Numerical modeling of wave-induced nearshore hydrodynamics in Rincón, Puerto Rico

Abstract

Coastal erosion is one of the most important problems affecting the health of Puerto Rico’s coasts. The beaches of the town of Rincón, located on the western part of Puerto Rico, have been some of the most affected by coastal erosion in the last several decades. Previous studies have quantified shoreline erosion and beach morphology change; however, there have been no dedicated hydrodynamic modeling studies of the region to better understand the hydrodynamic wave-induced processes which may be dominating the sediment transport mechanisms in Rincón. In the present study, numerical wave modeling and field data collection was conducted to analyze the wave-induced hydrodynamics of Rincón. A fully nonlinear Boussinesq wave model, BOUSS-2D; was implemented for the region using wave forcing obtained from a directional wave buoy. The model was then validated using wave data from pressure sensors, and wave-induced current trajectories were compared qualitatively with surfzone trajectories obtained from simple GPS-tracked drifters. The BOUSS-2D model was then used to evaluate the potential role of the construction of the Rincón marina in altering the regional wave-induced current patterns, as well as to examine four different case studies representative of wave events for the region. Two of these case studies evaluated typical wave events for the area while the other two scenarios simulated very severe events, namely, the March 2008 swell and the wave event caused by Hurricane Dean in 2007. Using simple field observations of grain size and seabed morphology, the critical shear stress necessary to cause sediment suspension was calculated, and the results from the BOUSS-2D model were used to compute the wave-induced shear stress at the seabed. The computed nondimensional shear stress was then compared to the nondimensional critical shear stress to determine possible hot spots of sediment suspension in the area during significant wave events. The results of the present study suggest that the construction of the Rincón marina did not cause a significant alteration to the wave-induced currents patterns in the area and that it may not be the main cause of coastal erosion in Rincón. The shear stress calculations suggest that there may be very strong sediment suspension at the Bajo Blanco sandbar, and that the sediment transport mechanisms at Bajo Blanco may be much more important to the regional sediment transport mechanisms of Rincón than the potential effects of the marina construction.

La erosión costera es uno de los problemas más importantes que afecta el bienestar de las costas de Puerto Rico. Las playas del municipio de Rincón, situado en la parte occidental de Puerto Rico, han sido unas de las más afectadas por la erosión costera en las pasadas décadas. Estudios previos han cuantificado la erosión costera y los cambios morfológicos de la playa; sin embargo, no ha habido estudios dedicados al modelaje hidrodinámico de la región para entender mejor los procesos hidrodinámicos inducidos por las olas, que podrían estar dominando el mecanismo de transporte de sedimentos en Rincón. En el presente estudio, se realizó un modelaje numérico de olas y se recopilaron datos de campo para analizar la hidrodinámica inducida por las olas en Rincón. Un modelo de olas Boussinesq completamente no linear, BOUSS-2D; fue implementado en la región, forzándolo con condiciones de borde de oleaje obtenidas de un boya de olas direccional. El modelo fue validado utilizando datos de olas de sensores de presión y la trayectoria de las corrientes inducidas por las olas fue comparada cualitativamente con la trayectoria en GPS de un cuerpo de deriva en la zona de rompientes. El modelo BOUSS-2D fue posteriormente utilizado para evaluar el rol potencial de la construcción de la marina de Rincón en la alteración de los patrones de las corrientes inducidas por las olas en la zona, así como para examinar cuatro estudios de caso de eventos de olas representativos en la región. Dos de estos estudios de caso evalúan eventos típicos de olas en el área, mientras que los otros dos simulan eventos más severos, es decir, la marejada de marzo 2008 y un evento de olas causado por el huracán Dean en el 2007. Utilizando observaciones de campo sencillas del tamaño de grano y la morfología del suelo marino, se calculó el estrés adimensional cortante crítico requerido para causar suspensión de sedimentos y los resultados obtenidos por BOUSS-2D se utilizaron para calcular el estrés cortante adimensional inducido por la ola en el suelo marino. El estrés cortante adimensional calculado se comparó con el estrés cortante crítico adimensional para determinar las posibles áreas de suspensión de sedimentos durante eventos significativos de olas. Los resultados del presente estudio indican que la construcción de la marina no causó una alteración significativa en los patrones de las corrientes inducidas por las olas en el área y que puede no ser la causa principal de la erosión costera en Rincón. Los cálculos de estrés cortante indican que hay una fuerte suspensión de sedimentos en el banco de arena Bajo Blanco y que los mecanismos de transporte de sedimentos en Bajo Blanco pueden ser mucho más importantes para los mecanismos de transporte de sedimentos en Rincón que los efectos potenciales de la construcción de la marina.