Beachface Adaptation to Waves Change : A Combined Study of Field Observationsand Laboratory Experiments

Abstract– Within the context of coastal dynamics and coastal hazard, modeling the evolution of the nearshore zone is a major challenge, particularly the movement of coastlines associated to natural or human actions. Two of the main challenges in this modelling includes 1) complexity of coupling highly non-linear and unsteady hydrodynamics associated with the wave impact on the beach leading to sediment transport and 2) the highly scale-dependent nature of the physical processes both temporal and spatial (Figure 1).

The swash zone surrounding the coastline is the transfer zone of sand between the dry zone and the ocean affecting the apparent movement of beaches. Improving nearshore modeling requires a better understanding and description of the morphodynamics of this zone. Based on a combined study of laboratory experiments and field data analysis, this thesis proposes to simplify the description of these complex hydro-sedimentary systems using an idealised geometry characterised by the upper-beach slope beta and the surf-dissipation length Lt (see Figure 1).

More specifically, this study presents a framework based on dimensionless physical analysis to simplify nearshore dynamics and quantify the role of the swash zone on the low-tide terrace (LTT) systems found in a variety of coastal environments, including coral, rocky reefs, and sandy beaches. The work particularly focuses on the role of the Dean number (Ω) as a control parameter of swash morphodynamics, as often used to describe the morphology of beach states. The study analyzed two high-quality field data sets from two LTT environments by applying the simplified approach of nearshore systems that revealed a significant correlation between the Dean number (Ω) and beachface slope (β). Additionally, a small-scale laboratory device was developed to quantify the response of beachface with a flat lower platform to changing waves. This device focused on the swash zone equi- librium and out of equilibrium states in the cross-shore direction for a given parameters such as hydrodynamic forcing and sediment volume, and the transition to a new equilibrium state when these parameters were varied.

The study led to a new classification and description of the beachface slope rapid adjustment under sediment- deficit regimes by deriving a new interpretation of the Dean number as a combination of wave steepness and Rouse number. The new classification distinguishes LTT environments into 1) swash-dominated: where rapid adjustment of the beachface slope are associated with offshore wave forcing and 2) surf-dominated: where rapid adjustment of the beachface slope are highly influenced by the dynamics of the surf zone.

Lastly, the quantification of beachface transitional states when migrating to its equilibrium state resulted in the development of a device that accounts for sediment inputs and studies the system under the influence of sediment nourishment, left for future works. In conclusion this thesis provides new insights into the concept of rapid adjustment and transitional states of beach profiles in LTT environments, laying the groundwork for future research in this area.

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Résumé :

Dans le contexte de la dynamique et des risques côtiers, la modélisation de l’évolution de la zone proche littorale et plus particulièrement du mouvement du trait de côte, qu’ils soient induits par des causes naturelle ou humaine, est devenue un enjeu majeur. Deux des principaux défis de cette modélisation sont : 1) la complexité du couplage entre l’hydrodynamique fortement non-linéaire et instationnaire associée à l’impact des vagues sur la plage et le transport des sédiments induit par ce forçage et 2) la nature fortement multi-échelle des processus physiques, à la fois temporellement et spatialement.

La zone de jet de rive, autour du trait de côte, est le lieu de transfert de sable entre la zone sèche et l’océan agissant sur le mouvement apparent du littoral. L’amélioration de la modélisation proche littorale doit donc passer par une meilleure compréhension et description de la morphodynamique de cette zone. En se basant sur une étude combinée d’expériences en laboratoire et de données de terrain, cette thèse propose de simplifier la description de ces systèmes hydro-sédimentaires complexes en utilisant une géométrie idéalisée caractérisée par la pente du haut de plage β et la longueur de dissipation de la zone de surf Lt (voir Figure 1).

Plus précisément, ce travail se focalise sur la description de la zone proche littorale par une approche simplifiée, basée sur une analyse physique adimensionnelle qui caractérise le rôle de la zone de jet de rive dans les environnements de plages à terrasse. Ces dernières sont présentes dans différents environnements côtiers, tels que les récifs coralliens, les récifs rocheux et les plages de sable. Le travail se concentre plus particulièrement sur le rôle du Nombre de Dean (Ω) en tant que paramètre de contrôle de la morphodynamique de la zone de jet de rive, comme souvent fait pour décrire la morphologie globale des états de plage. L’étude analyse deux jeux de données de haute qualité provenant de deux environnements de plages à terrasse en utilisant une description simplifiée des systèmes proches du littoral, révélant une corrélation significative entre le nombre de Dean (Ω) et la pente du haut plage (β). De plus, un dispositif de laboratoire à petite échelle a été développé pour quantifier la réponse de haut des plages aux variations des vagues dans des environnements de plage à terrasse. Par cette approche combinée, le projet s’articule autour de la notion d’équilibre de la zone de jet de rive dans le plan transverse au trait de côte pour un forçage hydrodynamique et un volume de sable donnés, et de la transition vers un nouvel

état d’équilibre lorsque ces paramètres sont modifiés.

L’étude a conduit à une nouvelle classification et description de l’ajustement rapide de la pente de haut de plage dans des régimes de déficit sédimentaire, en établissant une nouvelle interprétation du Nombre de Dean comme une combinaison de la cambrure des vagues et du Nombre de Rouse. Cette nouvelle classification distingue les environnements de plages à terrasse en 1) plages dominées par la zone de jet de rive (swash-dominated) : où les valeurs d’ajustement rapide de la pente de haut de plage sont associées au forçage des vagues offshore et 2) plages dominées par la zone de surf (surf-dominated) : où les valeurs d’ajustement rapide de la pente de haut de plage sont fortement influencées par la dynamique de la zone de surf.

Finalement, la caractérisation des états de transition de la pente de haut de plage lors de sa migration vers son état d’équilibre a conduit au développement d’un dispositif qui tient compte des apports de sédiments et étudie le système en excédent sédimentaire, laissé pour les travaux futurs. En conclusion, cette thèse apporte de nouvelles perspectives sur la compréhension du concept d’ajustement rapide et des états de transition des profils de plage dans les environnements de plages à terrasse, et pose les bases pour de futures recherches dans ce domaine.