+ All Categories
Home > Documents > Pilot study Gdynia – Numerical modelling -...

Pilot study Gdynia – Numerical modelling -...

Date post: 26-Aug-2018
Category:
Upload: ngonhi
View: 218 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
43
Pilot study Gdynia – Numerical modelling "Application of ecosystem principles for the location and management of offshore dumping sites in SE Baltic Region (ECODUMP)” Tomasz Marcinkowski, Tomasz Olszewski Department of Aquatic Ecology Maritime Institute in Gdańsk Gdańsk, December 2014
Transcript

 

PilotstudyGdynia–Numericalmodelling

"Application of ecosystem principles for the location and management of offshore dumping sites in 

SE Baltic Region (ECODUMP)” 

 

Tomasz Marcinkowski, Tomasz Olszewski 

 

Department of Aquatic Ecology 

Maritime Institute in Gdańsk 

 

 

 

 

Gdańsk,  

December 2014 

 

 

                                                                                      

2  

TABLE OF CONTENTS 

1.  Introduction ................................................................................. Error! Bookmark not defined. 

2.  Location and overall characteristics of Gdynia dumping site ..... Error! Bookmark not defined. 

3.  Disposal of dredged material and its resuspension .................... Error! Bookmark not defined. 

4.  Environmental conditions ........................................................... Error! Bookmark not defined. 

5.  Numerical modeling .................................................................... Error! Bookmark not defined. 

5.1.  MIKE21 – general information ............................................ Error! Bookmark not defined. 

5.2.  Mesh generation, input data ............................................... Error! Bookmark not defined. 

5.3.  Initial conditions .................................................................. Error! Bookmark not defined. 

5.4.  Environmental forcings ....................................................... Error! Bookmark not defined. 

5.5.  Scenarios ............................................................................. Error! Bookmark not defined. 

6.  Verification of data sources for boundary conditions ................. Error! Bookmark not defined. 

6.1.  Sea level variations .............................................................. Error! Bookmark not defined. 

6.2.  Wave parameters ................................................................ Error! Bookmark not defined. 

7.  Numerical model validation ........................................................ Error! Bookmark not defined. 

8.  Calculation results ....................................................................... Error! Bookmark not defined. 

8.1.  Scenario – Dredged material deposition – case study "A" .. Error! Bookmark not defined. 

8.2.  Scenario – dredged material deposition – case study "B" .. Error! Bookmark not defined. 

8.3.  Scenario – resuspension process – case study "C" .............. Error! Bookmark not defined. 

9.  Summary ..................................................................................... Error! Bookmark not defined. 

References ........................................................................................... Error! Bookmark not defined. 

 

                                                                                      

3  

LIST OF FIGURES 

FIG. 2.1. LOCATION OF GDYNIA DUMPING SITE IN THE GULF OF GDAŃSK ......................................................................... 6 

FIG. 2.2. BOTTOM TOPOGRAPHY OF GDYNIA DUMPING SITE ......................................................................................... 7 

FIG. 3.2. DUMP SCOW LOADING IN A PORT (LEFT). DREDGED MATERIAL LOADED ON A DUMP SCOW AND READY TO BE TRANSPORTED 

(RIGHT) .................................................................................................................................................... 9 

FIG. 5.2. DISCRETIZATION OF THE COMPUTATIONAL AREA WITH A GRID OF TRIANGULAR ELEMENTS (FLEXIBLE MESH TYPE), 

CONCENTRATED IN THE REGION OF GDYNIA DUMPING SITE ................................................................................. 14 

FIG. 5.3. BOUNDARY CONDITION IN THE MIKE MODEL AS A TIME SERIES OF RELATIVE CHANGES IN SEA WATER LEVEL [M], SIGNIFICANT 

WAVE HEIGHT [M], WAVE PERIOD [S] AND DIRECTION OF WAVE PROPAGATION [0] (ARROWS)FIG. 5.3. ........................ 15 

FIG. 5.4. BOUNDARY CONDITION IN THE MIKE MODEL AS A TIME SERIES OF RELATIVE CHANGES IN SEA WATER LEVEL [M], SIGNIFICANT 

WAVE HEIGHT [M], WAVE PERIOD [S] AND DIRECTION OF WAVE PROPAGATION [0] (ARROWS)FIG. 5.4. ........................ 16 

FIG. 5.6. REAL FORCING CONDITION IN THE MIKE MODEL AS A TIME SERIES OF CHANGES IN WIND SPEED [M/S] AND WIND DIRECTION

............................................................................................................................................................. 18 

FIG. 5.7. REAL FORCING CONDITION IN THE MIKE MODEL AS A TIME SERIES OF CHANGES IN WIND SPEED [M/S] AND WIND DIRECTION

............................................................................................................................................................. 18 

FIG. 5.8. FORCING CONDITION AS A SCENARIO IN THE MIKE MODEL – A TIME SERIES OF CHANGES IN WIND SPEED [M/S] AND WIND 

DIRECTION ............................................................................................................................................... 19 

FIG. 6.1. CHANGES IN SEA WATER LEVEL [CM], FROM 2013.09.01 TO 2013.10.31, AT 5 COASTAL WATER GAUGE STATIONS (VISTULA 

RIVER MOUTH, NORTHERN PORT OF GDAŃSK, GDYNIA, PUCK, HEL) .................................................................... 21 

FIG. 6.2. COMPARISON OF CHANGES IN THE WATER LEVEL [CM] AT THE WATER GAUGE STATIONS GDYNIA (TOP) AND HEL (BOTTOM) 

WITH DATA OBTAINED FROM THE HIROMB MODEL.......................................................................................... 22 

FIG. 6.3. LOCATION OF AN AWAC INSTRUMENT (Λ=18.690661°, Φ=54.549538°) ..................................................... 23 

FIG. 6.4. COMPARISON OF SIGNIFICANT WAVE HEIGHT HS [M] TIME CHANGES MEASURED WITH THE AWAC AND OBTAINED FROM THE 

REGIONAL WAM MODEL ............................................................................................................................ 23 

FIG. 6.5. COMPARISON OF WAVE PERIOD TP [S] TIME CHANGES MEASURED BY AWAC AND OBTAINED FROM THE REGIONAL WAM 

MODEL ................................................................................................................................................... 24 

FIG. 7.1. COMPARISON OF SEA LEVEL CHANGES IN TIME (2013.09.19‐2013.10‐29) BETWEEN THE RESULTS FROM THE MIKE AND 

HIROMB MODELS AND DATA MEASURED BY AWAC IN THE CHOSEN POINT WITHIN THE DUMPING SITE ....................... 25 

FIG. 7.2. COMPARISON OF SIGNIFICANT WAVE HEIGHT CHANGES IN TIME (2013.11.16‐2013.12.10) BETWEEN THE RESULTS FROM 

THE MIKE MODELS AND DATA MEASURED BY AWAC IN THE CHOSEN POINT WITHIN THE DUMPING SITE ....................... 25 

FIG. 7.3. COMPARISON OF CURRENT VELOCITY CHANGES IN TIME (2013.11.16‐2013.12.10) BETWEEN THE RESULTS FROM THE 

MIKE MODELS AND DATA MEASURED BY AWAC IN THE CHOSEN POINT WITHIN THE DUMPING SITE ............................ 25 

FIG. 8.1. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „A”, AT T1 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 28 

FIG. 8.2. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „A”, AT T2 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 29 

FIG. 8.3. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „A”, AT T3 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 30 

FIG. 8.4. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „A”, AT T4 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 31 

FIG. 8.5. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „A”, AT T1 TIME STEP ....................................................................................................................... 32 

FIG. 8.6. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „B”, AT T1 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 35 

