Evaluation of sediment properties using wind and turbidity observation and experimental investigation of the impact of macroalgal mats on sediment stability and flow dynamics in shallow tidal areas

Sediment resuspension and deposition are key processes governing intertidal morphodynamics and are crucially influenced both by physical and biological factors. The present thesis addresses two important aspects of sediment trans- port processes in intertidal areas. The first topic concerns the quantitative analysis of suspended sediment concentration and wind forcing to provide estimates of sediment properties, such as settling velocity and the critical shear stress for erosion, valid at a spatial scale which is relevant for the overall morphodynamics of the system. The first part of the thesis thus develops and describes a method to evaluate sediment properties based on the solution of a sediment mass conser- vation equation in the water column accounting for the effects of wind-induced and current-induced bottom shear stress. The method is applied by using data from a network of in situ sensors in the Venice lagoon and provides estimates which compare favorably with observations in the same shallow tidal areas, and are in line with what is expected for sandy-silt sediments. The proposed estimation method is direct and quantitative, it does not interfere with the local system physical and biological status, and lends itself to the monitoring of sed- iment parameters on a seasonal basis and for long periods of time with limited operational effort. The second, related, topic treated here concerns the labora- tory study of the impact of mats of Ulva intestinalis on sediment stability and flow dynamic in shallow tidal areas. Macroalgae are a controlling factor of flow and sediment stability, as they act to inhibit sediment erosion due to waves or currents and promote sedimentation. Algal mats are increasingly more frequent and extended in many coastal and estuarine intertidal habitats and it is thus important to quantitatively characterize their impact on the flow field and on sediment stability, in order to better understand ongoing degradation of coastal lagoons and to develop suitable mitigation and restoration measures. The second part of the thesis thus describes and analyzes a series of experiments performed in a large open-channel flume (the Total Environment Simulator - TES- facility at University of Hull, UK), set up with a bed of fine sand, partially covered by strands of U. intestinalis. The experiments allowed the accurate measurement, both in space and time, of flow velocity distributions, water levels, bed levels, and suspended sediment concentration. The presence of macroalgae was found to influence both the velocity distribution near the sediment bed, and the Reynolds shear stress acting on it. Direct inspection during the experiments and data analysis suggest that macroalgae exert a significant bio-stabilizing effect.

La risospensione e la deposizione dei sedimenti sono processi chiave nel governo della morfodinamica a marea e sono influenzate in modo cruciale sia da fattori fisici che biologici. La presente tesi affronta due importanti aspetti dei processi di trasporto dei sedimenti negli ambienti a marea. Il primo argomento riguarda l’analisi quantitativa della concentrazione del sedimento in sospensione e della forzante vento per produrre delle stime delle proprietà del sedimento, quali la velocità di sedimentazione e lo sforzo tangenziale critico per l’erosione, a scale spaziali rilevanti per la generale dinamica morfologica del sistema. La prima parte della tesi pertanto sviluppa e descrive un metodo per valutare le proprietà del sedimento sulla base della soluzione di una equazione di conservazione del sedimento nella colonna d’acqua che tiene conto degli effetti dello sforzo tangenziale al fondo dovuto al vento e alle correnti di marea. Il metodo è applicato utilizzando osservazioni da una rete di sensori nella laguna di Venezia e produce stime in buon accordo con osservazioni puntuali negli stessi siti e allineate con i valori attesi per sedimenti sabbiosi- limosi. L’analisi è stata effettuata attraverso serie temporali relative a intensità del vento, fornite da stazioni anemometriche, a misure di torbidità, fornite da sensori torbidimetrici ed a serie temporali relative a livelli di marea acquisite dalla rete telemareografica; tutte le stazioni operano simultaneamente, sono dis- poste in prossimit`a l’un l’altra e ricoprono