Biogeomorphology of Coastal Seas
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
BIOGEOMORPHOLOGY OF COASTAL SEAS OF COASTAL BIOGEOMORPHOLOGY Benthic organisms live in the top UITNODIGING centimeters of the seabed and change the BIOGEOMORPHOLOGY OF COASTAL SEAS structure of the seabed in ways not done by physical processes alone, either by Graag nodig ik u uit voor reworking the sediment (e.g. bioturbators) How benthic organisms, hydrodynamics and sediment het bijwonen van de openbare or by providing structures (e.g. tube- dynamics shape tidal sand waves verdediging van mijn building worms) and thereby create, proefschrift, op modify and maintain habitats. vrijdag 26 oktober 2012 Due to the interaction between the tidal om 17:00 uur precies. current and the sandy seabed tidal sand waves are formed, which change in form continuously and thereby controlling De verdediging vindt the spatial and temporal distribution of plaats in gebouw benthic organisms. ‘de Waaier’ van de Universiteit Twente This thesis investigates the mutual interactions between small-scale benthic te Enschede. organisms and the large-scale underwater landscape of coastal seas, by combining Voorafgaand aan de field observations, flume experiments and model studies. verdediging geef ik om 16.45 uur een korte toelichting Bas Borsje conducted his PhD research at op mijn promotieonderzoek. the Department of Civil Engineering of the University of Twente in the Netherlands. U bent tevens van harte welkom op de receptie na afloop. Bas Borsje Paranimfen: Matthijs Lemans [email protected] Bas W. Borsje W. Bas Wouter Kranenburg [email protected] ISBN 978-90-365-3434-5 Bas W. Borsje BIOGEOMORPHOLOGY OF COASTAL SEAS How benthic organisms, hydrodynamics and sediment dynamics shape tidal sand waves Promotion committee: prof. dr. F.Eising UniversityofTwente,chairmanandsecretary prof. dr. S.J.M.H. Hulscher University of Twente, promotor prof. dr. P.M.J. Herman Radboud University Nijmegen, promotor prof.dr.S.Degraer GhentUniversity prof. dr. ir. H. Ridderinkhof Utrecht University prof. dr. ir. H.J. De Vriend University of Twente dr.P.LeHir IFREMER dr.ir.M.J.Baptist IMARES dr. ir. D.C.M.Augustijn UniversityofTwente ISBN 978-90-365-3434-5 Copyright c 2012 by Bas W. Borsje Cover: Sand ripples and sand tubes at Studland (UK), courtesy of Jessica Winder Printed by GildePrint, Enschede, The Netherlands BIOGEOMORPHOLOGY OF COASTAL SEAS How benthic organisms, hydrodynamics and sediment dynamics shape tidal sand waves PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Twente, op gezag van de rector magnificus, prof. dr. H. Brinksma, volgens besluit van het College voor Promoties in het openbaar te verdedigen op vrijdag 26 oktober 2012 om 16.45 uur door Bastiaan Wijnand Borsje geboren op 16 juni 1983 te Ede Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren: prof. dr. S.J.M.H. Hulscher prof. dr. P.M.J. Herman ’...de zee en ik hadden een grandioos gesprek...’ (Acda and De Munnik, 1997) Contents Voorwoord 11 Summary 13 Samenvatting 15 1 Introduction 17 1.1 Biogeomorphologyofcoastalseas . 17 1.2 Subtidalseabedpatterns. 19 1.3 Ecosystemengineeringspecies. 19 1.4 Problemformulation ............................. 21 1.5 Research approaches: field observations, flume experiments and model studies..................................... 21 1.6 Understandingtidalsandwaveformation . 23 1.7 Objectivesandresearchquestions. 24 1.8 Outlineofthethesis ............................. 24 2 Modeling tidal sand wave formation in a numerical shallow water model 27 2.1 Introduction.................................. 28 2.2 Modeldescription............................... 30 2.2.1 Hydrodynamics............................ 30 2.2.2 Sedimenttransportandbedevolution . 31 2.2.3 Modelset-up ............................. 32 2.3 Results..................................... 33 2.3.1 Hydrodynamics............................ 33 2.3.2 Bedevolution............................. 35 2.3.3 Migration ............................... 37 2.4 Comparisonmodelresultsandfielddata . 40 2.5 Discussion................................... 41 2.6 Conclusions .................................. 44 3 The role of suspended load transport in the occurrence of tidal sand waves 45 3.1 Introduction.................................. 46 3.2 Field data on sand wave occurrence and transport regime . ....... 47 3.3 Modeldescription............................... 50 3.3.1 Hydrodynamics............................ 50 3.3.2 Sedimenttransportandbedevolution . 51 8 Contents 3.3.3 Modelset-up ............................. 52 3.4 Results..................................... 54 3.4.1 Sedimenttransportrates . 54 3.4.2 Bedevolution............................. 57 3.4.3 Critical conditions for sand wave generation . ..... 59 3.5 Discussion................................... 