A methodology to predict coastal-river plumes coupling remote sensing images and numerical modelling

The study of river mouth interaction with the coastlines addresses interconnected issues such as coastal sediment dynamics, salt wedge intrusion, and nutrient flow, as evidenced by extensive scientific literature. Over the years, numerous numerical models have been developed to simulate these processes and predict their evolution. These models serve as virtual laboratories in engineering, enabling the design and assessment of engineering structures to regulate hydrodynamic processes. Despite technical and scientific interest, calibrating river mouth interaction hydrodynamic models lacks observational data due to spatial and temporal data characteristics. To address this, the study explores the use of satellite as tools to support the hydrodynamic modeling. The focus is on detecting suspended sediment plumes at river mouths after flood events, serving as a closer representation of the numerically generated flow field by hydrodynamic models in river-sea interaction using the combination of open-source model and remote sensing images. This work analyses two case studies located in Italy, along the coasts of the Adriatic Sea basin, where following extreme events it is possible to observe large quantities of suspended solids from satellite, which drag along not only water and sediments, but also organic materials and pollutants. First results show a good correspondence between the model outputs and satellite images during flood events. In particular, the option to implement a 3D hydrodynamic module shows promising results and good detail in the estimation of the magnitudes related to such events, improving the model stratification and including the effect of temperature and salinity compered to the use of 2D model. The development of such a methodology allows to make predictions on the dispersion of such plumes and to predict in advance the turbidity and concentration of coastal waters, in support of users such as bathers, users of the primary sector and other stakeholders who use the mouth areas.

Lo studio dell’interazione della foce del fiume con le coste affronta questioni interconnesse come la dinamica dei sedimenti costieri, l’intrusione di cunei salini e il flusso di nutrienti, come evidenziato da un’ampia letteratura scientifica. Nel corso degli anni sono stati sviluppati numerosi modelli numerici per simulare questi processi e prevederne l’evoluzione. Questi modelli fungono da laboratori virtuali di ingegneria, consentendo la progettazione e la valutazione di strutture ingegneristiche per regolare i processi idrodinamici. Nonostante l’interesse tecnico e scientifico, la calibrazione dei modelli idrodinamici di interazione della foce del fiume manca di dati osservativi a causa delle caratteristiche spaziali e temporali dei dati. Per affrontare questo problema, lo studio esplora l'uso del satellite come strumento per supportare la modellazione idrodinamica. L'attenzione si concentra sul rilevamento dei pennacchi di sedimenti sospesi alle foci dei fiumi dopo eventi di inondazione, che fungono da rappresentazione più fedele del campo di flusso generato numericamente mediante modelli idrodinamici nell'interazione fiume-mare, utilizzando modelli open-sorse con l’ausilio di immagini satellitari. Il presente lavoro analizza due casi studio localizzati in Italia, lungo le coste del bacino del mare Adriatico, in cui a seguito di Eventi estremi è possibile osservare da satellite grandi quantità di solidi sospesi, che trascinano, oltre a acqua e sedimenti, anche materiali organici e inquinanti. Primi risultati mostrano una buona corrispondenza tra i risultati del modello e le immagini satellitari durante eventi di piena. In particolare, l’opzione di implementare un modulo idrodinamico 3D mostra risultati promettenti e un buon dettaglio nella stima della sima delle grandezze correlate a tali eventi, migliorando il dettaglio della simulazione rispetto a modelli 2D. Lo sviluppo di tale metodologia consente di fare previsioni sulla dispersione di tali pennacchi e prevedere in anticipo la torbidità e la concentrazione delle acque costiere, a supporto delle utenze quali bagnanti, utenti del settore primario e altri stakeholder che usufruiscono delle zone fociali.