L’aumento della frequenza e dell’intensità degli eventi di tempesta costiera, unito alla rapida urbanizzazione e alla crescita della popolazione nelle aree costiere, esacerba il rischio per queste regioni. Sono necessari piani di mitigazione efficaci per ridurre l’impatto di tali eventi estremi. Molti di questi piani si basano su sistemi di allerta precoce che integrano valori estremi predefiniti e modelli numerici per prevedere gli impatti potenziali delle tempeste. Tuttavia, per ottenere previsioni affidabili, è fondamentale considerare le caratteristiche locali quando si definiscono i valori estremi e si configurano i modelli numerici. Questa tesi presenta uno studio completo sull’applicazione della modellazione numerica per prevedere il comportamento delle tempeste costiere in due sistemi costieri con caratteristiche contrastanti: un sistema urbanizzato sulla spiaggia di Volano in Emilia-Romagna, Italia, e un sistema naturale sulla spiaggia di Arborea in Sardegna, Italia. La spiaggia di Volano rappresenta un’area costiera altamente urbanizzata, vulnerabile alle inondazioni a causa della sua infrastruttura in una regione dunale a bassa quota. La spiaggia di Arborea, invece, è caratterizzata dalla presenza di banquette di Posidonia oceanica, che fungono da difese naturali contro l’azione delle onde. La prima parte della tesi si concentra sul rischio di inondazioni nelle aree urbane, in particolare nella regione Emilia-Romagna. Un approccio comune nella previsione delle inondazioni costiere è l’utilizzo del Livello Totale dell’Acqua (TWL) come soglia per definire i livelli di allerta. Tuttavia, la definizione e il calcolo del TWL variano notevolmente tra le regioni e i paesi. Questo studio valuta diverse metodologie per il calcolo del TWL e le applica al modello numerico LISFLOOD-FP per analizzarne l’impatto. I risultati evidenziano la sensibilità del modello alle variazioni nelle definizioni del TWL, con il miglior metodo identificato confrontando i risultati del modello con eventi reali. La seconda parte esplora il ruolo delle banquette di Posidonia oceanica nella mitigazione dell’erosione indotta dalle tempeste sulla spiaggia di Arborea. L’analisi di ampi lavori sul campo e dei dati da rilevamenti aerei rivela che le aree con banquette dense hanno subito significativamente meno erosione rispetto alle zone con meno o nessuna banquette. Questo risultato sottolinea l’importanza delle praterie di Posidonia nel migliorare la resilienza delle spiagge agli eventi estremi, sebbene non siano sufficienti a prevenire completamente l’erosione. Il terzo capitolo affronta le limitazioni dei modelli numerici esistenti, in particolare XBeach, nel simulare gli effetti delle banquette di Posidonia oceanica. Le simulazioni degli eventi di tempesta con XBeach mostrano che, sebbene il modello simuli accuratamente le condizioni idrodinamiche su profili statici della spiaggia, fatica a rappresentare lo sviluppo dinamico delle banquette, evidenziando una lacuna critica negli strumenti di modellazione costiera attuali. Questi risultati evidenziano la necessità di ulteriori progressi nei modelli numerici per includere i processi ecologici e morfologici cruciali per previsioni accurate sugli impatti delle tempeste. Nel complesso, questa tesi sottolinea l’importanza delle caratteristiche ambientali locali nel migliorare le previsioni delle inondazioni e dell’erosione costiera. La combinazione di modelli numerici e dati da lavori sul campo può offrire preziose informazioni sulla dinamica dei sistemi costieri urbani e naturali, contribuendo a migliorare le pratiche di gestione costiera. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sul perfezionamento di questi modelli per integrare le difese naturali come le praterie di fanerogame e migliorare le tecniche di raccolta dei dati per aumentare la capacità predittiva.
The increase in frequency and intensity of coastal storm events, coupled with the rapid urbanization and population growth along coastal areas, exacerbates the risk to these regions. Effective mitigation plans are necessary to reduce the impact of such extreme events. Many of these plans rely on early warning systems that integrate pre-established extreme values and numerical models to forecast the potential impacts of storms. However, to achieve reliable predictions, it is crucial to account for local characteristics when defining extreme values and configuring numerical models. This thesis presents a comprehensive study on the application of numerical modeling for predicting coastal storm behavior in two coastal systems with contrasting characteristics: an urbanized system at Volano Beach in Emilia-Romagna, Italy, and a natural system at Arborea Beach in Sardinia, Italy. Volano Beach represents a highly urbanized coastal area, vulnerable to flooding due to its infrastructure in a low-lying dune region. Arborea Beach, on the other hand, is characterized by the presence of Posidonia oceanica banquettes, which serve as natural defenses against wave action. The first part of the thesis focuses on flooding risk in urban areas, particularly in the Emilia-Romagna region. A common approach in coastal flood prediction is the use of Total Water Level (TWL) as a threshold for defining warning levels. However, the definition and calculation of TWL vary significantly across regions and countries. This study evaluates different methodologies for calculating TWL and applies them to the numerical model LISFLOOD-FP to analyze their impact. The results highlight the sensitivity of the model to variations in TWL definitions, with the best method identified by comparing model outputs to real-life events. The second part investigates the role of Posidonia oceanica banquettes in mitigating storm-induced erosion at Arborea Beach. Extensive fieldwork and data from aerial surveys reveal that areas with dense banquettes experienced significantly less erosion compared to regions with fewer or no banquettes. This finding underscores the importance of Posidonia meadows in enhancing the resilience of beaches to extreme wave events, although they are not entirely sufficient to prevent erosion. The third chapter addresses the limitations of existing numerical models, specifically XBeach, in simulating the effects of Posidonia oceanica banquettes. Simulations of storm events using XBeach show that while the model accurately simulates hydrodynamic conditions on static beach profiles, it struggles to represent the dynamic development of banquettes, highlighting a critical gap in current coastal modeling tools. These findings emphasize the need for further advancements in numerical models to incorporate ecological and morphological processes crucial for accurate storm impact predictions. Overall, this thesis emphasizes the importance of local environmental characteristics in improving coastal flood and erosion predictions. The combination of numerical models and field data can offer valuable insights into the dynamics of urban and natural coastal systems, helping to inform better coastal management practices. Future research should focus on refining these models to integrate natural defenses like seagrass meadows and improving data collection techniques to enhance predictive capabilities.
