Wave runup on rocky coasts
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This study investigated wave runup on rocky coasts by considering both boulder beaches and
rocky platform beaches. The wave runup height is a key component in determining coastal
flooding hazard levels and coastal setback lines. Wave runup can be observed and measured
along a shoreline but can also be predicted by several numerical prediction methods. Methods
have been developed to predict wave runup on natural sandy shorelines and coastal protection
structures, such as the Nielsen & Hanslow (1991), the Mather et al (2011) and the Stockdon
et al (2006) models, the Coastal Engineering Manual (2006) and the EurOtop (2016) Manual,
but there are no prediction methods explicitly developed for natural rocky shorelines.
A characterisation of rocky coasts was developed to investigate wave action and runup on
boulder and rocky platform beaches. Topographic surveys, site observations and drone
photogrammetry products, namely Digital Terrain and Surface Models and Orthomosaic maps
were used. These were obtained at three boulder beach and three rocky platform sites, located
in Strand and Kogelbaai in False Bay, South Africa. A morphodynamic classification method
was applied along with an analysis of the structural characterisation factors, namely the profile
gradient, roughness and permeability. The Terrain Ruggedness Index and Vector Ruggedness
Measure in ArcGIS and a slope deviation method was used to analyse the roughness. The
permeability was based on the percentage of stationary rocks versus the percentage of sand
and cobbles and pebbles. Thereafter, a wave runup scoring system was developed based on
the forementioned structural characterisation factors.
Wave runup measurements were conducted at the Kogelbaai sites. The wave conditions were
recorded at the time of the tests and were used as inputs for the five forementioned prediction
methods. The measured runup heights were also used to test the wave runup scoring system.
The first application of the scoring system showed that it was useful, accurate and easy to use
and could be applied as a first estimate of the relative wave runup potential of different sites.
Physical modelling was conducted at the Stellenbosch University Hydraulics Laboratory in a
2D wave flume equipped with an HR Wallingford wavemaker. The model was a representative
profile based on Kogelbaai Site 1. Wave runup tests were conducted on a smooth impermeable
profile and an impermeable profile with boulders. Video footage of the wave runup tests were
visually analysed to obtain the wave runup heights above still water level.
The field data and physical modelling wave runup results were used to evaluate the prediction
methods. The initial analysis showed that the Stockdon (2006) Model and the Mather (2011) Model had the most accurate prediction values for the field data and the physical modelling
data sets respectively. Thereafter, further analyses were done by proposing a roughness
influence factor to adapt the prediction models, which enabled a significant improvement in the
prediction results at boulder beaches. The final recommendation was that the Stockdon (2006)
Model should be applied to predict wave runup on natural boulder beaches and the adapted
Stockdon (2006) Model, using 𝛾𝑟,𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘𝑑𝑜𝑛,𝐵𝐵 = −0.26 × 𝜉0 + 0.99, should be applied to predict
wave runup on impermeable profiles with boulders.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het golfoploop op rotsagtige kuste ondersoek deur rotsstrande en rotsagtige platformstrande in ag te neem. Die golfoploophoogte is 'n belangrike komponent in die bepaling van kus-oorstromingsgevaarvlakke en kus-ontwikkelings-terugsetlyne. Golfoploop kan waargeneem en gemeet word langs 'n kuslyn, maar kan ook voorspel word deur verkeie numeriese voorspellingsmetodes. Metodes is ontwikkel om golfoploop op natuurlike sandsstrande en kusbeskermingstrukture te voorspel, soos die Nielsen & Hanslow (1991), die Mather et al (2011) en die Stockdon et al (2006) modelle, die Coastal Engineering Manual (2006) en die EurOtop (2016) gids, maar daar is geen voorspellingsmetodes wat spesifiek ontwikkel is vir natuurlike rotsagtige kuslyne nie. 'n Karakterisering van rotsagtige kuste is ontwikkel om die golfaksie en -oploop op rotsstrande en rotsagtige platformstrande te ondersoek. Topografiese opmetings, terreinwaarnemings en hommeltuig-fotogrammetrie-produkte soos Digitale Terrein Modelle, Digitale Oppervlak Modelle en Ortomosaïek kaarte is gebruik. Dit is versamel vanaf drie rotsstrande en drie rotsagtige platformterreine, geleë in die Strand en Kogelbaai in Valsbaai, Suid-Afrika. 