FIG. 8.7. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „B”, AT T2 TIME STEP (WHITE SPOT – POINT OF DISPOSAL WITHIN THE DUMPING SITE) .................................... 36 

                                                                                      

4  

FIG. 8.8. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL UNDER REAL HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE 

STUDY „B”, AT T3 TIME STEP ....................................................................................................................... 37 

FIG. 8.9. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL AND THE EFFECT OF RESUSPENSION UNDER REAL 

HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE STUDY „C”, AT T1 TIME STEP ............................................................. 39 

FIG. 8.10. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL AND THE EFFECT OF RESUSPENSION UNDER REAL 

HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE STUDY „C”, AT T2 TIME STEP ............................................................. 40 

FIG. 8.11. RESULTS OF THE SIMULATION OF DREDGED MATERIAL DISPOSAL AND THE EFFECT OF RESUSPENSION UNDER REAL 

HYDRODYNAMIC CONDITIONS, FOR THE CASE STUDY „C”, AT T3 TIME STEP ............................................................. 41 

 

                                                                                      

5  

1. Introduction  

This report constitutes a part of the project "Application of ecosystem principles for the location and 

management of offshore dumping sites in SE Baltic Region (ECODUMP)”.  

The  aim  of  this  study was  to  investigate  the  usefulness  of  numerical models  for  the  analysis  of 

hydrodynamic processes occurring during marine operations  including disposal of dredged material 

at sea (offshore dumping sites). 

Dredged material from deepening harbour basins, characterized by a large number of fine fractions: 

silts and clays,  is deposited  in dumping sites at sea.  In Poland  there are 9  such dumping sites and 

their  names  are most  often  directly  linked  to  the  location.  Therefore,  they  are  called  as  follows: 

Gdynia,  Gdańsk,  DCT,  Łeba,  Ustka,  Darłowo,  Kołobrzeg,  Szczecin‐Świnoujście  Port,  Szczecin‐

Świnoujście Maritime Office. Gdynia dumping site has been chosen as a pilot research site in the area 

of Polish territorial waters. 

The main  investigated  issue was the dispersion process of fine‐grained sediments suspended  in the 

water  column.  In  the  case  of  dredged  material  deposition,  it  was  taken  into  account  that  the 

generation of suspended sediments can take place  in two phases:  initial – during dredged material 

disposal, and secondary – as a result of sediment resuspension caused by currents and waves. 

Numerical modeling  can  be  helpful when  analyzing  different  phenomena  both  in  qualitative  and 

quantitative terms.  In modeling, much attention  is paid to the most reliable definition of boundary 

and initial conditions. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                      

6  

2. Location and overall characteristics of Gdynia dumping site 

Each of the ECODUMP project partners selected an existing dumping site in the territorial waters for 

the purpose of numerical model construction. In the case of Poland, the choice fell on the constantly 

used area  in  the vicinity of Gdynia. Gdynia dumping site  is  located  in  the Gulf of Gdańsk near  the 

approach  channel  to  the  port  of Gdynia  and  approx.  8  km  from  the  port.  It  has  the  shape  of  a 

quadrangle with the vertices located at the following points: 

54033,6’ N    18040,85’ E  54032,7’ N    18040,85’ E 54032,7’ N    18043,85’ E 54033,9’ N    18043,85’ E 

This area covers approx.  6.4 km2 – Fig. 2.1. 

Fig. 2.1. Location of Gdynia dumping site in the Gulf of Gdańsk 

Dredged material has been deposited at Gdynia dumping site since 1995. About 4.6 million m3 of the 

sediments had been disposed there up to 2011. The  last disposal before starting the research took 

place  in  the period  from  06.03.2009  to 07.04.2011,  amounted  to 1.7 million m3  and  the material 

came from the port of Gdynia. It consisted mostly of fine fractions, from fine sand to sandy clayey silt 

and clay. 

Macroscopic  analysis  of  core  samples  collected  at  the  dumping  site  (detailed  information  on  the 

research can be  found  in  the  report   Dembska G. et al.  (2014))  showed  that  the  surface  sediment 

layer consists mostly of fine sands, silty sands and silts. Fine fractions observed in sediments from the 

area adjacent to the dumping site indicate the dispersion of dredged material during operations of its 

disposal. The uppermost  layer of sediments – surface  layer of the dumping site, can also be subject 

                                                                                      

7  

to  resuspension  during  extreme  storm  events.  On  the  basis  of  the  research,  it  has  been  clearly 

proved that the surface layer of sediments at the dumping site is of anthropogenic origin. 

Bottom topography of the dumping site and the directly adjacent area was described  in the report 

Dembska G. et al. (2014). However, in this study the image of bottom topography  is presented (Fig. 

2.2.). Accurate  bathymetric measurements  conducted  in  the  framework  of  the  ECODUMP  project 

were used in numerical modeling. 

 

Fig. 2.2. Bottom topography of Gdynia dumping site  

3. Disposal of dredged material and its resuspension 

3.1 Dredged material deposition 

Dredging  works  in  the  Polish  coastal  zone  are  usually  carried  out  using  trailing  suction  hopper 

dredgers (TSHD), bucket ladder dredgers and grab dredgers. They are equipped with own hoppers or 

operate together with self‐propelled and non‐self‐propelled dump scows. Dredged material obtained 

as a result of works aimed at maintenance of sufficient depth of waterways  in port aquatories and 

harbor basins is most often deposited at offshore dumping sites.  

Dredged material can be transported to a disposal site with a pipeline, in dredger hoppers or in dump 

scows. Disposal of dredged sediments and physical phenomena occurring when it  is discharged into 

the sea at the dumping site, depending on the technology used, has been shown schematically in Fig. 

3.1. 

 

                                                                                      

8  

 

Fig. 3.1. Physical phenomena during deposition of dredged material with the use of different technologies 

(EPA/USACE, 2004)  

The slurry  (mixture of sediment and water)  is transported through pipelines. All sediment fractions 

are  largely  mixed.  Consequently,  the  use  of  pipelines  gives  the  greatest  spatial  dispersion  of 

sediments on the bottom, and the  largest amount of dredged material goes  into suspension.  In the 

case of discharge of the material from a TSHD or from dump scows (this technology  is used for the 

investigated  Gdynia  dumping  site),  the  process  of  deposition  is  different.  The  consistency  of  the 

material  in hoppers  is not uniform  i.e., cohesive sediments are present as compacted, plastic lumps 

and  in  a  liquid  state. Non‐cohesive  sediments undergo  initial  segregation as  a  result of  transport. 

When emptying the hopper, non‐cohesive sediments and lumps of cohesive sediments fall onto the 

bottom quickly and basically do not disperse, however, they cause additional disturbance of deposits 

on the bottom and put them in suspension. The finest fractions in part of the material that remains in 

a  liquid  state  while  dropped  in  the  water  column,  form  a  plume  which  is  subject  to  transport 

processes. 

A self‐propelled dump scow which is transporting dredged material has been shown in Fig. 3.2. Such 

vessels are most commonly used during works connected with dredging within  the areas of Polish 

ports.  The  carrying  capacity  of  such  scows may  exceed  1000 m3,  their  maximum  speed  during 

transport is 5‐7 knots, whereas during discharge the speed is reduced to 1‐2 knots. Dump scows can 

be unloaded either  through hatches  in  their bottom or by hydraulic opening of  the hull  (split hull 

dump scow). 

