Tidal systems are subjected to a variety of internal and external drivers whose interplay and feedbacks affect the shape and the morphological evolution of typical tidal landforms such as channel networks, salt marshes and tidal flats. Several studies have been carried out describing the various processes that drive the evolution of tidal landforms (e.g., the hydrodynamic circulation, the consequences of tidal currents and wind waves on sediment dynamics, vertical and horizontal dynamics of salt marshes, sea level rise and human interferences). Understanding the positive feedbacks existing between salt-marsh erosion, tidal-flat widening and deepening and more energetic wave generation by means of observational evidence and numerical models is a critical step to predict the response of tidal landforms to future environmental changes. With this aim we first improved current our knowledge on the ancient configurations of the Venice lagoon through the bathymetric reconstruction of the oldest map, dating back to 1611, providing a realistic representation of its morphological features. This furthermore allowed us to gain new insights on the hydrodynamic changes occurred in the last four centuries. We then compared different existing model approaches, in order to unravel the implications of different assumptions and formulations used to model wave dynamics in shallow tidal basins. Subsequently, we analysed the effects of wave action on marsh boundaries and how the wave field has changed in the last four centuries with the aim of further emphasizing the feedbacks existing between the overall erosion of the Venice Lagoon and the increase in wave power density. Finally, we analysed the bottom shear stress distribution obtained for different configurations of the Venice Lagoon, in order to support the possibility of describing wind-wave induced bottom erosion as a marked Poisson process. The main results from this work highlighted that: I) the most important mophodynamic changes in the Venice Lagoon have started in the last century and were mainly triggered by human interferences; II) the assumptions adopted in different modelling framework strongly influence the computation of the bottom shear stress induced by waves, in particular when very shallow water depths are considered; III) the salt-marsh erosion rate is linearly related to the mean wave power density; IV) the erosive trend of the Venice Lagoon during the last four centuries can be explained also by the increase in wave power density and by the analysis of bottom shear stress distribution; V) wind-wave induced erosion processes over tidal flats can be described as marked Poisson processes for all the past and current lagoon configurations, thus leading important consequences for the prediction of future scenarios and implications for the long-term morphodynamic modelling of tidal environments.

I sistemi mareali sono soggetti ad innumerevoli forzanti interne ed esterne, le cui interazioni e feedbacks influenzano l’evoluzione morfologica delle principali strutture morfologiche che caratterizzano gli ambienti a marea:i canali, le barene e i bassifondi. Sono stati svolti innumerevoli studi che descrivono i diversi processi che determinano l’evoluzione degli ambienti lagunari (e.g., l’idrodinamica dei canali a marea, le conseguenze delle correnti di marea e delle onde da vento sulla dinamica dei sedimenti, i meccanismi di evoluzione laterale e orizzontale delle barene, l’incremento del livello del medio mare, gli interventi antropici). Capire i meccanismi di feedback positivi esistenti tra l’erosione delle barene, l’allargamento e approfondimento dei bassifondi e la generazione di moto ondoso più energetico con l’aiuto di dati di campo e di modelli numerici risulta un passo fondamentale per prevedere la risposta delle strutture morfologiche degli ambienti a marea ai futuri cambiamenti ambientali. Al fine di raggiungere questo obiettivo, abbiamo, in primo luogo, ampliato la nostra conoscenza delle configurazioni storiche della Laguna di Venezia attraverso la ricostruzione batimetrica della più antica mappa, risalente al 1611, che forniva una rappresentazione realistica delle strutture morfologiche lagunari. Questo ha consentito di conseguenza di approfondire l’analisi dei cambiamenti idrodinamici che si sono verificati negli ultimi quattro secoli. Abbiamo in seguito confrontato diversi approcci adottati in modelli esistenti, al fine di investigare e comprendere le implicazioni delle diverse assunzioni e formulazioni utilizzate per modellare la dinamica delle onde da vento in bacini a marea poco profondi. Di seguito, abbiamo analizzato gli effetti dell’azione delle onde da vento sui bordi delle barene e il cambiamento del campo di moto ondoso negli ultimi quattro secoli, allo scopo di enfatizzare ulteriormente i feedbacks esistenti tra l’erosione generale della Laguna di Venezia e l’aumento della potenza delle onde. Infine, abbiamo analizzato gli sforzi di attrito al fondo ottenuti per diverse configurazioni della Laguna di Venezia, in modo da supportare la possibilità di descrivere l’erosione del fondo indotta da onde da vento come un processo di Poisson marcato. I principali risultati di questo lavoro hanno evidenziato che: I) i più gravosi cambiamenti morfodinamici nella Laguna di Venezia sono iniziati nell’ultimo secolo e sono stati innescati principalmente dagli interventi antropici; II) le assunzioni adottate in diversi approcci modellistici fortemente influenzano il calcolo dello sforzo di attrito al fondo dovuto alle onde da vento, in particolare quando si considerano profondità molto ridotte; III) il tasso di erosione delle barene è linearmente correlato alla potenza generata dalle onde da vento; IV) la tendenza erosiva della Laguna di Venezia negli ultimi quattro secoli può essere spiegata dall’aumento della potenza media e dall’analisi della distribuzione dello sforzo di attrito al fondo; V) i processi erosivi dovuti alle onde da vento in sistemi lagunari possono essere descritti come processi di Poisson marcato in tutte le configurazioni passate e per quella attuale, questo produce importanti conseguenze per quanto riguarda la previsione di scenari futuri e implicazioni per la modellazione morfodinamica a lungo termine degli ambienti a marea.

