On the modelling of biological effects on morphology in estuaries and seas

Morphological modelling aims to explain and predict the changes in rivers, seas and estuaries due to these interaction. In recent history, a lot of progress has been made, especially with stability analysis approaches. However, so far only the physical interactions have been taken into account. It is known however, that biological factors are important to the dynamics of the water systems. In this paper a first step is made in the inclusion of biology into the morphodynamic models. This inclusion is based on the effect that benthic organisms have on the erodibility of the bed. This can easily be included by a change of the critical bed shear stress. These changes in the critical bed shear stress then influence the morphology. This idea has been applied to two cases. The results of the first case indicate that this approach can reproduce the influence of benthic organisms on the mud content of the bed in estuaries. The second case shows that even low numbers of organisms can influence the characteristics of large bed forms

Knowledge-base black holes: the next (small) big thing?

Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience

Causal Loop Analysis of coastal geomorphological systems

As geomorphologists embrace ever more sophisticated theoretical frameworks that shift from simple notions of evolution towards single steady equilibria to recognise the possibility of multiple response pathways and outcomes, morphodynamic modellers are facing the problem of how to keep track of an ever-greater number of system feedbacks. Within coastal geomorphology, capturing these feedbacks is critically important, especially as the focus of activity shifts from reductionist models founded on sediment transport fundamentals to more synthesist ones intended to resolve emergent behaviours at decadal to centennial scales. This paper addresses the challenge of mapping the feedback structure of processes controlling geomorphic system behaviour with reference to illustrative applications of Causal Loop Analysis at two study cases: (1) the erosion–accretion behaviour of graded (mixed) sediment beds, and (2) the local alongshore sediment fluxes of sand-rich shorelines. These case study examples are chosen on account of their central role in the quantitative modelling of geomorphological futures and as they illustrate different types of causation. Causal loop diagrams, a form of directed graph, are used to distil the feedback structure to reveal, in advance of more quantitative modelling, multi-response pathways and multiple outcomes. In the case of graded sediment bed, up to three different outcomes (no response, and two disequilibrium states) can be derived from a simple qualitative stability analysis. For the sand-rich local shoreline behaviour case, two fundamentally different responses of the shoreline (diffusive and anti-diffusive), triggered by small changes of the shoreline cross-shore position, can be inferred purely through analysis of the causal pathways. Explicit depiction of feedback-structure diagrams is beneficial when developing numerical models to explore coastal morphological futures. By explicitly mapping the feedbacks included and neglected within a model, the modeller can readily assess if critical feedback loops are included

Bedform migration in a mixed sand and cohesive clay intertidal environment and implications for bed material transport predictions

Many coastal and estuarine environments are dominated by mixtures of non-cohesive sand and cohesive mud. The migration rate of bedforms, such as ripples and dunes, in these environments is important in determining bed material transport rates to inform and assess numerical models of sediment transport and geomorphology. However, these models tend to ignore parameters describing the physical and biological cohesion (resulting from clay and extracellular polymeric substances, EPS) in natural mixed sediment, largely because of a scarcity of relevant laboratory and field data. To address this gap in knowledge, data were collected on intertidal flats over a spring-neap cycle to determine the bed material transport rates of bedforms in biologically-active mixed sand-mud. Bed cohesive composition changed from below 2 vol% up to 5.4 vol% cohesive clay, as the tide progressed from spring towards neap. The amount of EPS in the bed sediment was found to vary linearly with the clay content. Using multiple linear regression, the transport rate was found to depend on the Shields stress parameter and the bed cohesive clay content. The transport rates decreased with increasing cohesive clay and EPS content, when these contents were below 2.8 vol% and 0.05 wt%, respectively. Above these limits, bedform migration and bed material transport was not detectable by the instruments in the study area. These limits are consistent with recently conducted sand-clay and sand-EPS laboratory experiments on bedform development. This work has important implications for the circumstances under which existing sand-only bedform migration transport formulae may be applied in a mixed sand-clay environment, particularly as 2.8 vol% cohesive clay is well within the commonly adopted definition of “clean sand”