Transport by 

pipeline 

sea current 

Deposition from 

a hopper dredger

Deposition from a 

dump scow  

                                                                                      

9  

Fig. 3.1. Dump scow loading in a port (left). Dredged material loaded on a dump scow and ready to be 

transported (right) 

Various, in terms of grain‐size composition, sediments can be deposited in different ways. Sands and 

gravels almost  immediately fall onto the bottom and stay there. Single fine particles of diameter of 

0.063 – 0.002 mm (silts) and <0.002 mm (clays) behave differently. In contrast to the coarse fraction, 

i.e. sands, gravels and boulders, those fine particles remain in the water quite long before they finally 

settle on the bottom. Their discharge may cause long‐term and long‐range turbidity, which can have 

a significant impact on marine ecosystem functioning. Turbidity plumes composed of suspended silt 

and clay particles can move over distances of more than ten kilometers before they fully settle on the 

bottom. Key elements to be determined in terms of environmental impact assessment of the project 

are as follows: duration of the suspension, its concentration and range. 

3.2 Resuspension 

Sediments on the seabed, particularly those deposited relatively recently, can be characterized by a 

loose  structure.  Thus,  any  enforcement  in  the  form  of  increased waves  or  stronger  currents,  for 

which the critical value of the shear stress  in the surface  layer of sediments  is exceeded, will cause 

dislodging and dispersion of sediment particles. In the model, the finest material which could go into 

suspension is represented by the fraction for which the settling velocity was assumed to be 0.5 mm/s 

(settling  velocity  for medium  silts).  For  such material,  the  critical  shear  stress  required  to  start 

erosion  is 0.1 Pa. The critical shear stress below which the sedimentation process begins was set at 

0.07  Pa.  The  process  may  involve  both  single  particles  in  the  initial  phase  and  intensive  mass 

transport  under  considerable  exciting  force.  This  phenomenon  is  called  resuspension  and  occurs 

almost every time when the seabed is disturbed. Remobilization of suspension can also be caused by 

mechanical factors, such as dragging a net, trawl or anchor across the bottom and, to a lesser extent, 

by underwater works performed by divers. 

Moreover, sediment resuspension can be induced by deposition of dredged material or occur when 

pipelines  are embedded  in bottom  sediments.  Every  issue  concerning  the modeling of  suspended 

sediment dispersion,  in particular  its concentration, range and duration, requires the occurrence of 

resuspension to be considered. 

The amount of sediments dislodged from the bottom can be significant under favorable hydrological 

conditions. This results in the occurrence of sediment suspension plumes of high concentration (Fig. 

3.3) which can travel long distances before they are dispersed or undergo sedimentation. 

                                                                                      

10  

In  this  study,  the  process  of  resuspension  is  analyzed  for  the  period  after  deposition  of  dredged 

material at the dumping site and while meteorological and hydrodynamic conditions correspond to 

storm conditions. 

 

Fig. 3.3. Underwater plume of suspended sediments generated in laboratory conditions 

4. Environmental conditions Knowledge of environmental conditions controlling a marine water body and acting within this body 

of water is necessary for the construction of a numerical model to simulate hydrodynamic processes 

occurring during deposition of dredged material on a dumping site and to analyse the behaviour of 

deposited  sediments under  the  influence of environmental  forcings.  The best  results  in numerical 

models are achieved when empirical data (based on measurements) are used as boundaries of these 

models. However, such situation happens extremely rarely. Therefore, data from regional models or 

hypothetical scenarios are most frequently used  in practical application.  In each case, the model  in 

the construction phase is verified by measurements at specific points, for example, marine stations, 

measurement  buoys  or  measurement  sensors.  The  sources  of  information  which  were  used  in 

determination  of  boundary,  initial  and  forcing  conditions  in  the  numerical model  constructed  for 

Gdynia dumping site have been presented below. 

4.1 Meteorological conditions 

Fundamental  forcing  conditions,  largely  responsible  for  generation  of  currents, wind waves,  and 

contributing  to  the  variability  in water  levels,  are wind  conditions.  In  particular,  the  parameters 

which should be determined are: direction and speed of the wind. In the modeling, wind forcing was 

applied as "real" or hypothetical (e.g. modeling of extreme events) distribution of two‐dimensional 

variable  (wind speed and direction).  In the case of  the application of real wind  forcings, data  from 

one of the following regional‐scale atmospheric models: COAMPS, UMPL or HIRLAM, were used for 

specific points.  

                                                                                      

11  

For  the  area  of  the  Gulf  of  Gdańsk, measurements  of  wind  parameters  are  carried  out  by  the 

Institute  of Meteorology  and Water Management  at  the  first‐order  stations  in  Hel  and  Gdańsk 

(Northern Port). Previously conducted studies showed that there are differences between the results 

of measurements of offshore conditions and those at shore‐based stations. 

4.2 Hydrological conditions 

For the Baltic Sea, such parameters as sea water level variations and the current field are included in 

HIROMB model with a grid resolution of 1 n.m. As boundary conditions,  it  is essential to determine 

variations  in  sea water  level.  This  condition  can  be  combined with  the  characteristics  of  spatio‐

temporal flows at offshore boundaries of the model (components of velocity and directions). There is 

also  the  possibility  to  include  a  separated  condition  in  the  form  of  sea  water  level  variation, 

components of flow velocity or discharge at the adopted boundaries. 

Sea water  level observations  in  the  area of  the Gulf of Gdańsk  are  conducted  at 5  coastal water 

gauge stations in: Hel, Northern Port of Gdańsk, Gdynia, Puck and at the Vistula River Mouth. 

 

4.3 Wave conditions 

Surface waves, described  in  a  satisfactory way,  are  included  in  the  spectral WAM model  (Gűnter, 

2002). This model has been repeatedly verified and shows  its practical usefulness (Cieślikiewicz and 

Swerpel 2005, Paplińska 1999). 

In  the  calculations,  on  which  sea  waves  have  significant  impact,  it  is  necessary  to  determine 

characteristics of this motion  in the spectral form for appropriate boundaries.  In this context, wave 

motion can be described by: significant wave height HS, wave peak period TP and wave direction θ 

together with the spreading factor n. Moreover, wave motion at the boundary of the model can be 

imposed as wind sea waves with or without taking into account low‐frequency swell. 

In the area of the Gulf of Gdańsk, continuous measurements of waves are not carried out. However, 

within  the  ECODUMP  project,  periodical measurements  of waves,  currents  and  variability  in  sea 

water level were carried out at the point located within Gdynia dumping site. 

5. Numerical modeling 

5.1 MIKE21 – general information 

Numerical  computations were performed with  the use of  the  licensed, Danish  software package  ‐ 

MIKE 21 Coupled Model FM. It is a computation package, which has been developed for years in the 

Danish Hydraulic  Institute  (DHI),  intended  for  calculating water  flows, wave motion  and  sediment 

transport  in  the  coastal  zone  of  the  sea  and  in  the  open  sea.  The  Coupled  version  enables  the 

simulation of hydraulic  issues  in a dynamic manner and with a mutual  interaction of all the applied 

modules. This program is widely used in the world (inter alia Burcharth et al., 2007).  

For the purpose of performing computations related to the transport of suspended sediments, which 

occurs during the disposal of dredged material, the following modules were used:  

Hydrodynamic module (HD), 

Spectral Wave module (SW), 

                                                                                      

12  

Mud Transport module (MT).  

The  hydrodynamic  (HD) module  allows  to  simulate  variations  of  current  field  and water  level  in 

response  to  a  variety  of  forcing  functions  in  the  open  sea  and  coastal  areas.  In  the module,  the 

following hydraulic effects and facilities are included in computations (DHI, 2013a): 

Bottom shear stress  and wind shear stress, 

Barometric pressure gradients,  

Coriolis force, 

Sources and sinks, 

Rainfalls and evaporation, 

Flooding and drying of water areas,  

Wave radiation stresses.  

