Measurement and numerical modeling studies of the highest bottom shear stress in the Randle Reef area

The purpose of this study was to investigate the highest bottom shear stress, induced by wind in an area of Hamilton Harbour, Ontario, Canada known as Randle Reef. The study was conducted in support of a component of a contaminated sediment remediation plan utilizing a thin layer of sand to manage contaminated sediments. Toward this end, four acoustic Doppler current profilers (ADCPs) were deployed at two locations in the study region to measure velocity profiles for the purpose of indirectly measuring bottom shear stress (BSS) and model verification. There is no easy way to directly measure BSS in the field. As a result, the use of the logarithmic-profile method from the ADCP measured high resolution velocity profiles in the bottom layer was explored. This approach, according to our best knowledge, has not been published for a wind driven flow in a small open water body. To use the indirectly measured BSS to estimate the highest BSS in the study area, a three- dimensional hydrodynamic model was adopted to provide the spatial and temporal information of the bottom flow. The results showed that the modeled and measured flow velocity components agreed reasonably well at most of the water depths with the correlation coefficients being greater than 0.6. However, agreements between the modeled and measured bottom flow speeds were worse than expected due to the error contributions from both the modeled velocity components. Therefore, the modeled flow speed required rescaling based on ADCP velocity measurements before it could be deemed reliable. This is especially important in estimation of the BSS with a quadratic formula because the calculated BSS is proportional to the square of the speed. Key words: bottom shear stress, hydrodynamics, 3D hydraulic numerical models, ADCP. Resume : La presente etude avait pour but d'examiner la contrainte de cisaillement de fond la plus elevee induite par les vents dans un secteur du port d'Hamilton, Ontario, Canada, connu sous le nom du recif Randle. L'etude a ete realisee dans le cadre d'un plan de remise en etat de sediments contamines utilisant une couche mince de sable pour gerer les sediments contamines. Dans ce but, quatre profileur de courant a effet Doppler (ADCP) ont ete places en deux endroits de la region a l'etude dans le but de mesurer les profils de vitesse afin de mesurer indirectement la contrainte de cisaillement de fond (BSS) et verifier le modele. Il n'existe aucune methode facile de mesurer directement la BBS sur le terrain. La methode du profil logarithmique de l'ADCP pour mesurer des profils de vitesse a haute resolution dans la couche de fond a ete examinee. Cette approche, au meilleur de notre connaissance, n'a jamais ete publiee pour un courant du au vent dans un petit plan d'eau libre. Un modele hydrodynamique tridimensionnel a ete adopte pour fournir de l'information spatiale et temporelle sur l'ecoulement de fond afin d'utiliser la BSS mesuree indirectement pour evaluer la plus haute BSS dans la region a l'etude. Les resultats montrent que les composantes de vitesse de debit modelisee et mesuree concordent assez bien a la plupart des profondeurs d'eau, les coefficients de correlation etaient superieurs a 0,6. Toutefois, la correspondance entre les vitesses de courant de fond modelisees et mesurees etait moins bien que prevue en raison des erreurs des deux composantes modelisees. Ainsi, la vitesse de courant modelisee demande un reechelonnage base sur les mesures de vitesse de l'ADCP avant qu'elle ne puisse etre fiable. Ceci est particulierement important lors de l'estimation de la BSS dans une formule quadratique puisque la BSS calculee est proportionnelle au carre de la vitesse. [Traduit par le Redaction] Mots-cles: contrainte de cisaillement de fond, hydrodynamique, modeles numeriques hydrauliques tridimensionnels, ADCP.
Introduction Randle Reef in Hamilton Harbour is considered one of the largest polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) contaminated sediment sites in the Great Lakes (Graham et al. 2012). A containment approach [...]