Den sydligaste hamnen i Louisiana är en viktig plats för den amerikanska energiindustrin, men också en av de mest utsatta platserna i landet. Port Fourchon i Lafourche Parish betjänar 90 % av Mexikanska golfens olje- och gasaktiviteter på djupt vatten, vilket är anledningen till att U.S. Naval Research Laboratory har investerat 25 miljoner USD i LSU för att skapa en digital kupol som skyddar Port Fourchon och Louisiana Offshore Oil Port, landets enda djuphavshamn till havs, från cybersäkerhetshot. Mer än 1,5 miljoner fat råolja transporteras med rörledningar genom hamnen per dag och cirka 1, 200 lastbilar åker in och ut ur hamnen också varje dag.

En lång, tunn sandstrand sträcker sig längs hamnens södra omkrets, buffrar den från norra Mexikanska golfen och hotet om orkaner, stormsvallvåg, och översvämning. Dock, varje år, strandlinjen drar sig tillbaka med cirka 30 till 50 fot, kryper närmare hamnen, som hyser mer än 250 företag. Stranden som ligger söder om Port Fourchon förlorar mer land varje år på grund av höjning av havsnivån, erosion, och sättningar, eller sjunka, än någon annan plats i USA

"Jag skulle säga att markförlust är ett av de största hoten mot hamnen och södra Louisiana, " sa LSU Coastal Studies Institutes tillfälliga chef Kevin Xu, som också är James P. Morgan Distinguished Professor vid Institutionen för oceanografi och kustvetenskaper vid LSU College of the Coast &Environment.

Muddring, eller gräva upp, sand och sediment från havsbotten och sandbankar och transporterar det för att återuppbygga och förstärka stränder, som den som skyddar Port Fourchon, liksom sanddyner, barriäröar, och kärr, är en av de viktigaste strategierna som används för att bekämpa förlust av kustland i Louisiana. Dock, det är en kostsam strävan. Till exempel, staten spenderade mer än 70 miljoner dollar för att muddra och transportera 3,3 miljoner kubikyard sand med pråm och pumpade den genom en rörledning för att förstärka Caminada-udden, en annan outvecklad strand som påverkas avsevärt av erosion, som också skyddar Port Fourchon från stormar.

Sedimentbudgeten, eller mängden sand och sediment som är tillgängligt för stora muddringsprojekt som detta, är ändlig. Dessutom, orkaner kan tränga undan sand och sediment, vilket gör muddrings- och återuppbyggnadsprojekt ännu mer utmanande. Det är därför Xus expertis inom beräkningsmodellering av sedimenttransport är avgörande.

"LSU:s insatser är av stor betydelse för alla som är inblandade i att avgöra hur muddrade sediment bäst kan användas på de mest fördelaktiga sätten för områdena som skyddar Port Fourchon såväl som den södra Louisianas kustlinje i allmänhet, " sa Chett C. Chiasson, Greater Lafourche Port Commission verkställande direktör.

LSU fakultet, inklusive Xu och LSU College of the Coast &Environment Dean Chris D'Elia, träffade nyligen Chiasson och andra intressenter i Port Fourchon för att få en närmare titt på hamnen och diskutera sätt att samarbeta om kust- och miljöprojekt.

"Frågorna och engagemanget från denna resa ledde verkligen till en ökad önskan att fortsätta arbeta med LSU för att ta itu med framtida bekymmer som måste beaktas när vi lägger fram en strategisk, vetenskapsbaserad process för att maximera den välmenande användningen av sediment vi tar direkt från våra slips och Belle Pass. Vi ser fram emot framtida samarbete kring sedimenthantering eftersom vi alla arbetar mot samma mål att förbättra vår kustlinje genom framgångsrika begränsningsstrategier, sa Chiasson.

Xu är expert på att utveckla komplexa datormodeller som kan simulera och förutse hur sediment rör sig och förändrar kusten. Han är en del av ett team av forskare som utvecklade en 3D-datormodell som inkluderar flera faktorer – vind, vattennivå, sediment, vågor, och vegetation för att simulera de stora mängderna sandiga sediment som flyttades när orkanen Gustav, som var en av de sista orkanerna som allvarligt drabbade Port Fourchon, landföll i Louisiana 2008. Orkanen Gustav och Port Fourchon är ombud i datormodellen, som kan tillämpas på regioner runt om i världen som påverkas av andra orkaner och stora stormar.

"Att förstå drivkrafterna och processerna som är ansvariga för geomorfa förändringar vid kusten är centrala för att uppskatta långsiktiga sedimentbudgetar-en viktig aspekt av motståndskraft i samband med havsnivåhöjning och ett förändrat klimat-och kustrestaurering, " skrev Xu och hans medförfattare i en ny tidning som publicerades i Kustteknik .