grossomodo l’intera area lagunare. Per calcolare gli sforzi dovuti all’azione del moto ondoso è stato implementato un modello puntuale forzato dal vento sotto l’ipotesi di fetch illimitato, in cui gli sforzi sono stati calcolati in funzione del coefficiente di attrito, della densità dell’acqua e della velocità orbitale massima al fondo. La velocità orbitale massima al fondo è stata espressa in funzione dell’altezza d’onda ed il periodo d’onda che è stato calcolato in funzione di parametri adimensionalizzati e seguendo la legge di potenza i cui parametri di fitting sono stati adattati alle osservazioni in laguna. L’altezza d’onda è stata calcolata secondo un bilancio energetico in cui si è trascurata la componente advettiva dell’energia dell’onda. Con il modello forzato dalla marea si sono calcolati gli sforzi in funzione del coefficiente di attrito, della densità dell’acqua e della velocità della corrente di marea. Una volta calcolati gli sforzi tangenziali al fondo è stata implementata l’equazione di conservazione della massa di sedimenti assumendo concentrazione dei sedimenti spazialmente uniforme (divergenza del flusso nulla e continuità della massa d’acqua), in cui la variazione nel tempo del prodotto tra il tirante e la concentrazione (la concentrazione viene espressa come differenza tra la concentrazione effettivamente acquisita dai torbidimetri ed una concentrazione residua che rimane sempre in sospensione in laguna) è data dalla somma tra il flusso di erosione ed il flusso di sedimentazione. Nel caso di processo di sedimentazione, il flusso erosivo è stato trascurato, ed i parametri ws (velocità di settling) e Co (concentrazione residua) sono stati calcolati risolvendo un fitting lineare. Una volta calcolati i valori di velocità di deposizione compresi tra 2.7 · 10-4 e 6.3 · 10−4 m/s e la concentrazione residua compresa tra 6.7 e 16.2 mg/l, si sono successivamente calcolati la velocità di erosione, sulla base della quale si è risolto l’algoritmo del simplesso per ottenere la curva di regressione dei valori medi di velocità di erosione. Dalla regressione si sono ottenuti i valori dello sforzo critico di erosione compresi tra 0.1 e 0.5 Pa e del parametro di erosione compresi tra 2 · 10−6 e 3 · 10−4 kg/sm2. E’ stata compiuta inoltre un’analisi stagionale dopo aver suddiviso le serie temporale in stagioni secondo la suddivisione astronomica. I risultati si sono dimostrati in generale in soddisfacente accordo con i valori misurati in situ attraverso le tradizionali strumentazioni, Sea Carousel e Mini Flume. La metodologia implementata ha il vantaggio di stimare i parametri dei sedimenti senza interferire con gli effetti di bio-stabilizzazione operati dai microrganismi e di fornire una stima parzialmente integrata delle soglie di erosione e della velocità di sedimentazione. Si può in definitiva concludere che il metodo di stima proposto è diretto e quantitativo, non interferisce con lo stato fisico e biologico locale del sistema e si presta ad attività di monitoraggio delle proprietà dei sedimenti su base stagionale e per lunghi periodi, con limitato sforzo operativo. Il secondo, correlato, argomento riguarda lo studio di laboratorio dell’impatto della macroalga Ulva intestinalis, sulla stabilità del sedimento e sul campo di velocità in aree a marea. Le macroalghe, infatti, esercitano un controllo importante sulla distribuzione della velocità e sul trasporto di sedimenti, poichè inibiscono l’erosione del sedimento dovuta a onde o correnti e promuovono la sedimentazione. Larghe estensioni di macroalghe sono sempre più frequenti in molti habitat intertidali estuarini e costieri ed è dunque importante caratterizzare quantitativamente il loro impatto sul campo di moto e la stabilità del sedimento, per una migliore comprensione dell’attuale degrado di lagune costiere e per sviluppare adatte misure di mitigazione e ricostruzione ambientale. La seconda parte della tesi, dunque, descrive e analizza una serie di esperimenti condotti in una canaletta di grandi dimensioni (il Total Environment Simulator - TES- presso l’Università di Hull, UK), con sedimento costituito da sabbia fine, parzialmente coperto da individui di U. intestinalis. L’attività sperimentale è stata indirizzata a quantificare l’effetto delle macroalghe sulla dinamica della struttura del campo di moto indotto da correnti e moto ondoso. L’apparato strumentale utilizzato è costituito da una canaletta di 11 metri di lunghezza e 2 di larghezza, su cui è disposto uno strato di sedimenti