Water and Sediment Temperature Dynamics in Shallow Tidal Environments

The purpose of the present study is to investigate the water and sediment temperature dynamics in shallow coastal environments. Indeed, water and sediment temperature dynamics are a first order control of many physical and biological processes in aquatic ecosystem, driving the short and long term evolution of the ecosystem. Given the scarcity of studies and data from the literature that investigate in particular the heat fluxes at the sediment-water interface (SWI), we conceived and performed an ad hoc, one-year-long field campaign was performed in the Venice lagoon to collect water and sediment temperature data. The collected data show that, in our study site, temperature is uniform within the water column, and enabled us to estimate the net heat flux at the sediment-water interface. Based on these results we developed a "point" model for describing the temperature dynamics of the sediment-water continuum in shallow tidal environments. Modeling the flux at the SWI as the sum of a conductive component and of the solar radiation reaching the bottom, we found the latter being negligible. Our analysis further revealed that, in general, horizontal advection driven by tidal currents is an important process also at our study site despite we placed it quite close to a divide. For applying the "point" model we therefore selected, in our data set, only periods when advection is negligible, that correspond to periods characterized by neap tide and small temperature difference between sea and lagoon. The results we obtained following our numerical approach are quite satisfactory showing the capability of the model of reproducing, in the selected conditions, the temperature dynamics both in the water column and within the sediments. Both the analysis of the data and model results show that the heat exchange between water and sediment is crucial for describing sediment temperature but plays a minor role on the water temperature. This observation suggests that, as a first approximation, the water temperature dynamics can be modeled neglecting the heat exchange between water and sediments. Using the developed numerical model we further investigated the effect of different turbidity conditions of the water column on the water and sediment temperature and on the photosynthetic capacity of the microphytobenthos (MPB), i.e. communities of microalgae commonly present in coastal environments and colonizing the uppermost layer of bed sediments. We found that the water temperature dynamics is poorly affected by the different conditions investigated, while the sediment temperature variation is significant, especially for very shallow water depth (i.e. ≤0.5 m). Considering the average annual budget, the photosynthetic rate of the MPB is found to be better promoted by clear water conditions, being the light availability the major limiting factor for the photosynthetic process. These results suggest the possibility of investigating a positive feedback between water column turbidity and the MPB proliferation, driven by its photosynthetic capacity. In fact, the abundance of MPB provides a bio-stabilization of the sediment bottom, creating a biofilm that limits sediment resuspension and thus reduces the water column turbidity.

Lo scopo della presente ricerca è di studiare la dinamica della temperatura dell'acqua e dei sedimenti in ambienti costieri poco profondi. La temperatura dell'acqua e dei sedimenti è certamente uno dei fattori più importanti per numerosi processi fisici e biologici che determinano l'evoluzione a breve e lungo termine degli ambienti acquatici. In letteratura si trovano pochi dati e pochi lavori che analizzano nello specifico i flussi di calore all’interfaccia sedimenti-acqua (SWI). Abbiamo quindi pianificato e realizzato una campagna di misura ad hoc della durata di un anno in laguna di Venezia al fine di raccogliere dati di temperatura dell’acqua e del fondale. L'analisi dei dati ha mostrato che, nel sito da noi considerato, la temperatura si può assumere distribuita uniformemente nella colonna d'acqua. I dati sono stati quindi utilizzati per stimare il flusso di energia all'interfaccia tra acqua e fondale. Sulla base di questi risultati, abbiamo sviluppato un modello ``puntuale'' per descrivere la dinamica del profilo verticale di temperatura nel continuo acqua-sedimento in ambienti a marea caratterizzati da bassi fondali. Modellando il flusso di energia al fondo come la somma di una componente conduttiva e della radiazione solare residua al fondo, si è osservato che la seconda risulta essere trascurabile. I risultati ottenuti mostrano inoltre che il trasporto orizzontale di calore legato alle correnti di marea, e pertanto l'applicabilità del modello ``puntuale'', è limitata ai periodi caratterizzati da condizioni tali da limitare l'avvezione (i.e. marea di quadratura e/o poca differenza tra la temperatura dell'acqua in mare e all'interno della laguna). I risultati forniti dal modello per periodi caratterizzati da avvezione trascurabile sono soddisfacenti. Sia l’analisi dei dati che i risultati forniti dal modello mostrano che lo scambio di calore tra acqua e fondale è di cruciale importanza per descrivere la temperatura dei sedimenti, mentre risulta trascurabile per la dinamica della temperatura dell’acqua. Questo suggerisce che, in prima approssimazione, la dinamica della temperatura della colonna d’acqua può essere modellata trascurando lo scambio di calore tra acqua e sedimenti. L'applicazione del modello ad una condizione sintetica ha quindi permesso di analizzare l'effetto di diverse condizioni di torbidità della colonna d'acqua sulla dinamica della temperatura della colonna d'acqua stessa e dei sedimenti al fondo, e quindi sulla capacità fotsintetica del microfitobentos, i.e. comunità di micro-alghe tipicamente presenti in ambienti costieri. I risultati mostrano che la dinamica della temperatura dell'acqua risente poco delle diverse condizioni di torbidità, mentre la temperatura dei sedimenti al fondo varia in modo significativo, soprattutto per fondali particolarmente bassi (i.e. ≤ 0.5 m). La capacità fotosintetica del microfitobentos, considerando l'andamento medio a scala annuale, risulta favorita dal condizioni acqua limpida, in quanto la disponibilità di luce al fondo risulta essere il principale fattore limitante per la fotosintesi. I risultati suggeriscono quindi la possibilità di indagare l'esistenza di un possibile feedback positivo tra torbidità della colonna d'acqua e proliferazione del microfitobentos, chiaramente legata alla sua capacità fotosintetica. Il microfitobentos infatti produce un biofilm che, se presente in quantità rilevanti, ha un effetto di bio-stabilizzazione del fondale che limita l'erosione e la risospensione dei sedimenti, e quindi una potenziale riduzione della torbidità dell'acqua.