The spectral wave module (SW) enables to calculate the parameters of the wave field (height, period 

and  direction  of waves)  generated  by  the wind with  direction  and  speed  varying  in  time.  In  the 

performed computations the following was considered (DHI, 2008): 

Nonlinear wave‐wave interaction, 

Dissipation due to bottom friction, white‐capping and depth‐induced wave breaking, 

Refraction and shoaling due to depth variations, 

Nonlinear interaction of waves with currents, 

Storm surges variable in time, 

Coexistance of wind waves and swell.  

The mud transport module (MT) describes the erosion, transport and sedimentation of the finest 

fractions, caused by the impact of sea currents and wave motion. The MT module can be used both 

for  silt  and  clay  sediments,  as  well  as  for  the mixture  of  these  sediments  with  sand,  in  which, 

however,  fine  fractions predominate and a significant  feature of such mixture  is  its cohesion  (DHI, 

2013b).  

The MIKE  21  software  package  reaches  the maximum  of  its  effectiveness  in  the  case  of  the 

simulation of medium‐period hydrodynamic phenomena, lasting from a couple of days to a couple of 

months, in a limited basin.  

The  methodological  construction  of  the  numerical  model  involves  the  limitation  of  the 

computation  area  by  boundaries  and  generation  of  a  numerical  mesh  corresponding  with  the 

surveyed  issue. Physical conditions must be defined  in the boundaries of the model for each of the 

considered  issues, which are called boundary conditions. These conditions can originate from other 

models, actual surveys or can be formulated in an artificial way, so as to analyze extreme events or 

the  accurately  determined  forcings.  In  the  case  of  entering  the  conditions  obtained  from 

computations in the boundaries of the model, it is suggested to verify these values with survey data 

if  such  exist.  It  is  also  crucial  to  determine  the  state  of  the  model  in  the  moment  of  its 

commencement by the so‐called initial conditions. The results of initial in‐situ surveys carried out in 

the  area  for  which  the  numerical  model  is  created,  enable  a  more  precise  recreation  of  the 

environment’s characteristics.  

                                                                                      

13  

The next methodological step in model construction is its validation and, in result, if it is necessary, 

its calibration. For the issues included in this work, the calibration of the results was carried out 

based on surveys concerning variability in the water level, sea currents and data characterizing the 

wave field in the selected places. 

5.2 Mesh generation, input data 

The hydrodynamic model was constructed based on a numerical grid of Flexible MESH type (diverse 

triangular and rectangular elements). For the issues related to the disposal of dredged material and 

resuspension of sediments, a grid of 23 716 elements and 13 597 nodes, with a maximum area of a 

single element not greater than 1 700 000 m2 was applied for the model. 

Bathymetric  data  obtained  from multibeam  echosounder measurements  were  assigned  to  each 

mesh.  Resolution  of  bathymetric  data  for  the  area  of  Gdynia  dumping  site  was  5x5 m,  for  the 

western part of the Gulf of Gdańsk – 25x25 m and  for the rest of the basin – 1000x1000 m  (Error! 

Reference source not found.). 

 

Fig. 5.1. Resolution of bathymetric points 

 

                                                                                      

14  

Fig. 5.1. Discretization of the computational area with a grid of triangular elements (Flexible MESH type), 

concentrated in the region of Gdynia dumping site  

In order to obtain the most accurate results of the simulation, in the area of Gdynia dumping site and 

the adjacent area, the numerical grid was gradually refined so that the surface of the smallest grid 

elements did not exceed 2 500 m2 (Fig. 5.1).  

To  achieve  the  highest  accuracy  of  numerical  calculations,  it  is  necessary  to  choose  boundary 

conditions  which  are  the  most  similar  to  real  conditions.  Their  determination,  as  previously 

mentioned,  requires  a  detailed  analysis  of measurement  data  or  the  use  of  data  from  regional 

numerical models. In the absence of real measurement data, which  is common situation for marine 

areas, in engineering practice, the results of operational numerical models are used. 

Variability  in the water  level, spatio‐temporal characteristics of the  flows at offshore boundaries of 

the model  (velocity  or  fluctuation  and  direction)  and  basic  parameters  of  surface  wave motion 

presented in the spectral form were defined as boundary conditions. 

For the issues presented in this study, several different sets of boundary conditions were applied: 

A. for  the  real situation characterized by benign environmental conditions, which occurred  in 

the period from 10.02.2014 to 09.03.2014 in the southern Baltic Sea; 

B. for the real situation characterized by moderate environmental conditions, which occurred in 

the period from 19.10.2013 to 15.11.2013; 

C. for  the  real  situation  lasted  from  16.11.2013  to  10.12.2013,  including  extreme  storm 

conditions (storm Xaver). 

It should be emphasized that the boundary conditions corresponding to the first two situations (“A” 

and “B”) represent calm and moderate sea states, not exceeding level 3 of sea, which allow to carry 

out such works as deposition of dredged material from self‐unloading barges. On the other hand, the 

                                                                                      

15  

third  situation  (“C”),  concerning much more  dynamic  environmental  conditions,  was  selected  to 

evaluate the intensity of resuspension of previously deposited sediments. 

For  example,  for  the A‐situation, boundary  condition  related  to  variability  in  the water  level  and 

parameters characterizing the wave spectrum at the northern boundary (offshore) of the model has 

been shown in Fig. 5.3. Boundary condition in the MIKE model as a time series of relative changes in 

sea water  level [m], significant wave height [m], wave period [s] and direction of wave propagation 

[0] (arrows)Fig. 5.2. 

 

 

Fig. 5.3. Boundary condition in the MIKE model as a time series of relative changes in sea water level [m], significant wave height [m], wave period [s] and direction of wave propagation [0] (arrows)Fig. 5.2. 

  Similarly, for the B‐situation, boundary condition related to variability in the water level and 

parameters  characterizing  the wave  spectrum  at  the  northern  boundary  of  the model  has  been 

shown  in Fig. 5.4. Boundary condition  in the MIKE model as a time series of relative changes  in sea 

water  level  [m], significant wave height  [m], wave period  [s] and direction of wave propagation [0] 

(arrows)Fig. 5.3. 

                                                                                      

16  

 

Fig. 5.4. Boundary condition in the MIKE model as a time series of relative changes in sea water level [m], significant wave height [m], wave period [s] and direction of wave propagation [0] (arrows)Fig. 5.3.  

Boundary condition concerning a time series of water level variability and parameters characterizing 

the wave spectrum at the northern boundary of the MIKE model  for the most dynamic C‐situation 

has been presented in Fig. 5.5. Boundary condition in the MIKE model as a time series of relative changes 

in sea water  level  [m], significant wave height  [m], wave period  [s] and direction of wave propagation  [0] 

(arrows) 

 

 

Fig. 5.5. Boundary condition in the MIKE model as a time series of relative changes in sea water level [m], 

significant wave height [m], wave period [s] and direction of wave propagation [0] (arrows) 

                                                                                      

17  

 

5.3 Initial conditions 

An  initial  condition determines  the physical  state of  a mathematical model at  the moment  (t0) of 

starting numerical simulation. 

For the issues described in this study, the initial conditions are as follows:  

in  the  hydrodynamic module  (HD):  spatial  distribution  of  sea water  levels,  distribution  of velocities for current field,  

in the spectral wave module (SW): spatial distribution of waves,  

in  the  mud  transport  module  (MT):  concentration  of  different  fractions  of  suspended sediments, thickness of all the mobile sediment layers. 

In  the  implemented  simulations,  water  level  value  at  the  time  t0  for  the  entire  water  body 

corresponds to the water  level value of the boundary condition at the analogous point  in time, and 

surface  waves  are  not  taken  into  account.  Additionally,  concentration  of  different  fractions  of 

suspended  sediments,  as an unknown  value  in  the  investigated water body, was  set at  zero  level 

(implementation of the excess‐type issue). 