60 3.6 Conclusions .................................. 61 4 Modeling biogeomorphological influences for offshore sand waves 63 4.1 Introduction.................................. 64 4.2 OffshoreenvironmentoftheDutchCoast . 64 4.3 Impact of subtidal biota on sediment dynamics and hydrodynamics. 68 4.4 Modeling the role of biogeomorphological influences on seabed patterns 70 4.4.1 Parameterization of biological activity . ..... 72 4.4.2 Modelingresults ........................... 74 4.5 Discussion................................... 77 4.6 Conclusions .................................. 79 5 On the paramaterization of biological influences on offshore sand wave dynamics 81 5.1 Introduction.................................. 82 5.2 Parameterization of biological activity . ....... 82 5.2.1 Tube-building worm - Lanice conchilega .............. 84 5.2.2 Bivalve - Tellina fabula ....................... 86 5.2.3 Sea urchin - Echinocardium cordatum ............... 87 5.3 Modeling biogeomorphological interactions for offshore sand waves . 88 5.3.1 Biogeomorphological model description . 88 5.3.2 Studyarea .............................. 92 5.3.3 Results ................................ 94 5.4 Discussion................................... 96 5.5 Conclusions .................................. 97 6 Creation and degradation rates of biogeomorphological structures: a study on the tube-building polychaete Lanice conchilega 99 6.1 Introduction.................................. 100 6.2 MaterialandMethods ............................ 102 6.2.1 Flume experiments for model validation . 102 6.2.2 Modelset-up ............................. 103 6.2.3 Distinguishing the dominant transport mode by Rouse number . 107 6.3 Results..................................... 107 6.3.1 Hydrodynamic effects of patches - measurements & modeling . 107 6.3.2 Modeling geomorphodynamics of patches - biological factors . 110 6.3.3 Modeling geomorphodynamics of patches - physical factors . 110 6.3.4 Modeling geomorphodynamics of patches - degradation . 113 6.4 DiscussionandConclusions . 113 9 7 Modeling bio-physical influences on seasonal variation in sand wave dynamics 117 7.1 Introduction.................................. 118 7.2 Studyarea................................... 119 7.3 Dataandmodelset-up............................ 120 7.4 Results..................................... 122 7.5 Discussion................................... 124 7.6 Conclusions .................................. 125 8 Self-organization in the underwater landscape: exploring bio-physical interactions in tidal sand wave fields 127 8.1 Introduction.................................. 128 8.2 Model ..................................... 130 8.2.1 Schematizedsandwavemodel. 130 8.2.2 Self-organizationalsandwavemodel . 131 8.2.3 Bio-dynamicsandwavemodel . 132 8.3 ModelResults................................. 133 8.3.1 Schematizedsandwavemodel. 133 8.3.2 Self-organizationalsandwavemodel . 134 8.3.3 Bio-dynamicsandwavemodel . 138 8.4 Discussion................................... 140 8.5 Conclusions .................................. 141 9 Discussion and Conclusions 143 9.1 Discussion................................... 143 9.1.1 Understanding the formation of landscapes . 143 9.1.2 Biogeomorphological interactions in landscape formation . 145 9.1.3 Validation of biogeomorphological interactions . ....... 146 9.1.4 Impact of anthropogenic influences on the coupled system . 147 9.2 Conclusions .................................. 148 Bibliography 151 List of publications 165 About the author 169 10 Contents Voorwoord De zee en ik hebben altijd al een bijzondere band gehad. In mijn jeugd heb ik uren aan het strand gespeeld tegen en met het water. Hoe eb en vloed veroorzaakt worden en waarom golven breken, daar hield ik me toen niet mee bezig: ik genoot gewoon! Jaren later toen ik Civiele Techniek ging studeren begon ik de fysica te verklaren en te begrijpen en begon ik het leuk te vinden om de interactie tussen organismen, water en zand te onderzoeken. Ik vond het daarom ook erg leerzaam om tijdens mijn afstudeerscriptie bezig te zijn met deze interactie, en daarom wil ik als eerste Mindert de Vries bedanken voor de kans die hij mij gaf om bij WL Delft Hydraulics hiermee aan | de slag te gaan. Jouw enthousiaste manier van begeleiden, vragen stellen, meedenken en meeleven hebben de basis gelegd voor het onderwerp van mijn promotieonderzoek. Toen Suzanne Hulscher mij vervolgens de vraag stelde om te promoveren binnen haar groep was de keuze snel gemaakt. Suzanne, ik wil je bedanken voor het ver- trouwen in mijn onderzoek en het stimuleren om steeds weer de grens van het bekende te verleggen. Mede hierdoor zie ik er ook naar uit om de komende tijd onderdeel uit te blijven maken van de vakgroep in Twente. Tijdens mijn onderzoek heb ik tevens