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 se ha incrementado considerablemente en los últimos años, sin embargo, los procesos detrás de este fenómeno aún no se conocen por completo. Este artículo analiza y compara simulaciones numéricas de cambios morfológicos causados ​​por ondas N de elevación y depresión principales y ondas de tsunami que se propagan a través de un canal con una pendiente de fondo simple. Las simulaciones se realizaron mediante un modelo numérico bidimensional-vertical acoplado de flujo, transporte de sedimentos y morfodinámica. 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 la ola. Se estudiaron cuatro formas de onda de tsunami para probar la idoneidad de las ondas N en el modelado de los cambios morfológicos causados ​​por los tsunamis. En el modelado realizado aquí, los valores runup estaban bastante bien representados por ondas N. Las ondas N también representaron cualitativamente bien 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 de tsunami, muy probablemente debido a las diferencias en la inclinación de las olas. Por lo tanto, incluso cuando las ondas N pueden y han sido utilizadas para representar la carrera de tsunami y la distancia de inundación, nuestros resultados sugieren que deben considerarse con precaución cuando pretenden predecir magnitudes de velocidades de flujo de tsunami y, en consecuencia, cambios morfológicos. El uso de ondas N para simular cambios morfológicos causados ​​por tsunamis aún no converge y debe investigarse más a fondo.