5.4 Environmental forcings 

The  environmental  forcings  in  the  conducted  numerical  simulations  are:  sea waves,  sea  currents, 

variability in the water level, as well as the effect of wind over the water body, which, as a result of 

the sheer stress, transfers the energy affecting wave motion and current variability. While the  first 

three  factors,  mentioned  above,  are  imposed  in  the  boundary  conditions  of  specific  model 

configurations, the last condition is defined as variable in time and standardized for the entire study 

area. Depending on the adopted computational scenarios, it is assumed to be a "real" distribution of 

two‐dimensional variable  (wind speed and direction) – the result of the atmospheric regional‐scale 

model HIRLAM. 

Wind  forcings  applied  in  the  presented  calculations  have  been  shown  in  Fig.  5.4.  Real  forcing 

condition in the MIKE model as a time series of changes in wind speed [m/s] and wind direction , Fig. 

5.5, Fig. 5.6Error! Reference source not found. which correspond to the situations described above: 

“A”, “B” and “C”. 

 

                                                                                      

18  

 

Fig. 5.4. Real forcing condition in the MIKE model as a time series of changes in wind speed [m/s] and wind direction  

 

 

Fig. 5.5. Real forcing condition in the MIKE model as a time series of changes in wind speed [m/s] and wind 

direction 

 

                                                                                      

19  

 

Fig. 5.6. Forcing condition as a scenario in the MIKE model – a time series of changes in wind speed [m/s] and 

wind direction  

It should be noted that works connected with dredged material disposal  from self‐unloading dump 

scows and with embedding power cables or pipelines are conducted when a sea state do not restrict 

the vessel’s ability  to operate. Thus,  the application of environmental  forcings at  low or moderate 

levels is most correct. 

5.5 Scenarios 

Dredged material deposition  

Dredging works are carried out under favorable environmental conditions: weak waves and calm or 

moderate wind conditions. The issue of dredged material deposition was analyzed assuming “A” and 

“B” boundary conditions presented in section 5.2, and under appropriate wind forcing characterized 

in section 5.4.  In the study periods, different direction of winds occurred and  it was  included  in the 

analysis of suspended sediment dispersion. 

The adopted scenarios were based on mathematical modeling of processes that are close to those 

occurring during actually performed dredging works. 

Multi‐bucket or single‐bucket dredgers, similarly as in the case of the port in Gdynia, deepen harbor 

basins  and  load dredged material  onto  dump  scows.  In  the  scenario,  self‐propelled  and  split hull 

dump scows were used,  in order to allow  for self‐unloading. The carrying capacity of SM660 dump 

scow  is  660 m3.  The  analysis  of  scow  operating  time  enabled  to  determine  the  period  of  time 

between subsequent discharges of dredged material on the dumping site.  In the model scenario,  it 

was assumed that dredged material  is unloaded four times a day for the following 25 days and the 

time of unloading is 3 min. Each time, dredged material discharged from a dump scow consisted of: 

lumps of cohesive sediment, fine‐grained sand, mixture of silts, clays and water. For the purpose of 

numerical modeling,  it was assumed that one half of the  load was fine sand and the other half was 

mostly  silty material. Only  about  3%  of  sand  fraction  goes  into  suspension, while  in  case  of  silt 

fraction with high water content, the amount which can be suspended is much higher, reaching up to 

35%.  The  information  concerning  dredged  material  and  dredging  machinery/equipment  was 

obtained  from  the  Port  of  Gdynia.  The  most  important,  from  the  point  of  view  of  numerical 

                                                                                      

20  

modeling,  are  the  particles  of  diameters  smaller  than  0.063 mm, which  go  into  suspension  and 

remain  as  suspended  particles  for  a  period  from    several  to  several  tens  hours.  Non‐cohesive 

sediments and lumps of cohesive compacted solids reach the bottom after a short time and remain 

there.  Time,  place  and  load  of  every  single  discharge  are  assumed  within  each  computational 

scenario.  Dredged  material  (divided  into  fractions)  is  defined  by  parameters  characterizing  its 

behavior  in  the  water  column,  such  as:  fall  velocity,  limiting  concentrations  for  the  flocculation 

process or initiation of hindered settling, dispersion and critical shear stress, below which deposition 

occurs.  Furthermore,  the  parameters  such  as:  bottom  roughness,  density  of  different  sediment 

layers, critical shear stress  for resuspension process  in different bottom  layers, are defined. Gdynia 

dumping  site  can  be  characterized  by  relatively  large water  depths  in  the  range  of  27‐52 m.  For 

modeling dredged material discharges of small volume, morphological changes, having a negligible 

effect on flow hydrodynamics, were not taken into account in the scenarios. 

Resuspension process 

Resuspension  of  sediments  can  occur  only  in  the  environmental  conditions  described  as  storm 

conditions. These conditions exceed acceptable  limits  for using dredging equipment. As a result,  in 

order  to  consider  the  process  of  resuspension,  the  following  scenario  has  been  proposed: 

environmental forcings described in the situation “B” are appropriate to conduct disposal operations, 

and extreme  forcings, described  in  the  situation  “C” occur  immediately after  the disposal and can 

potentially  cause  resuspension  process.  The  boundary  conditions  for  this  scenario  have  been 

presented in the description of “C” situation in section 5.2. 

It has been assumed that immediately after the deposition of dredged material, the surface layer of 

the  seabed within  the  area  of  the  dumping  site  is  partially  covered with  new  sediments  and  the 

conditions for resuspension of these particles have been characterized in section 3. 

Forcing conditions in the scenario prepared to analyze the process of resuspension are the conditions 

adopted from the real storm Xaver, which probability of occurring is lower than once in 50 years. 

6. Verification of data sources for boundary conditions 

Due  to  the  lack of measurement data,  for  the  local MIKE model,  it was decided  to use boundary 

conditions and environmental forcings taken from the regional‐scale models (e.g. HIROMB, WAM).  

In  order  to  verify  this  approach,  the  results  of  the  regional  models  were  compared  with 

measurements conducted at hydrological coastal stations and with  the  results  from  the measuring 

instrument installed in the area used for model computations. 

6.1 Sea level variations 

Temporal  variability  of  sea water  levels  [cm]  in  the  period  from  01.09.  2013  to  31.10.2013 was 

analyzed at 5 coastal water gauge stations  (Vistula River Mouth, Northern Port of Gdańsk, Gdynia, 

Puck, Hel). The results  from observations at these stations comply with one another very well (Fig. 

6.1.  Changes  in  sea water  level  [cm],  from  2013.09.01  to  2013.10.31,  at  5  coastal water  gauge  stations 

(Vistula River Mouth, Northern Port of Gdańsk, Gdynia, Puck, Hel) ). It is reflected by high values of linear 

correlation coefficients  (r> 0.9), which are a measure of  linear, statistical relationship between two 

                                                                                      

21  

processes.  For  example,  for  two hydrodynamically  extreme  coastal  stations, Hel  and Vistula River 

Mouth, the linear correlation coefficient is r=0.95. 

 Fig. 6.1. Changes in sea water level [cm], from 2013.09.01 to 2013.10.31, at 5 coastal water gauge stations 

(Vistula River Mouth, Northern Port of Gdańsk, Gdynia, Puck, Hel)  

For further analysis, stations (Gdynia and Hel) located close to the modeled area were selected. The 

results of observations at these stations, for a period of one month (19.09.2013 – 19.10.2013), were 

compared  with  the  results  obtained  from  the  regional  model  HIROMB.  In  order  to  be  able  to 

compare the results, changes  in sea water  level obtained from the model (relative) were converted 

to absolute values,  in  such a way  that  their compliance was  related  to  the average values  for  the 

investigation period at each station. 

