An Experimental Study of Multifunctional Modular Units as Artificial Reefs

Abstract

An artificial reef is a submerged structure placed on the seabed that mimics the characteristics of a natural reef – such as providing habitats and shelter for marine life and protecting the coastline from waves and erosion. The growing interest in artificial reefs as coastal protection systems has been observed in the past decades, as with other nature-based solutions. Current technology on artificial reefs makes use of simple to complex shapes adapted to local species, however, it is challenged by coastal environments with specific conditions such as in the English Channel on the Normandy coast. This study developed an artificial reef design adapted to conditions like in this location and makes use of modular units that are simple, cubic, porous, and self-placing – arranged to form a stable pyramidal macrostructure to attenuate waves and provide ecosystem services in the long-term. The study focused on hydrodynamic performance by using metrics of transmission, dissipation, and reflection. Physical model tests of Froude scaling 1:10 were conducted on different configurations made of these modular units. Three stages of testing: preliminary, initial, and targeted, were performed. Regular and irregular waves were conducted and a total of five configurations were tested. Good hydrodynamic performance, where the transmission coefficient reached a value of at least 0.7 for most test cases, was observed for two configurations, C3 and C4. The experimental transmission coefficients were compared with the calculated transmission coefficients of an equivalent submerged (permeable) breakwater using empirical equation of d’Angremond et al. (1996) and were observed to be performing comparably. The roughness and voids of these configurations make it desirable for ecological applications as an artificial reef. There is potential in utilizing this artificial reef design for its hydrodynamic performance.

Un escull artificial és una estructura submergida col·locada al fons marí que imita les característiques d’un escull natural, com proporcionar hàbitats i refugi per a la vida marina i protegir la línia de costa de les onades i l’erosió. Durant les últimes dècades s’ha observat un interès creixent pels esculls artificials com a sistemes de protecció costanera, així com altres solucions basades en la natura. La tecnologia actual en esculls artificials utilitza formes senzilles a complexes adaptades a les espècies locals, però es veu desafiada per entorns costaners amb condicions específiques, com al canal de la Mànega, a la costa de Normandia. Aquest estudi ha desenvolupat un disseny d’escull artificial adaptat a condicions similars a aquesta ubicació i fa ús d’unitats modulars que són senzilles, cúbiques, poroses i d'auto-col·locació, disposades per formar una macroestructura piramidal estable per atenuar les onades i proporcionar serveis ecosistèmics a llarg termini. L’estudi s’ha centrat en el rendiment hidrodinàmic utilitzant mètriques de transmissió, dissipació i reflexió. S’han realitzat proves amb models físics a escala de Froude 1:10 sobre diferents configuracions formades per aquestes unitats modulars. S’han dut a terme tres etapes de proves: preliminar, inicial i dirigida. Es van utilitzar onades regulars i irregulars, i es van provar un total de cinc configuracions. S’ha observat un bon rendiment hidrodinàmic, on el coeficient de transmissió va assolir un valor d’almenys 0,7 en la majoria dels casos de prova, per a dues configuracions, C3 i C4. Els coeficients de transmissió experimentals es van comparar amb els coeficients de transmissió calculats d’un trencant submergit (permeable) equivalent utilitzant l’equació empírica de d’Angremond et al. (1996) i es va observar un rendiment comparable. La rugositat i els buits d’aquestes configuracions fan que sigui desitjable per a aplicacions ecològiques com a escull artificial. Hi ha potencial per utilitzar aquest disseny d'escull artificial pel seu rendiment hidrodinàmic