Discontinuity in equilibrium wave–current ripple size and shape caused by a winnowing threshold in cohesive sand–clay beds

Sediments composed of mixed cohesive clay and non-cohesive sand are widespread in a range of aquatic environments. The dynamics of ripples in mixed sand–clay substrates have been studied under pure current and pure wave conditions. However, the effect of cohesive clay on ripple development under combined currents and waves has not been examined, even though combined flows are common in estuaries, particularly during storms. Based on a series of large flume experiments on ripple development under combined flows, we identified a robust inverse relationship between initial bed clay content, C0, and ripple growth rate. The experimental results also revealed two distinct types of equilibrium combined-flow ripples on mixed sand–clay beds: (a) large asymmetrical ripples with dimensions and plan geometries comparable to clean-sand counterparts for C0 ≤ 10.6%; and (b) small, flat ripples for C0 > 11%. The increase in bed cohesion contributed to this discontinuity, expressed most clearly in a sharp reduction in equilibrium ripple height, and thus a significant reduction in bed roughness, which implies that the performance of existing ripple predictors can be improved by the incorporation of this physical cohesive effect. These improvements are particularly important for sediment transport and morphodynamic models in muddy estuarine environments. For C0 ≤ 10.6%, strong clay winnowing efficiency under combined flows resulted in the formation of equilibrium clean-sand ripples and clay loss at depths far below the ripple base. In natural environments, this ‘deep cleaning’ of bed clay may cause a concurrent sudden release of a large amount of pollutants during storms, and lead to a sudden reduction in post-storm resistance to erosion of mixed sand–clay substrates.

An Idealized 3D Model of Interfacial Instability of Aeolian Bedform

An idealized morphodynamic model is constructed for formation of the aeolian sand ripples from small bottom perturbations of a two-dimensional sand bed. The main goal of the analysis is to evaluate the influence of the gravity flow (including “impact-induced gravity flow” in the reptation flux and “topography-induced gravity flow” in the creep flux) on the formation of the aeolian sand ripples and to clarify the relative contribution of various factors to the bed instability. A 3D linear stability analysis reveals that gravity flow appreciably affects the dynamics behaviors of aeolian sand ripples, which decreases the growth rate of sand ripples, tends to stabilize the sand bed, and leads to longer wavelength. We found that the competition between the destabilizing effect of reptation flow and the stabilizing effects of gravity flow leads to pattern selection. The along-crest diffusion of topography driven by impact and gravity is beneficial to the transverse stability of sand ripples, producing sand ripples with straighter and more continuous crests. For moderate values of D, the most unstable mode has zero value of the transverse wavenumber (ky = 0), thus corresponding to aeolian ripples with crests perpendicular to the wind. Moreover, when the impact angle is 9–16°, it has little effect on the characteristics of sand ripples for the initial stage of ripple development. For every increase of the impact angle by 1°, the initial wavelength only increases by about 1.5%. In conclusion, the influence of the gravity flow on the dynamics of sand ripples formation stage cannot be neglected.

3D Direct Numerical Simulation on the Emergence and Development of Aeolian Sand Ripples

A sand surface subjected to a continuous wind field exhibits a regular ripple surface. These aeolian sand ripples emerge and develop under the coupling effect between the wind field, bed surface topology, and sand particle transportation. Lots of theoretical and numerical models have been established to study the aeolian sand ripples since the last century, but none of them has the capability to directly reproduce the 3D long-term development of them. In this work, a novel numerical model with wind-blow sand and dynamic bedform is established. The emergence and long-term development of sand ripples can be obtained directly. The statistical results extracted from this model tally with those deduced from wind tunnel experiments and field observations. A simplified bed surface particle size description procedure is used in this model, which shows that the particle size distribution makes a very important contribution to sand ripples’ final steady state. This 3D bedform provides a more holistic view on the merging of small bumps before regular ripples’ formation. Analyzing the wind field results reveals an ignored development on the particle dynamic threshold during the bedform deformation.