Analysis of wind-wave induced erosion in the Venice Lagoon in the last four centuries: field observations and modelling / Tommasini, Laura. - (2018 Nov 26).

Analysis of wind-wave induced erosion in the Venice Lagoon in the last four centuries: field observations and modelling

Tommasini, Laura
2018

Abstract

I sistemi mareali sono soggetti ad innumerevoli forzanti interne ed esterne, le cui interazioni e feedbacks influenzano l’evoluzione morfologica delle principali strutture morfologiche che caratterizzano gli ambienti a marea:i canali, le barene e i bassifondi. Sono stati svolti innumerevoli studi che descrivono i diversi processi che determinano l’evoluzione degli ambienti lagunari (e.g., l’idrodinamica dei canali a marea, le conseguenze delle correnti di marea e delle onde da vento sulla dinamica dei sedimenti, i meccanismi di evoluzione laterale e orizzontale delle barene, l’incremento del livello del medio mare, gli interventi antropici). Capire i meccanismi di feedback positivi esistenti tra l’erosione delle barene, l’allargamento e approfondimento dei bassifondi e la generazione di moto ondoso più energetico con l’aiuto di dati di campo e di modelli numerici risulta un passo fondamentale per prevedere la risposta delle strutture morfologiche degli ambienti a marea ai futuri cambiamenti ambientali. Al fine di raggiungere questo obiettivo, abbiamo, in primo luogo, ampliato la nostra conoscenza delle configurazioni storiche della Laguna di Venezia attraverso la ricostruzione batimetrica della più antica mappa, risalente al 1611, che forniva una rappresentazione realistica delle strutture morfologiche lagunari. Questo ha consentito di conseguenza di approfondire l’analisi dei cambiamenti idrodinamici che si sono verificati negli ultimi quattro secoli. Abbiamo in seguito confrontato diversi approcci adottati in modelli esistenti, al fine di investigare e comprendere le implicazioni delle diverse assunzioni e formulazioni utilizzate per modellare la dinamica delle onde da vento in bacini a marea poco profondi. Di seguito, abbiamo analizzato gli effetti dell’azione delle onde da vento sui bordi delle barene e il cambiamento del campo di moto ondoso negli ultimi quattro secoli, allo scopo di enfatizzare ulteriormente i feedbacks esistenti tra l’erosione generale della Laguna di Venezia e l’aumento della potenza delle onde. Infine, abbiamo analizzato gli sforzi di attrito al fondo ottenuti per diverse configurazioni della Laguna di Venezia, in modo da supportare la possibilità di descrivere l’erosione del fondo indotta da onde da vento come un processo di Poisson marcato. I principali risultati di questo lavoro hanno evidenziato che: I) i più gravosi cambiamenti morfodinamici nella Laguna di Venezia sono iniziati nell’ultimo secolo e sono stati innescati principalmente dagli interventi antropici; II) le assunzioni adottate in diversi approcci modellistici fortemente influenzano il calcolo dello sforzo di attrito al fondo dovuto alle onde da vento, in particolare quando si considerano profondità molto ridotte; III) il tasso di erosione delle barene è linearmente correlato alla potenza generata dalle onde da vento; IV) la tendenza erosiva della Laguna di Venezia negli ultimi quattro secoli può essere spiegata dall’aumento della potenza media e dall’analisi della distribuzione dello sforzo di attrito al fondo; V) i processi erosivi dovuti alle onde da vento in sistemi lagunari possono essere descritti come processi di Poisson marcato in tutte le configurazioni passate e per quella attuale, questo produce importanti conseguenze per quanto riguarda la previsione di scenari futuri e implicazioni per la modellazione morfodinamica a lungo termine degli ambienti a marea.
