Satellite data to support simulation of estuarine plumes

River plumes are a widespread phenomenon worldwide in coastal areas near the mouths of rivers. Being generated by the flow of buoyant river water into the coastal sea, especially after severe precipitation events, they spread a mixture of suspended sediments, nutrients and pollutants of anthropic origin into the sea and along the coast. Accordingly, river plumes influence the coastal maritime environment and shelves seas area, modifying its physics, biology and geochemistry. The development of computational fluid-dynamics finite element models in these areas can be used to study and predict the dispersion and direction of the plumes and concentration levels of the pollutants transported. In these areas, in-situ measurements are only sometimes available in order to adequately calibrate the computational model. This work presents a new support approach for developing fluid-dynamics models in 2D and 3D, integrating the few in-situ measurements with data from multispectral optical satellites. Through the satellite images captured on the days in which the coastal area exhibited the fluvial plume phenomenon, using the recordings of the measurement stations available in the area, it is possible to understand which factors, and in what ratio, shape the fluvial plumes. In the absence of sampling of the concentrations of suspended solid sediments, it is possible to estimate the concentrations of solid sediments at the surface using equations based on the reflectance of the water, which act as a filter for the spectral bands of the satellite data. This estimate is used in the models to calibrate the concentration and diffusion of the tracer simulating the river plume. This thesis aims to study the fluvial plume phenomenon and to understand if, with the help of satellite images, it is possible to create a hydrodynamic model able to replicate the plume events captured by satellite. The results obtained with the aid of the 2D model can only partially simulate the direction and concentrations of the river plume, while the 3D model can reproduce a better flow field but with tracer concentrations that are not yet optimal.

I pennacchi fluviali sono un fenomeno molto diffuso in tutto il mondo nelle zone costiere vicino alla foce dei fiumi. Essendo generati dal flusso di acqua fluviale, specialmente dopo eventi di precipitazione intensa, essi disperdono a mare e lungo la costa una miscela composta di sedimenti in sospensione, nutrienti e inquinanti di origine antropica. Di conseguenza, i pennacchi fluviali influenzano l’ambiente marittimo costiero e le piattaforme continentali dei mari, modificandone la fisica, la biologia e la geochimica. L’elaborazione di modelli computazionali fluidodinamici agli elementi finiti in queste aree può essere utilizzata per studiare e prevedere la dispersione e la direzione dei pennacchi e i livelli di concentrazione degli inquinanti trasportati. Non sempre in queste zone si hanno misurazioni in-situ per poter calibrare adeguatamente il modello computazionale. In questo lavoro si vuole presentare un nuovo approccio di supporto per l’elaborazione di modelli fluidodinamici in 2D e 3D, integrando le poche misurazioni in-situ con i dati dei satelliti ottici multispettrali. Tramite le immagini satellitari catturate nei giorni in cui l’area costiera presentava il fenomeno del pennacchio fluviale, utilizzando le registrazioni delle stazioni di misura disponibili nella zona, è possibile capire quali fattori, e in che rapporto, condizionano i pennacchi fluviali. In assenza di campionamenti delle concentrazioni dei sedimenti solidi in sospensione, è possibile compiere una stima delle concentrazioni dei sedimenti solidi in superficie tramite equazioni basate sulla riflettanza dell’acqua che fungono da filtro per le bande spettrali dei dati satellitari. Questa stima è utilizzata nei modelli per calibrare la concentrazione e la diffusione del tracciante che simula il pennacchio fluviale. Questa tesi mira a studiare il fenomeno del pennacchio fluviale e a capire se, con l’ausilio di immagini satellitari, sia possibile creare un modello idrodinamico in grado di replicare gli eventi di pennacchio catturati da satellite. I risultati ottenuti dal modello 2D riescono solo in parte a simulare l’andamento e le concentrazioni del pennacchio fluviale; invece, il modello 3D riesce a riprodurre un campo di moto migliore ma con concentrazioni di tracciante non ancora ottimali.