Results of the comparison revealed that the values were similar for both cases: Gdynia‐HIROMB and 

Hel‐HIROMB (Fig. 6.2), and the coefficients of linear correlation are as follows: 

 rGdynia‐HIROMB = 0.96,  rHel‐HIROMB = 0.95. 

                                                                                      

22  

 

Fig. 6.2. Comparison of changes in the water level [cm] at the water gauge stations Gdynia (top) and Hel 

(bottom) with data obtained from the HIROMB model  

Due to the fact that the offshore boundary of the  local‐scale numerical model MIKE  is considerably 

far from the shoreline (Fig. 5.2, section Error! Reference source not found.), it is necessary to choose 

the correct boundary condition for sea water changes. 

The above analysis, which confirmed high compliance of sea level changes from the HIROMB model 

and data obtained from the measurements at coastal stations (Gdynia, Hel), justifies the acceptance 

of data from the regional HIROMB model for further numerical computations in the MIKE model. 

6.2 Wave parameters 

Measurement data from the selected point within Gdynia dumping site were obtained based on the 

registration  of  current  velocities  and wave  heights  by  an  acoustic  current  profiler  of  AWAC‐type 

(Acoustic Wave And Current) set at that point (location of the instrument has been presented in  

Fig. 6.3). 

                                                                                      

23  

 

Fig. 6.3. Location of an AWAC instrument (λ=18.690661°, ϕ=54.549538°)  

The  results  of  significant wave  heights  Hs  [m]  obtained  from  the measurements  by  AWAC,  for  a 

period of two months (19.10.2013 – 19.12.2013), were compared with the results obtained from the 

regional WAM model  (WAM  grid  point  closest  to  the  dumping  site).  Comparison  of  time  series 

variation in Hs from measurements and from the model has been shown in Fig. 6.4. 

 

  Fig. 6.4. Comparison of significant wave height Hs [m] time changes measured with the AWAC and 

obtained from the regional WAM model  

The graph shows high compatibility of two series of data, and the linear correlation coefficient is r = 

0.92. 

                                                                                      

24  

This analysis also confirms high compliance of the results of significant wave height changes from the 

WAM model with observational data from AWAC instrument, which justifies the acceptance of data 

from the regional model WAM for further numerical computations in the MIKE model. Similarly, the 

results of wave period Tp [s] measurements with an AWAC (19.10.2013 – 19.12.2013) were compared 

with  the  results  obtained  from  the  regional WAM model.  The  comparison  of  time  series 

variations in Tp, from the measurements and from the model, has been presented in Fig. 6.5. 

 

  Fig. 6.5. Comparison of wave period Tp [s] time changes measured by AWAC and obtained from the 

regional WAM model  

The graph shows high compatibility of two data series, and the linear correlation coefficient r equals 

0.50. 

7. Numerical model validation 

After numerical  simulations  conducted with  the use of  the  local‐scale MIKE model  (in which data 

from regional models HIROMB and WAM were used as boundary conditions and forcing), the results 

were  compared with  the  real data obtained  from measurements  at  the  selected point within  the 

dumping site. The purpose of this comparison was to calibrate the hydrodynamic model, based on 

measurement data. The following figures show the results of the comparison of data from numerical 

computations  after  the  model  calibration  process,  and  measurement  data  collected  by  AWAC 

instrument. 

Error! Reference source not found. presents a time series of changes in sea water level, while in Fig. 

7.2 we can see the comparison of the variation in time of significant wave height Hs.  

Fig. 7.3 shows the comparison of sea current velocities at the same point. 

A good agreement of the measurement data with the results of computations was observed for sea 

water levels, wave heights and current velocities. 

                                                                                      

25  

Calibration  of  the  hydrodynamic  model  included  changes  in  the  bottom  roughness  and 

characteristics of wind friction. The application of appropriate changes led to the improvement in the 

agreement between calculated and measured sea currents. 

 

Fig. 7.1. Comparison of sea level changes in time (2013.09.19‐2013.10‐29) between the results from the MIKE 

and HIROMB models and data measured by AWAC in the chosen point within the dumping site  

 

Fig. 7.2. Comparison of significant wave height changes in time (2013.11.16‐2013.12.10) between the results 

from the MIKE models and data measured by AWAC in the chosen point within the dumping site  

 

Fig. 7.3. Comparison of current velocity changes in time (2013.11.16‐2013.12.10) between the results from 

the MIKE models and data measured by AWAC in the chosen point within the dumping site  

 

 

8. Calculation results 

8.1 Scenario – dredged material deposition – case study “A” 

                                                                                      

26  

The results of simulation concerning the dumping of dredged material have been presented for the 

subsequent time steps (t1, t2, t3, t4, t5) in the figures  

, Error! Reference source not found., Error! Reference source not found.,  

 and Fig. 8.5, in the following way: 

a) graphs  of wind  speed  and  direction  variability  in  time,  over  the  basin  (black  vertical  line 

represents  the  moment  of  simulation  shown  on  the  maps  of  currents,  waves  and 

concentrations),  

b) map of current circulation in the Gulf of Gdańsk (directions and averaged velocities),  

c) map of  suspended  sediment dispersion  in  the  zoomed area  including Gdynia dumping  site 

(concentration of suspended solids in kg/m3, which is equal to g/l), and:  

d) in the case of the last figure (Fig. 8.4) – map of changes at the sea bottom within the area of 

Gdynia dumping site after disposal works, 

where the subsequent time steps mean:  

  t1 – moment in time 2 hours after the discharge under the prevailing wind from the south ( 

), 

  t2 – moment  in  time 2 hours after  the discharge under  the prevailing wind  from  the west 

(Error! Reference source not found.), 

  t3 – moment  in  time 2 hours after  the discharge under  the prevailing wind  from  the east 

(Error! Reference source not found.3), 

  t4 – moment in time when the spatial impact of suspended sediments is the greatest (Error! 

Reference source not found.4), 

  t5 – moment in time when all the disposal operations have been finished ( 

5). 

Each  set  of  pictures  shows  the  simulation  at  subsequent  time  steps  of  the  adopted  calculation 

scenario. 

At t1 time step, the maximum extent of spreading of the sediment plume is moderate and it reaches 

a distance of approx. 2.8 km from the point of discharge, with an average concentration decreasing 

quickly. After 2 hours, the maximum concentration  in the center of the plume  located close to the 

point of discharge is 60 mg/l. However, in the second plume, approx. 1.1 km away from the point of 

discharge,  after  8  hours  from  the  time  of  discharge,  the  concentration  is  very  low  and  does  not 

exceed 6 mg/l. During this period, the wind from the south has been blowing over the basin area for 

a period more  than  ten hours. Maximum  speeds of  the current within  the dumping  site are  small 

(0.06  –  0.08  m/s).  The  dumping  site  is  in  the  area  of  current  circulation,  and  as  a  result,  the 

suspended sediments disperse in a north‐westerly direction. 

 

                                                                                      

27  

At t2 time step, the maximum extent of spreading of the sediment plume reaches about 3.2 km from 

the point of discharge. The concentration of suspended solids decreases rapidly. After 2 hours, the 

maximum concentration in the center of the plume located close to the point of discharge is 55 mg/l. 

In  the second plume, which  is approx. 1.5 km away  from  the point of discharge, after 8 hours  the 

concentration  is  low  and  it  equals  7 mg/l. During  this  period,  the wind  over  the  basin  has  been 

blowing from the west for over ten hours, at a speed not exceeding 7 m/s. Maximum speeds of the 

current within the dumping site, for such forcing, are in the range of 0.06 – 0.09 m/s. The generated 

current  circulation  causes  that  the  plume  is moving  in  a westerly  direction,  i.e.  in  the  direction 

opposite to the direction of the wind. 