26-nov-2018
Tidal systems are subjected to a variety of internal and external drivers whose interplay and feedbacks affect the shape and the morphological evolution of typical tidal landforms such as channel networks, salt marshes and tidal flats. Several studies have been carried out describing the various processes that drive the evolution of tidal landforms (e.g., the hydrodynamic circulation, the consequences of tidal currents and wind waves on sediment dynamics, vertical and horizontal dynamics of salt marshes, sea level rise and human interferences). Understanding the positive feedbacks existing between salt-marsh erosion, tidal-flat widening and deepening and more energetic wave generation by means of observational evidence and numerical models is a critical step to predict the response of tidal landforms to future environmental changes. With this aim we first improved current our knowledge on the ancient configurations of the Venice lagoon through the bathymetric reconstruction of the oldest map, dating back to 1611, providing a realistic representation of its morphological features. This furthermore allowed us to gain new insights on the hydrodynamic changes occurred in the last four centuries. We then compared different existing model approaches, in order to unravel the implications of different assumptions and formulations used to model wave dynamics in shallow tidal basins. Subsequently, we analysed the effects of wave action on marsh boundaries and how the wave field has changed in the last four centuries with the aim of further emphasizing the feedbacks existing between the overall erosion of the Venice Lagoon and the increase in wave power density. Finally, we analysed the bottom shear stress distribution obtained for different configurations of the Venice Lagoon, in order to support the possibility of describing wind-wave induced bottom erosion as a marked Poisson process. The main results from this work highlighted that: I) the most important mophodynamic changes in the Venice Lagoon have started in the last century and were mainly triggered by human interferences; II) the assumptions adopted in different modelling framework strongly influence the computation of the bottom shear stress induced by waves, in particular when very shallow water depths are considered; III) the salt-marsh erosion rate is linearly related to the mean wave power density; IV) the erosive trend of the Venice Lagoon during the last four centuries can be explained also by the increase in wave power density and by the analysis of bottom shear stress distribution; V) wind-wave induced erosion processes over tidal flats can be described as marked Poisson processes for all the past and current lagoon configurations, thus leading important consequences for the prediction of future scenarios and implications for the long-term morphodynamic modelling of tidal environments.
Venice Lagoon, Salt marsh, Wind wave
Analysis of wind-wave induced erosion in the Venice Lagoon in the last four centuries: field observations and modelling / Tommasini, Laura. - (2018 Nov 26).
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