Modelling the plano-altimetric equilibrium of a tidal channel

Tidal channels are ubiquitous features of the tidal landscape which play a critical role in the morphodynamic evolution of these landscapes. In addition, tidal channels represent a substantial ecological and economic value, being however vulnerable to climate changes and increasing anthropogenic pressures. Improving current knowledge on tidal channel form and function is therefore key step to model and predict the evolution of tidal systems. A number of studies have analyzed the evolution and equilibrium configuration of tidal channels, focusing on the equilibrium profile of the channel bed for a given channel-width distribution as well as on channel equilibrium cross-sectional shape. However, the role that vegetation growth on the marsh platform plays on the equilibrium morphology of salt-marsh channels has received less attention. Here we developed a model which analyzes the equilibrium configuration of a channel and the adjacent salt-marsh platform and provides a useful tool for quantitative analyses of long-term eco-morphodynamic studies in tidal landscapes. The open channel flow is studied by a 1D hydrodynamic model developed to describe the flow field within the channel and, if present, on the lateral shoals. The 1D hydrodynamics was “validated” considering some test cases comparing the results obtained with a full-fledged 2D model as a reference. The tidal channel evolution can be sought using three different setups which single out landforming effects: purely erosional model, in which the erosion is the only effect shaping the channel; depositional model, in which erosion, sea level rise and settling deposition scour and promote the vertical accretion of the basin; depositional model with vegetation, in which vegetation effects are included in the previous setup. Model results reproduce several observed channel characteristics which are deemed to be relevant from a geomorphological point of view. Model results also show that vegetation encroachment on the marsh surface produces two competing effects. Enhanced marsh accretion associated with the increased particle trapping and with the organic production by halophytic plants, increases marsh elevation in the tidal frame, thus reducing the landscape forming tidal prism and the channel cross-sectional area. However, the increased flow resistance on the canopy promotes flow concentration within the channel, leading to more incised cross sections characterized by smaller width-to-depth ratios. Our simulations indicate that the second process is more important in marshes which are lower in the tidal frame, whereas the first process is more important in marshes higher in the tidal frame when most of the tidal fluxes are already confined within the channel.

I canali a marea innervano gli ambienti a marea costituendo dei percorsi preferenziali per il trasporto di acqua, sedimenti e nutrimenti. Inoltre, i canali a marea rappresentano un sostanziale valore ecologico ed economico, essendo tuttavia vulnerabili ai cambiamenti climatici e alle crescenti pressioni antropiche. La comprensione dei meccanismi che regolano la forma ed il funzionamento dei canali a marea è cruciale per migliorare la previsione delle tendenze evolutive degli ambienti a marea. Numerosi studi hanno analizzato l'evoluzione e la configurazione dell'equilibrio dei canali di marea, concentrandosi sul profilo di equilibrio del letto di canale per una data distribuzione della larghezza del canale e sulla forma della sezione trasversale di equilibrio del canale. Tuttavia, il ruolo che la crescita della vegetazione sulla piattaforma di barena svolge sulla morfologia di equilibrio dei canali a marea ha ricevuto meno attenzione. In questa tesi è stato sviluppato un modello che analizza la configurazione di equilibrio di un canale e l'adiacente barena e fornisce uno strumento utile per analisi quantitative di tipo eco-morfodinamico a lungo termine in ambienti a marea. L'idrodinamica è studiata attraverso un modello idrodinamico 1D sviluppato per descrivere il campo di moto all'interno di un canale e, dove presenti, sui bassofondali laterali. L'idrodinamica 1D è stata validata considerando alcuni casi test e confrontando i risultati ottenuti con un modello 2D scelto come riferimento. L'evoluzione del canale a marea può essere analizzata utilizzando tre diverse impostazioni che consentono di considerare separatamente o congiuntamente gli effetti responsabili della formazione del canale: modello puramente erosivo, l'erosione è l'unico effetto che modella il canale; modello deposizionale, in cui gli effetti considerati sono erosione, innalzamento del livello del mare e deposito per sedimentazione; modello con vegetazione, in cui si aggiungono alla precedente configurazione gli effetti di vegetazione. I risultati del modello riproducono diverse caratteristiche osservate del canale ritenute rilevanti dal punto di vista geomorfologico. I risultati del modello mostrano anche che la presenza della vegetazione sulla superficie di barena produce due effetti contrastanti. La crescita della vegetazione associata ad un incremento dell'effetto di intrappolamento di particelle di sedimento e della produzione organica da parte di piante alofite, aumenta la quota della superficie di barena rispetto all'escursione di marea, riducendo così il prisma di marea e l'area della sezione trasversale del canale. Tuttavia, la maggiore resistenza al flusso sulle piattaforme laterali promuove la concentrazione del flusso all'interno del canale, portando a sezioni trasversali più incise caratterizzate da rapporti larghezza-profondità più piccoli. Le nostre simulazioni indicano che il secondo processo è più importante sulle superfici di barena a quote più basse rispetto all'escursione di marea, mentre il primo processo è più importante sulle superfici di barena a quote più alte rispetto all'escursione di marea quando la maggior parte dei flussi di marea sono già confinati all'interno del canale.