Predictive Modelling and Coastal Storm Response: A Study of Urban and Natural Coastal Systems
FAUSTINO CABRITA, PAULO SERGIO
2025
Abstract
L’aumento della frequenza e dell’intensità degli eventi di tempesta costiera, unito alla rapida urbanizzazione e alla crescita della popolazione nelle aree costiere, esacerba il rischio per queste regioni. Sono necessari piani di mitigazione efficaci per ridurre l’impatto di tali eventi estremi. Molti di questi piani si basano su sistemi di allerta precoce che integrano valori estremi predefiniti e modelli numerici per prevedere gli impatti potenziali delle tempeste. Tuttavia, per ottenere previsioni affidabili, è fondamentale considerare le caratteristiche locali quando si definiscono i valori estremi e si configurano i modelli numerici. Questa tesi presenta uno studio completo sull’applicazione della modellazione numerica per prevedere il comportamento delle tempeste costiere in due sistemi costieri con caratteristiche contrastanti: un sistema urbanizzato sulla spiaggia di Volano in Emilia-Romagna, Italia, e un sistema naturale sulla spiaggia di Arborea in Sardegna, Italia. La spiaggia di Volano rappresenta un’area costiera altamente urbanizzata, vulnerabile alle inondazioni a causa della sua infrastruttura in una regione dunale a bassa quota. La spiaggia di Arborea, invece, è caratterizzata dalla presenza di banquette di Posidonia oceanica, che fungono da difese naturali contro l’azione delle onde. La prima parte della tesi si concentra sul rischio di inondazioni nelle aree urbane, in particolare nella regione Emilia-Romagna. Un approccio comune nella previsione delle inondazioni costiere è l’utilizzo del Livello Totale dell’Acqua (TWL) come soglia per definire i livelli di allerta. Tuttavia, la definizione e il calcolo del TWL variano notevolmente tra le regioni e i paesi. Questo studio valuta diverse metodologie per il calcolo del TWL e le applica al modello numerico LISFLOOD-FP per analizzarne l’impatto. I risultati evidenziano la sensibilità del modello alle variazioni nelle definizioni del TWL, con il miglior metodo identificato confrontando i risultati del modello con eventi reali. La seconda parte esplora il ruolo delle banquette di Posidonia oceanica nella mitigazione dell’erosione indotta dalle tempeste sulla spiaggia di Arborea. L’analisi di ampi lavori sul campo e dei dati da rilevamenti aerei rivela che le aree con banquette dense hanno subito significativamente meno erosione rispetto alle zone con meno o nessuna banquette. Questo risultato sottolinea l’importanza delle praterie di Posidonia nel migliorare la resilienza delle spiagge agli eventi estremi, sebbene non siano sufficienti a prevenire completamente l’erosione. Il terzo capitolo affronta le limitazioni dei modelli numerici esistenti, in particolare XBeach, nel simulare gli effetti delle banquette di Posidonia oceanica. Le simulazioni degli eventi di tempesta con XBeach mostrano che, sebbene il modello simuli accuratamente le condizioni idrodinamiche su profili statici della spiaggia, fatica a rappresentare lo sviluppo dinamico delle banquette, evidenziando una lacuna critica negli strumenti di modellazione costiera attuali. Questi risultati evidenziano la necessità di ulteriori progressi nei modelli numerici per includere i processi ecologici e morfologici cruciali per previsioni accurate sugli impatti delle tempeste. Nel complesso, questa tesi sottolinea l’importanza delle caratteristiche ambientali locali nel migliorare le previsioni delle inondazioni e dell’erosione costiera. La combinazione di modelli numerici e dati da lavori sul campo può offrire preziose informazioni sulla dinamica dei sistemi costieri urbani e naturali, contribuendo a migliorare le pratiche di gestione costiera. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sul perfezionamento di questi modelli per integrare le difese naturali come le praterie di fanerogame e migliorare le tecniche di raccolta dei dati per aumentare la capacità predittiva.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