At t3 time step, the maximum extent of spreading of the sediment plume reaches 1.8 km from the 

point of discharge. The concentration of suspended solids decreases rapidly. After 2 hours from the 

time of discharge,  the maximum  concentration  in  the  center of  the plume  is  20 mg/l.  The plume 

disappears  after  6 hours  from  the  time of discharge. During  this period,  the wind over  the basin 

changes  from  a  south‐eastern  to  eastern  direction  and  its  speed  decreases  from  9  to  5  m/s. 

Maximum speeds of the current within the dumping site for such forcing reach up to 0.2 m/s, and the 

direction in which the sediment plume is moving is similar to the direction of the wind. 

At t4 time step, the spatial area of the plume reaches the maximum size  for the entire simulation. 

The  length  of  the  plume  is  3.5  km  and  the  maximum  width  equals  0.6  km.  The  maximum 

concentration  reaches  67  mg/l.  Such  situation  occured  when  the  southern  wind  increased. 

Suspended solids are present at elevated concentrations due to low current velocity. 

At t5 time step, the state of the bottom after disposal and sedimentation of dredged material has 

been  presented  (all  the  sites  of  disposal  can  be  easily  seen  there).  A  newly  formed  layer  of 

sediments,  locally  in  the  areas  of  the  disposal,  has  a  thickness  of  up  to  0.33 m.  The  analysis  of 

sediment  thickness  after  finishing  the  disposal  works  indicates  that  sediments  formed  from  the 

suspension outside the area of the dumping site are negligible and their  thickness  in  the modeling 

does not exceed 2 mm. 

                                                                                      

28  

 

Fig. 8.1. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the case study „A”, at t1 time step (white spot – point of disposal within the dumping site)  

                                                                                      

29  

 

Fig. 8.2. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the 

case study „A”, at t2 time step (white spot – point of disposal within the dumping site)  

                                                                                      

30  

 

Fig. 8.3. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the 

case study „A”, at t3 time step (white spot – point of disposal within the dumping site)  

 

                                                                                      

31  

 

Fig. 8.4. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the case study „A”, at t4 time step (white spot – point of disposal within the dumping site) 

                                                                                      

32  

 

Fig. 8.5. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the case study „A”, at t1 time step 

 

 

                                                                                      

33  

8.2 Scenario – dredged material deposition – case study “B” 

The results of simulation concerning the discharge of dredged material have been presented for the 

subsequent time steps (t1, t2, t3) in the figures Error! Reference source not found., Error! Reference 

source not found., Error! Reference source not found., in the following way: 

a) graphs  of wind  speed  and  direction  variability  in  time,  over  the  basin  (black  vertical  line 

represents  the  moment  of  simulation  shown  on  the  maps  of  currents,  waves  and 

concentrations),  

b) map of current circulation in the Gulf of Gdańsk (directions and averaged velocities),  

c) map of  suspended  sediment dispersion  in  the  zoomed area  including Gdynia dumping  site 

(concentration of suspended solids in kg/m3, which is equal to g/l), and  

d) in the case of the  last  figure (Error! Reference source not found.) – map of changes at the 

sea bottom within the area of Gdynia dumping site after disposal works, 

 

where the subsequent time steps mean:  

  t1 – moment  in time 2 hours after the discharge under the prevailing wind from the south‐

west (Error! Reference source not found.6), 

  t2 – moment  in  time 2 hours after  the discharge under  the prevailing wind  from  the west 

(Error! Reference source not found.7), 

  t3 – moment  in time when all the disposal operations have been finished (Error! Reference 

source not found.). 

 

Each  set  of  pictures  shows  the  simulation  at  subsequent  time  steps  of  the  adopted  calculation 

scenario. 

At t1 time step, the maximum extent of spreading of the sediment plume  is minor and  it reaches a 

distance of approx. 1.4 km  from  the point of discharge, with an average concentration decreasing 

quickly. After 2 hours, the maximum concentration  in the center of the plume located closer to the 

point of discharge is 30 mg/l. However, in the second plume, approx. 1.3 km away from the point of 

discharge,  after  8  hours  from  the  time  of  discharge,  the  concentration  is  very  low  and  does  not 

exceed 4 mg/l. During this period, the wind from the south‐west has been blowing in the basin area 

for over ten hours. Maximum velocities of the current within the dumping site are small (0.06 – 0.09 

m/s). The sediment plume  is moving  in a north‐westerly direction i.e., rotated 90o  in relation to the 

wind direction. 

At t2 time step, the maximum extent of spreading of the sediment plume reaches about 2.4 km from 

the point of discharge. The concentration of suspended solids decreases rapidly. After 2 hours, the 

maximum  concentration  in  the  center of  the plume  located  closer  to  the point of discharge  is 47 

mg/l. In the second plume, which  is approx. 2.2 km away from the point of discharge, after 8 hours 

the concentration  is  low and  it equals 4 mg/l. During this period, the wind over the basin has been 

blowing from the west for over ten hours, at a speed not exceeding 9 m/s. Maximum velocities of the 

current within the dumping site, for such forcing, are in the range of 0.06 – 0.09 m/s. The generated 

                                                                                      

34  

current circulation causes that the plume is moving in a westerly direction, i.e. similarly as in the case 

study “A” – in the direction opposite to the direction of the wind. 

At t3 time step, the state of the bottom after disposal and sedimentation of dredged material has 

been presented. A newly formed layer of sediments, locally in the areas of disposal, has a thickness 

of up to 0.38 m. The analysis of sediment thickness after finishing the disposal works indicates that, 

similarly as in the case study “A”, thickness of sediments formed from the suspension outside the 

area of the dumping site is negligible. 

                                                                                      

35  

 

Fig. 8.6. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the 

case study „B”, at t1 time step (white spot – point of disposal within the dumping site)  

 

                                                                                      

36  

 

Fig. 8.7. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the 

case study „B”, at t2 time step (white spot – point of disposal within the dumping site)  

                                                                                      

37  

 

Fig. 8.8. Results of the simulation of dredged material disposal under real hydrodynamic conditions, for the 

case study „B”, at t3 time step  

 

                                                                                      

38  

8.3 Scenario – resuspension process – case study “C” 

In this section, the results of simulations concerning the fate of dredged material deposited on the 

dumping site and subjected to the  influence of waves and currents during the extreme storm have 

been presented. This scenario  is  related  to  the process of  resuspension of  sediments deposited at 

Gdynia dumping site. The results which are typical for the case of significantly increased dynamics of 

forcing conditions  in  the model have been shown  for  the  subsequent  time steps  (t1,  t2,  t3)  in  the 

figures Error! Reference  source not  found., Error! Reference  source not  found., Error! Reference 

source not found., in the following way: 

a) graphs  of wind  speed  and  direction  variability  in  time,  over  the  basin  (black  vertical  line 

represents  the  moment  of  simulation  shown  on  the  maps  of  currents,  waves  and 

concentrations),  

b) map of current circulation in the Gulf of Gdańsk (directions and averaged velocities),  

c) map of  suspended  sediment dispersion  in  the  zoomed area  including Gdynia dumping  site 

(concentration of suspended solids in kg/m3, which is equal to g/l), 

where the subsequent time steps mean:  

  t1 – moment in time when resuspension has started (Error! Reference source not found.), 

  t2 – moment in time when the greatest concentration in the plume can be observed (Error! 

Reference source not found.), 

  t3 – moment  in  time which  reflects  the extent of spreading of  the sediment plume  (Error! 