Port Fourchon och Caminada udde låg strax öster om orkanen Gustavs spår, vilket Xu och andra experter säger är den farligaste platsen att vara på under en orkan.

Under orkanen Gustav, sand från stranden och offshore pressades upp över dynen och avsattes i träsket vid hamnen.

"Effekten kallas för övertvättning. Det händer naturligt, men omfattningen av övertvättningen söder om Port Fourchon-området [från orkanen Gustav] var enorm, " sa Xu.

På grund av vindrörelsen moturs i orkaner på norra halvklotet, den starkaste vindenergin och kraften träffar områdena öster eller höger om spårlinjen för en orkan.

"Det rumsliga mönstret är mycket tydligt:​​tiotals kilometer strax öster om spårlinjen, på den platsen, du kommer att uppleva den starkaste vinden, högsta vågorna, och största sedimentavlagringen. Det är den mest skadliga och destruktiva platsen, " sa Xu.

Några år sedan, Xu och andra identifierade detta mönster i sin forskning som jämförde effekterna av orkanen Katrina med orkanen Rita 2005. Orkanen Katrinas ekonomiska och miljömässiga skador kostade mer än 40 miljarder USD i försäkrade förluster. I augusti 2005 Orkanen Katrina tog en snabb väg rakt mot kusten och orsakade intensiva och lokala störningar på havsbotten längs den östra Louisianas kontinentalsockel. Cirka tre veckor senare, Orkanen Rita landade i en vinkel, vilket gjorde att dess inverkan var utbredd över hela Louisianas kontinentalsockel. Mer än 131 miljoner ton sediment efter orkanen fördrevs när orkanerna Katrina och Rita korsade Louisianakusten, enligt forskning av LSU Boyd professor Eugene Turner och kollegor. De hittade förskjutet sediment i våtmarkerna som var flera centimeter tjocka.

Xu och Samuel J. Bentley, Billy och Ann Harrison ordförande i sedimentär geologi och LSU vice ordförande för forskning och ekonomisk utveckling, tillsammans med sex andra LSU-professorer har finansierats under de senaste sju åren för att studera muddringsgroparna där sand grävs och transporteras för att återuppbygga sanddyner och stränder, som de som skyddar Port Fourchon.

Ship Shoal är ett stort sandområde som ligger utanför Louisianas syd-centrala kust, som beräknas ha 1,2 miljarder kubikmeter högkvalitativ kvartssand. Tiotals miljoner kubikmeter av denna högkvalitativa sand har redan muddrats från Ship Shoal för att återställa Caminada udde. Muddergropar i fartygsstim fylls igen med lera och sand under påverkan från floderna Mississippi och Atchafalaya, vinddrivna strömmar, stormvågor, och tidvatten. LSU researchers continue to study this dynamic place that is important to coastal restoration as well as the environmental impacts of the dredge pit.

"What we found is that those dredge pits can potentially impact water quality. When you dig a big hole, the water is deep and sluggish, the bottom is very turbid, and you can potentially develop low dissolved oxygen conditions, which is called hypoxia, " sa Xu.

Other LSU researchers have shown that hypoxic conditions in the Gulf of Mexico do not bode well for marine life including fish, räka, and crabs that fuel the seafood industry.

In addition to the ecological impact, Xu and Bentley also studied how the dredge pit affects the oil and gas pipelines. They found that the walls of the dredge pits are fairly stable. It is unlikely that the pit will collapse and affect the pipeline in the short term, especially with the 1, 000-foot buffering distance set by the Bureau of Ocean &Energy Management for dredging near the pipeline.   

"Our study showed that the pit wall doesn't migrate that quickly. We found that 1, 000 feet is a very conservative distance for muddy pits. Resource managers could potentially use a shorter distance and be able to dig out more sand, but additional, longer term studies in the future are needed, " sa Xu.

Resource managers at the state's Coastal Protection and Restoration Authority, or CPRA, rely on academic research findings to maximize the benefits of projects while minimizing negative impacts. In light of continued subsidence, höjning av havsnivån, and stronger storms, resource managers apply LSU research toward developing sustainable solutions.

"Research such as Dr. Xu's increases our knowledge of how sediment moves and responds under various conditions, which helps us design effective projects and strategies to restore our coast and protect our infrastructure including Port Fourchon, " said Angelina Freeman, CPRA senior scientist and LSU alumna.

Freeman's PhD advisor was LSU Boyd Professor Harry Roberts, who is internationally recognized for his seminal research on the Mississippi River Delta. 

"I am so fortunate to have been mentored by Dr. Roberts, " she said. "My PhD at LSU provided the framework for understanding the natural processes that must be harnessed, and the application of pioneering science and engineering for effective coastal restoration management."