Coastal wetlands in shallow tidal systems are among the most valuable environments on Earth, as they provide a diverse range of ecosystem services. Nevertheless, their survival is questioned by increasing rates of sea-level rise and reduced fluvial sediment delivery to the coasts. Moreover, anthropogenic pressures are becoming increasingly significant, as densely populated coastal urban areas are adopting protection infrastructures to reduce flooding, such as storm-surge barriers, whose potential effects on the evolution of the surrounding coastal wetlands are still poorly investigated. Therefore, a better understanding of the effects of natural and anthropogenic processes affecting the morphological evolution of coastal wetlands is crucial to develop management strategies aiming at preserving and restoring these delicate environments and the precious ecosystem services they provide. With this aim, in the present work we start considering sediment erosion and transport dynamics on tidal flats and test the possibility to develop a synthetic theoretical framework to realistically describe erosional and depositional processes in the long-term time scale. Beyond determining the evolution of tidal flats, sediment reworking is also a major mechanism controlling salt-marsh sedimentation, offsetting the negative effects of sea-level rise. This is particularly true in sediment starved systems. Hence, using field measurements from the Venice Lagoon (Italy), a representative case of sediment starved back-barrier system, we investigate the effects of continually varying influences of natural processes on temporal and spatial sedimentation patterns on salt marshes. Finally, combining field data and numerical modelling of the first-ever closures during Fall 2020 of the storm-surge barriers designed to protect Venice, we evaluate the impacts of anthropogenic flood regulation on salt-marsh sedimentation and on the morphological evolution of the tidal basin as a whole. The main results from this work highlight that: i) bottom shear stress and suspended sediment concentration dynamics can be modelled as marked Poisson processes, thus bearing important consequences for realistic, sta\-ti\-sti\-cal\-ly-based analyses of the long-term biomorphodynamic evolution of tidal landscapes; ii) the high temporal variability in sediment reworking due to the combined action of tide, waves and storm surges affects salt-marsh sedimentation, with intense storm surges accounting for the large majority of sediment accumulation on salt marshes, despite their brief duration; iii) the combination of these varying hydrodynamic forcing factors also affect spatial sedimentation patterns, which thus cannot be interpreted solely as an essentially tide-driven process and sign the marsh topographic profile; iv) flood regulation, by modifying hydrodynamic and sediment transport processes during storm surges, which are largely responsible for sediment delivery in the upper intertidal frame, significantly reduces sedimentation on salt marshes thus affecting their resilience to sea-level rise; v) at the basin scale, even though storm-surge barrier operations can temporarily reduce the net sediment loss from the system, flood-regulation promotes a less-diverse geomorphological structure, rather than contributing to the preservation of tidal landforms.