'n Morfodinamiese klassifikasiemetode is toegepas, tesame met 'n analise van die strukturele karakteriseringsfaktore, naamlik die profielhelling, ruheid en deurlaatbaarheid. Die Terrain Ruggedness Index en Vector Ruggedness Measure in ArcGIS en 'n hellingafwykingsmetode is gebruik om die ruheid te ontleed. Die deurlaatbaarheid is baseer op die persentasie van stationêre rotse teenoor die persentasie van sand en klippe. Daarna is 'n golfoplooppuntestelsel ontwikkel wat baseer is op die bogenoemde strukturele karakterisering. Golfoploopmetings is uitgevoer op die Kogelbaai terreine. Die golftoestande tydens die toetse is aangeteken en is gebruik as insette vir die vyf bogenoemde golfoploopvoorspellings metodes. Die gemete oploophoogtes is ook gebruik om die golfoplooppuntestelsel te toets. Hierdie eerste toepassing van die puntestelsel het gewys dat dit bruikbaar is, akkuraat is en maklik is om te gebruik en dat dit toegepas kan word as 'n eerste skatting van die relatiewe golfoplooppotensiaal van verskillende terreine. Fisiese modellering is uitgevoer by Universiteit van Stellenbosch se Hidrouliese Laboratorium in 'n 2D-kanaal wat toegerus is met 'n HR Wallingford-golfmaker. Die model was 'n verteenwoordigende model baseer op Kogelbaai Terrein 1. Golfoplooptoetse is uitgevoer op 'n gladde ondeurlatende profiel en 'n ondeurlatende profiel met klippe. Video-materiaal van die golfoplooptoetse is visueel ontleed om die golfoploophoogtes bo die stilwatervlak te verkry.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het golfoploop op rotsagtige kuste ondersoek deur rotsstrande en rotsagtige platformstrande in ag te neem. Die golfoploophoogte is 'n belangrike komponent in die bepaling van kus-oorstromingsgevaarvlakke en kus-ontwikkelings-terugsetlyne. Golfoploop kan waargeneem en gemeet word langs 'n kuslyn, maar kan ook voorspel word deur verkeie numeriese voorspellingsmetodes. Metodes is ontwikkel om golfoploop op natuurlike sandsstrande en kusbeskermingstrukture te voorspel, soos die Nielsen & Hanslow (1991), die Mather et al (2011) en die Stockdon et al (2006) modelle, die Coastal Engineering Manual (2006) en die EurOtop (2016) gids, maar daar is geen voorspellingsmetodes wat spesifiek ontwikkel is vir natuurlike rotsagtige kuslyne nie. 'n Karakterisering van rotsagtige kuste is ontwikkel om die golfaksie en -oploop op rotsstrande en rotsagtige platformstrande te ondersoek. Topografiese opmetings, terreinwaarnemings en hommeltuig-fotogrammetrie-produkte soos Digitale Terrein Modelle, Digitale Oppervlak Modelle en Ortomosaïek kaarte is gebruik. Dit is versamel vanaf drie rotsstrande en drie rotsagtige platformterreine, geleë in die Strand en Kogelbaai in Valsbaai, Suid-Afrika. 'n Morfodinamiese klassifikasiemetode is toegepas, tesame met 'n analise van die strukturele karakteriseringsfaktore, naamlik die profielhelling, ruheid en deurlaatbaarheid. Die Terrain Ruggedness Index en Vector Ruggedness Measure in ArcGIS en 'n hellingafwykingsmetode is gebruik om die ruheid te ontleed. Die deurlaatbaarheid is baseer op die persentasie van stationêre rotse teenoor die persentasie van sand en klippe. Daarna is 'n golfoplooppuntestelsel ontwikkel wat baseer is op die bogenoemde strukturele karakterisering. Golfoploopmetings is uitgevoer op die Kogelbaai terreine. Die golftoestande tydens die toetse is aangeteken en is gebruik as insette vir die vyf bogenoemde golfoploopvoorspellings metodes. Die gemete oploophoogtes is ook gebruik om die golfoplooppuntestelsel te toets. Hierdie eerste toepassing van die puntestelsel het gewys dat dit bruikbaar is, akkuraat is en maklik is om te gebruik en dat dit toegepas kan word as 'n eerste skatting van die relatiewe golfoplooppotensiaal van verskillende terreine. Fisiese modellering is uitgevoer by Universiteit van Stellenbosch se Hidrouliese Laboratorium in 'n 2D-kanaal wat toegerus is met 'n HR Wallingford-golfmaker. Die model was 'n verteenwoordigende model baseer op Kogelbaai Terrein 1. Golfoplooptoetse is uitgevoer op 'n gladde ondeurlatende profiel en 'n ondeurlatende profiel met klippe. Video-materiaal van die golfoplooptoetse is visueel ontleed om die golfoploophoogtes bo die stilwatervlak te verkry.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Rocky platforms, UCTD, Wave Runup, Ocean waves, Coasts -- Rockey