Effectiveness of N-waves for predicting morphological changes due to tsunamis

Abstract

The research on morphological changes caused by tsunamis has increased considerably in the last few years, yet the processes behind this phenomenon are still not fully understood. This paper analyzes and compares numerical simulations of morphological changes caused by the leading elevation and leading depression N-waves and tsunami waves propagating over a channel with a simple bed slope. The simulations were carried out by means of a coupled flow, sediment transport and morphodynamic two-dimensional-vertical numerical model. The modeled channel bed was composed of cohesionless sediments, and range of values for the bed slope and the wave height were employed. Four tsunami waveforms were studied to test the appropriateness of N-waves in modeling the morphological changes caused by tsunamis. On the modeling performed here, runup values were quite well represented by N-waves. N-waves also represented qualitatively well the morphological changes caused by tsunamis. Yet, values of flow velocities and suspended sediment concentration showed more severe deviations from the modeled results corresponding with tsunami waves, very likely due to differences on the steepness of the waves. Therefore, even when N-waves can and have been used to represent tsunami runup and inundation distance, our results suggest that they should be considered with caution when intended to predict magnitudes of tsunami flow velocities and consequently morphological changes. The use of N-waves to simulate morphological changes caused by tsunamis is not yet converging and must be further investigated.

La investigación sobre los cambios morfológicos causados ​​por los tsunamis ha aumentado considerablemente en los últimos años, sin embargo, los procesos detrás de este fenómeno aún no se comprenden completamente. Este artículo analiza y compara simulaciones numéricas de cambios morfológicos causados ​​por las ondas N y tsunami de elevación y depresión principales que se propagan sobre un canal con una simple pendiente del lecho. Las simulaciones se llevaron a cabo mediante un flujo acoplado, transporte de sedimentos y un modelo numérico bidimensional-vertical morfodinámico. El lecho del canal modelado estaba compuesto por sedimentos sin cohesión, y se empleó un rango de valores para la pendiente del lecho y la altura de las olas. Se estudiaron cuatro formas de onda de tsunami para evaluar la idoneidad de las ondas N en el modelado de los cambios morfológicos causados ​​por los tsunamis. En el modelado realizado aquí, los valores de ejecución estaban bastante bien representados por las ondas N. Las ondas N también representaron cualitativamente los cambios morfológicos causados ​​por los tsunamis. Sin embargo, los valores de las velocidades de flujo y la concentración de sedimentos suspendidos mostraron desviaciones más severas de los resultados modelados correspondientes a las olas del tsunami, muy probablemente debido a las diferencias en la inclinación de las olas. Por lo tanto, incluso cuando las ondas N pueden y se han usado para representar la distancia de inundación y tsunami, nuestros resultados sugieren que deben considerarse con precaución cuando se pretende predecir las magnitudes de las velocidades de flujo del tsunami y, en consecuencia, los cambios morfológicos. El uso de ondas N para simular cambios morfológicos causados ​​por tsunamis aún no converge y debe investigarse más a fondo.