations and the wave runup formulation of Stockdon et. al (2006) introducing deep water and local wave measurements and computations. The inundation is overestimated if any of the wave heights in the formulation are used. Estimations improved if a local wave height is used, in particular for waves approaching the shore obliquely. Finally, the alongshore variability of the inundation is better captured if the wave runup is assumed proportional to the breaking wave heightBARCELONA07
Las costas están expuestas a la erosión y la inundación producida por los
temporales, los cuales son muy frecuentes y pueden producir grandes daños y
pérdidas económicas. La inundación producida por los temporales es debida a
la marea astronómica y meteorológica y al remonte del oleaje. La predicción
de la inundación de la playa está principalmente relacionada con el remonte y
la mayoría de las formulaciones propuestas se centran en parámetros hidrodinámicos
sin tener en cuenta los cambios morfológicos causados durante los
temporales. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis es proporcionar
un mayor conocimiento de los procesos de inundación en playas encajadas y
abiertas y determinar cómo los cambios morfológicos pueden interferir con estos
procesos. Para ello, se han llevado a cabo medidas de la inundación y de los
cambios morfológicos característicos utilizando imágenes de video en dos tramos
de costa con climas de oleaje diferente: el tramo que comprende las playas de La
Barceloneta, Somorrostro and Nova Icaria, las cuales son tres playas artificiales,
encajadas y sin marea localizadas en Barcelona, España (NO Mediterráneo); y
la playa de Noordwijk, la cual es una playa abierta, multibarrada y micromareal
localizada en Noordwijk, Holanda (Mar del Norte).
Los efectos de un dique sumergido y un dique exento en los cambios morfológicos
e hidrodinámicos ocurridos en la playa de La Barceloneta durante
temporales se examinan en el capítulo 2. La respuesta de la línea de orilla antes y
después de la regeneración de la playa y de la construcción de las estructuras de
protección se compara utilizando 10 años de video imágenes y la hidrodinámica
modelada utilizando el Sistema de Modelado Costero (SMC). Como resultado
de estas obras de protección, La Barceloneta quedó dividida en dos playas
independientes separadas por un saliente. Una nueva metodología para analizar
la rotación de la playa que elimina los cambios morfológicos es propuesta. Los
resultados indican que la tendencia erosiva previamente observada en la zona noreste de la playa sigue estando presente en la actual playa noreste y está
relacionada con el nuevo dique sumergido. Además, el proceso de rotación de
la playa se ha modificado, produciéndose solamente en sentido contrario a las
agujas del reloj en la playa noreste y en sentido horario en la playa suroeste.
Este nuevo comportamiento es debido al cambio en el patrón de corrientes
previamente formado por una corriente longitudinal dominante, a un sistema
de corrientes compuesto por dos corrientes longitudinales en direcciones opuestas.
En el capítulo 3, la inundación producida en las tres playas encajadas de
Barcelona durante los 17 temporales más energéticos del periodo 2001-2008 es
analizada utilizando imágenes diarias promediadas. La variabilidad de la línea de
orilla debida a los temporales es discriminada en cambios en la forma en planta
y morfologías (cúspides de playa, megacúspides, ondulaciones y saliente) para
determinar su influencia en las medidas de inundación de la playa. La caracterización
de la inundación dependió de la orientación respecto de la dirección
de aproximación del oleaje y de las morfologías. Los cambios en la forma en
planta de la playa son la máxima influencia en la inundación de las playas de
Barcelona. Los cambios en la forma en planta hacia tierra y los cambios en el
saliente suponen casi un 50% de la máxima inundación medida, mientras que
las megacúspides y la ondulación suponen aproximadamente el 25%. El efecto
de las cúspides de playa en la inundación es despreciable. Consecuentemente,
la variación en la línea de orilla durante temporales influye significativamente
los valores de inundación, especialmente en playas con pendientes fuertes.
Pequeñas variaciones en la pendiente de la playa pueden sin embargo afectar
sustancialmente la inundación en playas con pendientes suaves.
La inundación de la playa multibarrada de Noordwijk durante los 7 temporales
más fuertes ocurridos en el periodo comprendido entre 1998 y 2005 es también
estimada utilizando medidas de video monitorización en el capítulo 4. Además,
la influencia de las barras submareales en la inundación es analizada utilizando
el modelo XBeach. Para ello, se realizaron siete simulaciones 1-D sin considerar
los cambios morfológicos; seis simulaciones utilizando perfiles barrados medidos
en la playa de Noordwijk pero que difieren en altura y localización de las barras,
y una simulación utilizando un perfil ideal sin barras. Los valores de inundación
oscilaron entre 22 y 105 m, con variaciones considerables a lo largo de la playa antes del pico del temporal debido a la presencia de barras intermareales. La
inundación promedio a lo largo de la playa es estimada considerablemente bien
utilizando un parámetro de inundación sencillo que incluye la pendiente intermareal
y supramareal, la altura de ola y la longitud de onda en aguas profundas
y la marea meteorológica. El modelo XBeach muestra que la inundación está
solamente afectada por la morfología próxima a la línea de orilla, esto es, por
las barras intermareales o por la barra interna si es ancha y próxima a la orilla.
La barra externa no parece tener influencia en el comportamiento de la inundación.
La predicción de la inundación en la playa de Somorrostro es evaluada en el
capítulo 5. Para ello, medidas de la inundación utilizando observaciones de imágenes
de video se comparan con estimaciones de la inundación incluyendo las
variaciones de la marea y el fórmula del remonte de Stockdon et al. (2006), introduciendo
medidas locales y en aguas profundas del oleaje así como oleaje modelado.
Debido a que las observaciones corresponden a un remonte medio y las estimaciones
usan el remonte excedido un 2% (R2%), la inundación es sobreestimada
para cualquier altura de ola utilizada en la fórmula. Sin embargo, las estimaciones
mejoran si una altura de ola medida a 10 m es utilizada en la fórmula en particular
para oleajes con una aproximación oblicua a la línea de orilla. Finalmente,
las diferencias entre las observaciones y las estimaciones varían a lo largo de la
playa, siendo mayores en la zona de curvatura de la playa. La variabilidad de la
inundación a lo largo de la playa es mejor caracterizada si el remonte se asume
igual que la altura de ola en rotura.