Le zone umide costiere sono tra gli ambienti più preziosi sulla Terra, poiché forniscono diversi servizi ecosistemici. Ciononostante, il loro futuro è messo in forte dubbio dall’aumento dei tassi di innalzamento del livello del mare e dal ridotto apporto di sedimenti alle zone costiere. Inoltre, gli interventi antropici stanno diventando sempre più pervasivi, dato che molte aree urbane densamente popolate per ridurre il rischio di allagamenti costieri stanno adottando infrastrutture di protezione, i cui effetti sull’evoluzione degli ambienti a marea circostanti sono però ancora poco noti. È pertanto di fondamentale importanza capire gli effetti dei processi naturali e antropici che influenzano l’evoluzione morfologica degli ambienti a marea, per poter sviluppare strategie di gestione volte alla conservazione e al rispristino di questi delicati ambienti e dei preziosi servizi ecosistemici che forniscono. Per raggiungere questo obiettivo, il presente lavoro inizia considerando le dinamiche erosive e di trasporto di sedimenti sui bassifondali e verifica la possibilità di sviluppare un inquadramento teorico sintetico per descrivere in maniera realistica i processi erosivi e deposizionali sul lungo periodo. La risospensione dei sedimenti dai bassifondali, oltre a determinare l’evoluzione morfologica degli stessi, è anche uno dei principali meccanismi di approvvigionamento per la sedimentazione sulle barene, soprattutto in contesti caratterizzati da scarso apporto di sedimenti. Avvalendosi di misure di campo condotte nella laguna di Venezia, utilizzata come caso studio rappresentativo dei sistemi con scarso apporto di sedimenti, sono stati studiati gli effetti della continua evoluzione dei processi naturali sui pattern temporali e spaziali di sedimentazione sulle barene. Infine, combinando dati di campo e modellazione numerica delle prime chiusure in assoluto delle barriere progettate per difesa di Venezia dalle acque alte avvenute nell'autunno 2020, sono stati valutati gli impatti che la regolazione antropica dei livelli per mezzo di barriere di protezione ha sulla sedimentazione sulle barene e sull’evoluzione morfologica del bacino a marea nel suo insieme. I principali risultati di questo lavoro evidenziano che: i) lo sforzo al fondo e la concentrazione di sedimenti in sospensione possono essere descritti come processi di Poisson marcati, con importanti conseguenze per condurre un’analisi realistica dell’evoluzione biomorfodinamica a lungo termine degli ambienti a marea; ii) l’alta variabilità temporale della rielaborazione dei sedimenti a causa dell’azione combinata della marea, delle onde da vento e degli eventi di acqua alta influisce sulla sedimentazione sulle barene, alla quale gli eventi meteomarini più intensi contribuiscono in maniera sostanziale, nonostante la loro breve durata; iii) la variabilità di queste forzanti idrodinamiche e la loro combinazione hanno effetti rilevanti anche sulla dinamica spaziale della sedimentazione e marcano in maniera indelebile il profilo topografico delle barene; iv) la regolazione antropica dei livelli di marea finalizzata a mitigare il sempre più alto rischio di allagamento costiero, modificando i processi idrodinamici e di trasporto solido durante gli eventi meteomarini più intensi, che sono responsabili in larga parte dell’accumulo di sedimenti nella porzione superiore della fascia intertidale, riduce in modo significativo la sedimentazione sulle barene compromettendone la capacità di adattamento all’incremento del livello del mare; v) a scala di bacino, anche se l’attivazione delle barriere di protezione dagli allagamenti costieri può ridurre temporaneamente la perdita di sedimenti dal sistema, essa si dimostra favorire un appiattimento generalizzato della morfologia degli ambienti a marea, piuttosto che contribuire al mantenimento della loro struttura morfologica.

Effetti dei processi naturali e antropici sulle dinamiche erosive e deposizionali negli ambienti a marea / Tognin, Davide. - (2022 Mar 18).

Effetti dei processi naturali e antropici sulle dinamiche erosive e deposizionali negli ambienti a marea