Αριθμητική διερεύνηση παράκτιων διεργασιών υπεράνω τρισδιάστατου πυθμένα και ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής περιλαμβάνει δύο θεματικές ενότητες στο γενικότερο πλαίσιο της διερεύνησης των παράκτιων διεργασιών: α) Επίδραση των τρισδιάστατων (3Δ) πτυχώσεων (αμμοκυματίων, sand ripples) πυθμένα στο τυρβώδες οριακό στρώμα κυμάτων και β) Αποτελεσματικότητα ακτής με τεχνητή αναπλήρωση οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό. Όλα τα αποτελέσματα προέκυψαν από προσομοιώσεις που βασίζονται στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier–Stokes ασυμπίεστης ροής. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται με τη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών (large-eddy simulation). Η εφαρμογή των οριακών συνθηκών του ρευστού στην 3Δ επιφάνεια του πυθμένα γίνεται μέσω μίας τροποποιημένης μεθόδου Εμβαπτισμένου Ορίου για παράκτιες και ποτάμιες ροές. Στην περίπτωση της προσομοίωσης προσπιπτόντων κυμάτων σε ακτή, οι εξισώσεις Navier–Stokes επιλύονται για διφασική ροή και η εξέλιξη της ελεύθερης επιφάνειας παρακολουθείται με τη μέθοδο level-set. Στην περιοχή της κυματογενούς αναρρίχησης, η ακτή αντιμετωπίζεται ως πορώδες μέσο, μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων των εξισώσεων Navier–Stokes. Για να επιτευχθούν προσομοιώσεις με μεγάλους αριθμούς Reynolds, χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο τοιχώματος για την επιβολή της συνθήκης μη ολίσθησης στον πυθμένα.Οκτώ περιπτώσεις πυθμένα με πτυχώσεις προσομοιώθηκαν αριθμητικά. Για να δημιουργηθούν τα μεταβατικά στάδια του 3Δ πυθμένα, εισήχθη μία ημιτονοειδής κορυφή στην κεντρική πτύχωση, διατηρώντας σταθερό το ύψος και μεταβάλλοντας το μήκος του. Διαπιστώθηκε πως υπεράνω του 3Δ πυθμένα, οι περιοχές με απότομες κλίσεις δημιουργούν μεγαλύτερους στροβίλους από τις περιοχές με πιο ήπιες κλίσεις. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική δευτερεύουσα εγκάρσια ροή με ταχύτητες ~0.1Uo και σημαντικούς διαμήκεις στροβίλους στην περιοχή της 3Δ κορυφής. Οι περιοχές με δυνητικά υψηλότερους ρυθμούς διάβρωσης εντοπίστηκαν βάσει της διατμητικής τάσης και η ασύμμετρη κατανομή της που παρατηρήθηκε εικάζεται πως συμβάλλουν στην εξέλιξη προς τη 2Δ κατάσταση ισορροπίας. Τα ρεύματα γύρω από την 3Δ πτύχωση εμφανίζουν υψηλότερες μέσες ταχύτητες στην απότομη πλευρά της σε σχέση με την ήπια, συμβάλλοντας επίσης στην τελική 2Δ διαμόρφωση της. Τέλος, εκτιμήθηκε η αντίσταση του πυθμένα με πτυχώσεις και βρέθηκε πως η 2Δ πτύχωση ισορροπίας παρουσιάζει τη μικρότερη αντίσταση σε σύγκριση με τις υπόλοιπες 3Δ πτυχώσεις που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη.Αναφορικά με τα αποτελέσματα της τεχνητής αναπλήρωσης οριοθετούμενη από ύφαλο αναβαθμό (ΤΑΥΑ), διαπιστώθηκε πως το ύψος κύματος στη θραύση δεν επηρεάζεται για τον μεσαίο και μικρό κυματισμό, ενώ είναι ελαφρώς μειωμένο για το μεγάλο κύμα στην ΤΑΥΑ. Ισχυρές δομές στροβιλισμού παρατηρήθηκαν κοντά στον αναβαθμό στις περιπτώσεις που το κύμα θραύεται λόγω αυτού και συνδέθηκαν με ενδεχομένως πιο έντονη μεταφορά ιζήματος, οδηγώντας έτσι στην υποσκαφή του. Η παρατήρηση αυτή ενισχύεται και από τα αποτελέσματα της διατμητικής τάσης που έδειξαν αύξηση της στην περιοχή του αναβαθμού. Σε όλες τις περιπτώσεις, η αύξηση της διατμητικής τάσης κατά απόλυτη τιμή προέκυψε περίπου διπλάσια, τονίζοντας έτσι πως το υλικό εμπλουτισμού πρέπει να επιλεχθεί πιο χονδρόκοκκο (τουλάχιστον με διπλάσια διάμετρο) από το υφιστάμενο ίζημα, ώστε το προφίλ του πυθμένα να έχει την ίδια μορφοδυναμική συμπεριφορά με το υφιστάμενο. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε αύξηση της ταχύτητας του υποβρύχιου κυματογενούς ρεύματος στις περιπτώσεις με ΤΑΥΑ. Τέλος, η παρουσία της ΤΑΥΑ έχει τετραπλασιάσει περίπου τις ανακλώμενες συνθήκες σε σχέση με την απροστάτευτη παραλία, συμβάλλοντας σημαντικά στη μείωση της προσπίπτουσας κυματικής ενέργειας.

Measuring Centimeter-Scale Sand Ripples Using Multibeam Echosounder Backscatter Data from the Brown Bank Area of the Dutch Continental Shelf

Backscatter data from multibeam echosounders are commonly used to classify seafloor sediment composition. Previously, it was found that the survey azimuth affects backscatter when small organized seafloor structures, such as sand ripples, are present. These sand ripples are too small to be detected in the multibeam bathymetry. Here, we show that such azimuth effects are time dependent and are useful to examine the orientation of sand ripples in relation to the flow direction of the tide. To this end, multibeam echosounder data at four different frequencies were gathered from the area of the Brown Bank in the North Sea. The acoustic results were compared to video and tide-flow data for validation. The sand ripples affected the backscatter at all frequencies, but for the lowest frequencies the effect was spread over more beam angles. Using the acoustic data made it possible to deduce the orientations of the sand ripples over areas of multiple square kilometers. We found that the top centimeter(s) of the seafloor undergoes a complete transformation every six hours, as the orientation of the sand ripples changes with the changing tide. Our methodology allows for morphology change detection at larger scales and higher resolutions than previously achieved.

Megaripple Migration Offers Insights into Martian Atmosphere

The movement of large sand ripples, documented for the first time, suggests Mars is windier than we thought.