Reference source not found.). 

Each  set  of  pictures  shows  the  simulation  at  subsequent  time  steps  of  the  adopted  calculation 

scenario. 

At t1 time step, the process of resuspension begins. Significant wave heights  in the area of Gdynia 

dumping site reach up to 1.2 m, however, taking into account water depths at this site (25‐55 m), the 

impact  of  the  oscillating  motion  generated  by  waves  on  sediments  is  negligible.  Average 

concentrations of  the  turbidity plume which  starts  forming are very  low. At  the  initial  t1 moment 

they reach approx. 4 mg/l. 

After 4 hours, at t2 time step, the size of the plume reaches its maximum (length: m, width: m) and 

the average concentration of suspended sediments ranges from 4 to 6 mg/l. In this period, the wind 

blows from the west and reaches speeds of 18 m/s. The location of Gdynia dumping site causes that 

the strongest storm induced by NW winds cannot generate considerably high waves in this area. 

At t3 time step, after next 5 hours, the plume disappears, its concentration is decreasing and reaches 

<3 mg/l after traveling a distance of approx. 5 km from the place of appearance. 

                                                                                      

39  

 

Fig. 8.9. Results of the simulation of dredged material disposal and the effect of resuspension under real 

hydrodynamic conditions, for the case study „C”, at t1 time step  

                                                                                      

40  

 

 

Fig. 8.10. Results of the simulation of dredged material disposal and the effect of resuspension under real 

hydrodynamic conditions, for the case study „C”, at t2 time step  

                                                                                      

41  

 

Fig. 8.11. Results of the simulation of dredged material disposal and the effect of resuspension under real hydrodynamic conditions, for the case study „C”, at t3 time step  

 

                                                                                      

42  

9. Summary The objective of this study (task within the ECODUMP project) was to build a numerical model which 

in the most reliable way could predict the dispersion of suspended sediments, both in terms of space 

and time. For this study  it has been tested  in the area of Gdynia dumping site. The key  issue in this 

type of computations is to quantitatively assess the concentration of suspended material during and 

after deposition of dredged material. 

The results of all the calculations lead to the following general conclusions: 

Complex numerical models like MIKE21 allow for a more realistic approach to dumping and 

resuspension processes. 

Numerical models require validation against the measurements, as  long as the gaps  in the 

knowledge still exist. 

The agreement of real‐scale measured data with the regional models (WAM, HIROMB) and 

the  local model  (MIKE21) are  fully satisfactory  in terms of wave parameters and sea  level 

fluctuations. 

Over  ten  various  computational  scenarios were performed  as part of  the  task  and  three of  them 

were selected  to be presented  in  this study. The  scenarios differed primarily  in  the directions and 

intensity of environmental forcings. 

The  analyses of  the dispersion of  suspended  sediments during  the discharge of dredged material 

were modeled  for  calm  and moderate wind  conditions  –  the  actual  conditions  in which  disposal 

works are carried out. In the case of works connected with deposition of dredged material, not only 

the  process  of  dispersion  of  suspended  sediments  during  the  dumping  is  analyzed  but  also  the 

resuspension of deposited  sediments  caused by hydrodynamic  forces being  the  result of  extreme 

meteorological and hydrological impacts. 

Within the task, as part of the ECODUMP project, several measurement sessions were carried out at 

the  site  in  the area of Gdynia dumping  site using AWAC  instrument – Acoustic Wave And Current 

Profiler. The results of the measurements were used for the calibration of the model and to prove its 

usefulness. The application of the numerical model for the analysis of Gdynia dumping site, located in 

the Gulf of Gdańsk, leads to the following specific conclusions: 

The  biggest  differences  in  the  calculated  current  velocity  fields  occur  in  the  case  of 

environmental  forcings  (from  the  NW‐NE  sector)  which  are  influenced  by  complicated 

configuration of the shoreline. For such conditions, an  important role  is played by currents 

generated  inside the Bay of Puck, as well as the currents coming from an open area of the 

Gulf of Gdańsk, causing the appearance of specific current circulation systems. 

The results of calculations in the modeling scenarios for environmental forcings from E to SW 

directions  indicate  a much  better  agreement  of  the  current‐related  parameters  between 

measurement and simulation data. 

The occurrence of complex current circulations, especially in confined water bodies, can lead 

(as shown  in the results of computations) to situations  in which spreading of the sediment 

plume  takes  place  in  a  direction  considerably  different  from  the  direction  of  the  blowing 

                                                                                      

43  

wind or even opposite to it. In such case, an increase in the wind speed not always leads to 

an increase in the extent of the sediment plume. 

 

In the case of weak winds, the concentration of suspended sediments after the dumping of 

dredged material reaches higher values and the impact period of the plume can be longer. 

At  the  time  of  dredged material  discharge,  concentrations  of  suspended  solids,  especially 

when  fine  fractions  are  predominant,  reach  significant  values.  However,  they  rapidly 

decrease.  In  the  analyzed  cases  of  disposal  from  dump  scows, which  are  very  popular  in 

Gdynia,  average  concentrations of  the  sediment plume outside  the dumping  site  are  very 

low. 

Unloading of a single dump scow  (see section 5.5) creates a new  layer of sediments at  the 

bottom, which has a thickness not exceeding 0.4 m, for water depths of Gdynia dumping site. 

The location of Gdynia dumping site causes that resuspension can occur only in the case of extreme 

storms. It results from the fact that the basin is surrounded by land on three sides and, additionally, it 

has considerable water depths in the area of the dumping site. 

References 

1. Burcharth F.H., Hawkins S.J., Zanuttigh B., Lamberti A., (2007). Environmental Design Guidelines 

for Low Crested Coastal Structures. Elsevier, The Netherlands. 

2. Cieślikiewicz W., Paplińska‐Swerpel B., (2005). Long‐term modeling of wind waves in the Baltic 

Sea, in the period 1958‐2001 (in Polish). Inżynieria Morska I Geotechnika, No. 4, 313‐321. 

3. Dembska G., ….  (2014).  Report  on  quantity,  types  and  characteristics  of  the  sediments  from 

existing dumping sites in SE Baltic. ECODUMP Project, Gdańsk. 

4. Gűnter H., (2002). WAM Cycle 4.5 User Manual. Institute for Coastal Research, Hamburg. 

5. Hornsea Offshore Wind Farm (2013). Project One. Annex 5.1.6. Cable Burial Plume Assessment. 

6. Komen,  G.J.,  Cavaleri  L.,  Donelan M.,  Hasselmann  K.,  Hasselmann  S.  and  P.A.E.M.  Janssen, 

(1994). Dynamics and modelling of ocean waves. Cambridge University Press, Cambridge. 

7. MIKE 21/3 Coupled Model FM, User Guides, (2008). DHI Software. 

8. MIKE 21 Wave Modelling, (2007). Vol. 1, DHI  Software. 

9. MIKE 21 Flow Model FM, Hydrodynamic Module, User Guide, (2013). DHI Software. 

10. MIKE 21 Flow Model FM, Mud Transport Module User Guide, (2013). DHI Software. 

11. Paplińska  B.,  (1999).  Wave  analysis  at  Lubiatowo  and  in  the  Pomeranian  Bay  based  on 

measurements from 1997/1998 – comparison with modelled data (WAM4 model). Oceanologia, 

41(2), 241–254. 

12. Van Leussenm W. (1988). Aggregation of particles, setteling velocity of mud flocs. Areview: In: 

Dronkers And Van Leussen (Eds.): Physical processes in estuaries. Springer Verlag. Pp 347‐403. 

13. Van Rijn, L.C., (1993). Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. Aqua 

Publications, The Netherlands. 


Recommended