Numerical modelling of marine dunes in a shallow shelf sea in an offshore wind farm context
Modélisation numérique de la dynamique des dunes marines dans une mer peu profonde dans le contexte d'un parc éolien
Résumé
Marine dunes, also known as sand waves, are large sedimentary bedforms found on the seabed of shallow shelf seas. They migrate under the combined influence of tidal currents, winds, and waves, moving at rates of up to tens of metres per year. This dynamic behaviour is relevant to human activities, such as renewable energy projects. However, the morphology and dynamics of dunes in open marine environments are not well understood. Most modelling research to date has relied on two-dimensional vertical representations, ignoring lateral variations along the dune crests. Previous studies have largely used simplified hydrometeorological forcing, such as representative tidal currents and winds.The present research aims to extend our knowledge of marine dune dynamics and modelling over time and space scales ranging from days to years and metres to kilometres. It also seeks to advance our understanding of the interactions between marine dunes and offshore wind farm (OWF) foundations. To achieve this, we have developed a three-dimensional (3D) coastal area model using the openTELEMAC system for an application offshore Dunkirk, France. The area, proposed site for a 600 MW offshore wind project, is characterised by large marine dunes.Extensive site-specific surveys have been conducted, providing data to characterise the meteorological forcing, hydrodynamics, sedimentology, and morphodynamics of the area. The region is influenced by strong tidal flows, with near-bed currents up to 0.9 m/s, and winds predominantly from the southwest and, to a lesser extent, from the north. The seabed is mainly composed of reasonably well sorted gravelly sands with median grain sizes between 240 µm and 450 µm. There is little evidence of spatial or seasonal trends in the sediment data. The surveys document the evolution of large marine dunes with heights between 2 m and 3 m, travelling at a net rate of approximately 30 m/year.Our 3D numerical model, validated with the in situ data, was shown to accurately simulate hydrodynamics and dune dynamics. Simplifying assumptions excluded wave effects and focused on bedload transport. Two sediment transport predictors were evaluated in detail: the Soulsby and van Rijn predictor (SvR97), which was noted for its robustness and suitability for long-term modelling, and the Soulsby and Damgaard predictor (SD05), which accurately reflected the morphology of the dune but produced instabilities in the long term. Therefore, the SvR97 predictor was used in our research.To determine the contribution of wind-induced currents compared to tide-induced currents to the dynamics of large marine dunes, a 4-month period was simulated, with and without meteorological effects included in the numerical model. The results show that the migration of marine dunes is closely related to the amplitude and direction of the residual flow, which are influenced by wind conditions. Therefore, meteorological forcing is necessary to accurately represent seabed changes over time. Although deviations in wind direction from the prevailing pattern have the potential to temporarily reverse the general migration trend, they are too sporadic to fundamentally alter the sediment dynamics in the study area.To understand the impact of OWF foundations on the dynamics of large marine dunes, exploratory scenarios with a single monopile were run for a period of 2 years. These scenarios were later extended to a realistic scenario consisting of 46 wind turbines within the proposed Dunkirk OWF footprint. Our results show that monopiles significantly affect their environment, causing dunes to converge towards them along the tidal flow axis, which we linked to the ‘wake effect’. This effect accelerates dune propagation, highlighting the need for careful siting of wind turbines to mitigate impacts on dune fields. These findings bridge the gap between studies at the OWF level and those at the monopile level.
Les dunes marines sont de grandes formes sédimentaires présentes au fond des mers épicontinentales peu profondes. Sous l'influence des courants de marée, vents et vagues, elles peuvent migrer jusqu’à des dizaines de mètres par an, et impacter les projets d'énergie renouvelable. Cependant, la morphologie et la dynamique des dunes dans les environnements marins ouverts ne sont pas bien comprises. Les recherches menées jusqu'à présent en modélisation se sont appuyées sur des représentations verticales bidimensionnelles, ignorant les variations latérales le long des crêtes de dunes, et utilisant des forçages hydrométéorologiques simplifiés.La contribution présente vise à étendre notre connaissance de la dynamique et de la modélisation des dunes marines sur des échelles de temps de jours à années et d'espace de mètres à kilomètres, et à améliorer notre compréhension des interactions entre les dunes marines et les fondations de parcs éoliens en mer. Pour ce faire, nous avons développé un modèle tridimensionnel (3D) avec le système openTELEMAC pour une application dans le sud de la mer du Nord, au large de Dunkerque, France. Cette zone, proposée pour un projet éolien en mer de 600 MW, est caractérisée par de grandes dunes marines.Le forçage météorologique, l'hydrodynamique, la sédimentologie et la morphodynamique de la zone ont été caractérisés grâce à des données spécifiques au site. La région est influencée par de forts courants de marée, pouvant atteindre 0,9 m/s près du fond, et des vents provenant principalement du sud-ouest et, dans une moindre mesure, du nord. Les fonds marins sont principalement composés de sables graveleux raisonnablement bien triés, dont la taille médiane des grains se situe entre 240 µm et 450 µm, sans tendances spatiales ou saisonnières. De grandes dunes marines d'une hauteur comprise entre 2 et 3 m se déplacent à une vitesse nette d'environ 30 m/an.Notre modèle numérique 3D, validé avec ces données in situ, simule avec précision l'hydrodynamique et la dynamique des dunes. Les effets des vagues sont exclus. Deux prédicteurs de transport de sédiments ont été évalués en détail : le prédicteur de Soulsby et van Rijn (SvR97), qui a été noté pour sa robustesse et son aptitude à la modélisation à long terme, et le prédicteur de Soulsby et Damgaard (SD05), qui a reflété avec précision la morphologie des dunes mais provoque des instabilités à long terme. C'est donc le prédicteur SvR97 qui a été utilisé dans notre recherche.Afin de déterminer la contribution à la dynamique des dunes marines des courants induits par le vent par rapport aux courants de marées, une période de 4 mois a été simulée, avec et sans effets météorologiques. Les résultats montrent que la migration des dunes est étroitement liée à l'amplitude et à la direction du courant résiduel, qui sont influencées par les conditions de vent. Par conséquent, le forçage météorologique est nécessaire pour représenter avec précision les changements du fond marin au fil du temps. Bien que des déviations de la direction du vent par rapport à la tendance dominante puissent temporairement inverser la direction de migration, elles sont trop sporadiques pour modifier fondamentalement la dynamique sédimentaire de la région.Pour comprendre l'impact des fondations des éoliennes sur la dynamique des dunes marines, des scénarios exploratoires avec un seul monopieu ont été exécutés sur une période de 2 ans. Ces scénarios ont ensuite été étendus à un scénario réaliste comprenant 46 éoliennes dans le parc de Dunkerque. Nos résultats montrent que les monopieux ont un impact significatif sur leur environnement, provoquant la convergence des dunes le long de l'axe des courants de marée, ce que nous avons lié à l'« effet de sillage », qui accélère la propagation des dunes. Une implantation soigneusement étudiée des éoliennes est donc nécessaire pour atténuer les impacts sur les champs de dunes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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