artificiali non coesivi (sabbia fine: 135μm di diametro). L’apparato è fornito di generatore di flusso ed onde. Attraverso una completa strumentazione costituita da ADV (Acoustic Doppler Profiler), PIV (Particle Image Velocimetry), ABS (Acoustic BackScat- ter) si sono fornite informazioni su: andamento temporale del vettore velocità, evoluzione temporale della superficie del fondo, andamento temporale della concentrazione dei sedimenti sospesi. Si sono infine utilizzate trappole di sedimento posizionate all’uscita del flusso di corrente dalla canaletta per fornire l’integrale della massa solida trasportata. Sono stati compiuti 12 test simulando diverse condizioni idrodinamiche: corrente ed onde per diversi livelli di tirante (0.21 m; 0.31 m; 0.25 m) dapprima in presenza di macroalghe e successivamente su fondo nudo. Le alghe dopo essere state prelevate presso la Riserva Naturale Nazionale di Budle Bay, sulla costa nord-orientale dell’Inghilterra, sono state ripiantate nello strato di sedimenti della canaletta in modo da seguire una disposizione su linee trasversali sfalsate ricoprendo tutta la superficie della canaletta con una densità di circa 12 unità /m2. Con l’obiettivo di quantificare le osservazioni raccolte durante ciascun test ed in particolare al fine di determinare l’intervallo di tempo entro cui calcolare il valor medio delle velocità turbolente, si è inizialmente calcolata la funzione di autocorrelazione della componente longitudinale della velocità di fluttuazione. Dalla funzione di autocorrelazione si sono calcolate la microscala e la macroscala temporale per i diversi esperimenti. Al fine di calcolare la velocità di attrito ed il parametro di scabrezza di Nikuradse, si è implementata la legge universale logaritmica delle velocità media per paretri scabre. Per ottenere questi parametri, si è realizzato il fitting lineare dei dati sperimentali: dalla stima della pendenza ed intercetta si sono ottenuti la velocità di attrito ed il parametro di scabrezza. Al fine di determinare l’esistenza di una relazione statisticamente significativa tra le rette di regressione (fitting lineare per i quattro ADV nelle 4 posizioni in cui sono stati disposti gli strumenti), si è calcolato l’errore standard per la pendenza e l’intercetta da cui si sono de- terminati i relativi intervalli di confidenza al 95 %. Sia la velocità di attrito sia il parametro di scabrezza sono risultati maggiori nei test con macroalghe piuttosto che nei test senza macroalghe, confermando quanto riscontrato in letteratura sul ruolo bio-stabilizzatore delle macroalghe. Sulla base degli sforzi di Reynolds e del gradiente di velocità media si è poi calcolato il profilo verticale degli sforzi tangenziali, i quali hanno dimostrato comportamenti differenti tra i test con e senza macroalghe. Nel primo caso gli sforzi aumentano dal fondo fino ai primi centimetri per poi diminuire quasi linearmente fino alla superficie, mentre nel secondo caso diminuiscono linearmente dal fondo alla superficie. Infine con l’obiettivo di studiare la struttura della turbolenza, si è calcolato lo spettro monodimensionale dell’energia nel tempo, caratterizzato principalmente dalla presenza di vortici di piccole dimensioni corrispondenti alle alte frequenze. Per visualizzare il trend decrescente della densità di energia è stato calcolato il valor medio dell’energia (binning) nell’intervallo inerziale. Si è calcolato il fitting lineare da cui si è ottenuto il valore della pendenza. Dal confronto delle pendenze per i diversi test, si sono ottenuti valori minori per i test con macroalghe che per i test senza macroalghe, poichè si ritiene che queste ultime agiscano interferendo sulla struttura della turbolenza del campo di energia. Attraverso l’ipotesi di Taylor si è calcolata la macroscala spaziale sulla base delle fluttuazioni temporali precedentemente calcolate, in modo da produrre lo spetto monodimensionale dell’energia nello spazio. Anche in questo caso la pendenza nel test con macroalghe è risultata minore rispetto alla pendenza nei test senza macroalghe. Dall’osservazione diretta compiuta durante gli esperimenti e dai risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati di velocità acquisiti dagli ADV, si conferma quanto riscontrato in letteratura riguardo al ruolo bio-stabilizzatore delle macroalghe, a cui si associa riduzione del campo di moto in prossimità del fondo, forme di fondo di dimensioni inferiori, minor quantità di materiale solido trasportato sia di fondo sia in sospensione.