TOGNIN, DAVIDE
2022

Abstract

Coastal wetlands in shallow tidal systems are among the most valuable environments on Earth, as they provide a diverse range of ecosystem services. Nevertheless, their survival is questioned by increasing rates of sea-level rise and reduced fluvial sediment delivery to the coasts. Moreover, anthropogenic pressures are becoming increasingly significant, as densely populated coastal urban areas are adopting protection infrastructures to reduce flooding, such as storm-surge barriers, whose potential effects on the evolution of the surrounding coastal wetlands are still poorly investigated. Therefore, a better understanding of the effects of natural and anthropogenic processes affecting the morphological evolution of coastal wetlands is crucial to develop management strategies aiming at preserving and restoring these delicate environments and the precious ecosystem services they provide. With this aim, in the present work we start considering sediment erosion and transport dynamics on tidal flats and test the possibility to develop a synthetic theoretical framework to realistically describe erosional and depositional processes in the long-term time scale. Beyond determining the evolution of tidal flats, sediment reworking is also a major mechanism controlling salt-marsh sedimentation, offsetting the negative effects of sea-level rise. This is particularly true in sediment starved systems. Hence, using field measurements from the Venice Lagoon (Italy), a representative case of sediment starved back-barrier system, we investigate the effects of continually varying influences of natural processes on temporal and spatial sedimentation patterns on salt marshes. Finally, combining field data and numerical modelling of the first-ever closures during Fall 2020 of the storm-surge barriers designed to protect Venice, we evaluate the impacts of anthropogenic flood regulation on salt-marsh sedimentation and on the morphological evolution of the tidal basin as a whole. The main results from this work highlight that: i) bottom shear stress and suspended sediment concentration dynamics can be modelled as marked Poisson processes, thus bearing important consequences for realistic, sta\-ti\-sti\-cal\-ly-based analyses of the long-term biomorphodynamic evolution of tidal landscapes; ii) the high temporal variability in sediment reworking due to the combined action of tide, waves and storm surges affects salt-marsh sedimentation, with intense storm surges accounting for the large majority of sediment accumulation on salt marshes, despite their brief duration; iii) the combination of these varying hydrodynamic forcing factors also affect spatial sedimentation patterns, which thus cannot be interpreted solely as an essentially tide-driven process and sign the marsh topographic profile; iv) flood regulation, by modifying hydrodynamic and sediment transport processes during storm surges, which are largely responsible for sediment delivery in the upper intertidal frame, significantly reduces sedimentation on salt marshes thus affecting their resilience to sea-level rise; v) at the basin scale, even though storm-surge barrier operations can temporarily reduce the net sediment loss from the system, flood-regulation promotes a less-diverse geomorphological structure, rather than contributing to the preservation of tidal landforms.
Natural and anthropogenic drivers of erosional and depositional dynamics in shallow tidal systems
18-mar-2022
Le zone umide costiere sono tra gli ambienti più preziosi sulla Terra, poiché forniscono diversi servizi ecosistemici. Ciononostante, il loro futuro è messo in forte dubbio dall’aumento dei tassi di innalzamento del livello del mare e dal ridotto apporto di sedimenti alle zone costiere. Inoltre, gli interventi antropici stanno diventando sempre più pervasivi, dato che molte aree urbane densamente popolate per ridurre il rischio di allagamenti costieri stanno adottando infrastrutture di protezione, i cui effetti sull’evoluzione degli ambienti a marea circostanti sono però ancora poco noti. È pertanto di fondamentale importanza capire gli effetti dei processi naturali e antropici che influenzano l’evoluzione morfologica degli ambienti a marea, per poter sviluppare strategie di gestione volte alla conservazione e al rispristino di questi delicati ambienti e dei preziosi servizi ecosistemici che forniscono. Per raggiungere questo obiettivo, il presente lavoro inizia considerando le dinamiche erosive e di trasporto di sedimenti sui bassifondali e verifica la possibilità di sviluppare un inquadramento teorico sintetico per descrivere in maniera realistica i processi erosivi e deposizionali sul lungo periodo. La risospensione dei sedimenti dai bassifondali, oltre a determinare l’evoluzione morfologica degli stessi, è anche uno dei principali meccanismi di approvvigionamento per la sedimentazione sulle barene, soprattutto in contesti caratterizzati da scarso apporto di sedimenti. Avvalendosi di misure di campo condotte nella laguna di Venezia, utilizzata come caso studio rappresentativo dei sistemi con scarso apporto di sedimenti, sono stati studiati gli effetti della continua evoluzione dei processi naturali sui pattern temporali e spaziali di sedimentazione sulle barene. Infine, combinando dati di campo e modellazione numerica delle prime chiusure in assoluto delle barriere progettate per difesa di Venezia dalle acque alte avvenute nell'autunno 2020, sono stati valutati gli impatti che la regolazione antropica dei livelli per mezzo di barriere di protezione ha sulla sedimentazione sulle barene e sull’evoluzione morfologica del bacino a marea nel suo insieme. I principali risultati di questo lavoro evidenziano che: i) lo sforzo al fondo e la concentrazione di sedimenti in sospensione possono essere descritti come processi di Poisson marcati, con importanti conseguenze per condurre un’analisi realistica dell’evoluzione biomorfodinamica a lungo termine degli ambienti a marea; ii) l’alta variabilità temporale della rielaborazione dei sedimenti a causa dell’azione combinata della marea, delle onde da vento e degli eventi di acqua alta influisce sulla sedimentazione sulle barene, alla quale gli eventi meteomarini più intensi contribuiscono in maniera sostanziale, nonostante la loro breve durata; iii) la variabilità di queste forzanti idrodinamiche e la loro combinazione hanno effetti rilevanti anche sulla dinamica spaziale della sedimentazione e marcano in maniera indelebile il profilo topografico delle barene; iv) la regolazione antropica dei livelli di marea finalizzata a mitigare il sempre più alto rischio di allagamento costiero, modificando i processi idrodinamici e di trasporto solido durante gli eventi meteomarini più intensi, che sono responsabili in larga parte dell’accumulo di sedimenti nella porzione superiore della fascia intertidale, riduce in modo significativo la sedimentazione sulle barene compromettendone la capacità di adattamento all’incremento del livello del mare; v) a scala di bacino, anche se l’attivazione delle barriere di protezione dagli allagamenti costieri può ridurre temporaneamente la perdita di sedimenti dal sistema, essa si dimostra favorire un appiattimento generalizzato della morfologia degli ambienti a marea, piuttosto che contribuire al mantenimento della loro struttura morfologica.
Effetti dei processi naturali e antropici sulle dinamiche erosive e deposizionali negli ambienti a marea / Tognin, Davide. - (2022 Mar 18).
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