A modeling system for tidally driven long-term morphodynamics

Abstract

A modeling system to simulate tidally driven morphodynamics is developed and assessed. The system couples an existing shallow water model with a new morphological updating model. Four innovative features to improve the accuracy and efficiency of the system are implemented and tested. First, two alternatives are proposed to update the velocity field without running the hydrodynamic model. Both alternatives, based on an assumption on the behavior of friction, are more accurate than the traditional “continuity correction”. Second, hydrodynamic results are provided in the frequency domain. The harmonic synthesis of the velocity time series simplifies interpolation and extrapolation of the hydrodynamic model results and the use of different time steps for the various components of the modeling system. Third, the time-integration of the sediment fluxes is performed with a Runge-Kutta method so the time step adapts in space and time to the flow characteristics. Finally, a criterion to determine the need for a new hydrodynamic simulation is derived, based on the importance of the errors introduced by the outdated flow field relative to those introduced by the sand-transport formulae.

Résumé

Un système de modèles destiné à simuler l’évolution sédimentaire générée par la marée est développé, analysé et appliqué. Le système couple un modèle hydrodynamique existant avec un nouveau modèle d’évolution des fonds. Quatre innovations visant à améliorer la précision et l’efficacité du système sont implémentées et testées. D’abord, deux alternatives permettant d’actualiser le champ de vitesse sans tourner le modèle hydrodynamique sont proposées. Ces deux alternatives, basées sur une hypothèse sur le comportement du frottement, sont plus précises que la traditionnelle “correction de continuité”. D’autre part, les résultats du modèle hydrodynamique sont fournis dans le domaine de la fréquence. La synthèse harmonique des séries chronologiques de vitesse simplifie l’interpolation et l’extrapolation des résultats du modèle hydrodynamique et l’utilisation de pas de calcul distincts dans les différentes composantes du système. Ensuite, l’intégration temporelle des flux de sédiments utilise un pas de temps adaptatif, pour réduire le temps de calcul. Finalement, un critère pour déterminer la nécessité d’une nouvelle simulation hydrodynamique est présenté. Le critère est basé sur l’importance des erreurs introduites par le champ de vitesse non actualisé par rapport à celles introduites par les formules de transport de sable.

Keywords:

• Morphodynamics
• tidal inlets
• finite volumes
• Guadiana estuary