Sand-mud segregation in estuaries and tidal basins

Civil Engineering and Geoscience

Spraakwater: Water governance in de big easy, een lesje daadkracht voor een polderende Hollander in New Orleans

Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience

Zand-slibsegregatie

Dit rapport beschrijft de resultaten van de studie "Modellering van zand-slibsegregatie in de Nieuwe Merwede", uitgevoerd voor het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA) van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat. Als studiegebied heeft het RIZA gekozen voor de Nieuwe Merwede, een riviertak in het Noordelijk Deltabekken. De bovenstroomse rand ligt bij Werkendarn (km 961) en de benedenstroomse rand bij Anna Jacominaplaat (km 979). Op dit traject heeft na de sluiting van het Haringvliet (1970) veel sedimentatie van zand en slib plaatsgevonden. Uit bodernrnonsters en boringen blijkt dat er sprake is van zowel horizontale als vertikale zandslibstructuren. Zo blijkt dat in 1992 de toplaag in de Nieuwe Merwede erg zandig was. In de geul wordt sporadisch slib teruggevonden tussen 5 en 15%. In de kribvakken is het slibpercentage over het algemeen hoger dan in de geul (30 - 70%). Op sommige lokaties in de kribvakken worden ook zeer lage slibpercentages waargenomen. Ook in de vertikaal komen variaties in zand- en slibafzettingen voor. Uit de boringen blijkt dat in het benedenstroomse gedeelte van de Nieuwe Merwede na de sluiting van het Haringvliet (1970) flinke sliblagen zijn afgezet. In deze sliblagen komen dunne zandlagen voor. Deze sliblaag is afgedekt met een zandlaag die de toplaag vorrnde in 1992. In dit onderzoek wordt geprobeerd de horizontale en vertikale structuren middels een modelstudie te reproduceren. Hiervoor is gebruik gemaakt van een twee-dimensionaal horizontaal (2DH-) suspensietransport model voor zand en slib, uitgaande van respectievelijk een volledige zandbodem en een volledige slibbodem op de Nieuwe Merwede. Er is onder vier verschillende bovenafvoeren gerekend met een bodemschematisatie van 1970 en 1993. De vier bovenafvoeren worden representatief geacht voor de beschrijving van de totale kansverdeling. De simulaties zijn uitgevoerd met het waterbewegingsmodel WAQUA en het sedimenttransportmodel DELWAQ.Vit het zandmodel voor 1970 blijkt dat het zandtransport in het benedenstroomse gedeelte en het middendeel alleen onder hoge afvoer (Qbr = 6000 m3/s) plaatsvindt. Op het bovenstroomse gedeelte en vindt onder bovenafvoeren van 2200 en 3000 m3/s zandtransport plaats. Op jaarbasis is voor 1970 sprake van zandsedimentatie over het gehele traject. Ongeveer 94% van het zandaanbod sedimenteert in de Nieuwe Merwede. Het slibmodel geeft flinke slibsedimentatie onder lage en gemiddelde bovenafvoer op het benedenstroomse gedeelte (10 - 15 cm/jaar). Op basis van deze modelresultaten kan geconcludeerd worden dat de gevonden vertikale zand-slibstructuren (slibafzettingen met dunne zandlagen) in het benedenstroomse gedeelte het gevolg zijn geweest van afvoervariatie. Grote slibafzettingen zijn opgetreden gedurende lage en gemiddelde Bovenrijnafvoer, terwijl tijdens hoge afvoer (6000 m3/s) sprake dunne zandlagen zijn afgezet. In dit rapport is aangetoond dat het goed mogelijk is de grootschalige zand-slibstructuren in de Nieuwe Merwede, een rivier met een dominante bovenafvoer en schijngetij, te verklaren. De resultaten van het model komen kwalitatief en soms kwantitatief goed overeen met de resultaten verkregen uit boringen, bodemmonsters en lodingen. Het voorspellen van zandslibstructuren is van belang om de gedragskennis van gebieden in rivieren en estuaria, waar zowel zand als slib een rol spelen, uit te breiden.Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience