Validation of swash model for run-up prediction on a natural embayed beach

Attualmente, gli eventi estremi di mareggiata rientrano tra i processi responsabili dell'alterazione dello stato dei litorali e dell'inondazione delle aree costiere, recentemente aggravati dall'innalzamento del livello medio del mare indotto, sia a scala globale che locale, dai cambiamenti climatici in atto. Tali fenomeni inducono effetti potenzialmente dannosi sugli ecosistemi e sulla salute dell'uomo, con ripercussioni sia sul sistema sociale che sulle attività economiche. La valutazione del rischio inondazione rappresenta, quindi, un aspetto cruciale al fine di garantire una efficace gestione integrata del territorio costiero. Si impone, dunque, l'utilizzo di strumenti dedicati per una corretta determinazione del rischio costiero, allo scopo di sviluppare efficienti politiche di mitigazione, protezione e prevenzione, basate su modelli predittivi affidabili, sistemi di allerta rapida e mappe di vulnerabilità, utili al fine di prevenire condizioni spesso irreversibili. In tal senso risulta prioritario definire un programma di monitoraggio ben strutturato e continuo dei litorali, da implementare all'interno di una strategia di gestione costiera nel lungo periodo. In questa prospettiva, i sistemi video rappresentano una soluzione in via di diffusione e di largo utilizzo in tutto il mondo nelle strategie di monitoraggio costiero, poiché permettono un'elevata frequenza di campionamento temporale e spaziale dei processi costieri, con bassi sforzi logistici e costi complessivi di installazione e manutenzione. Nel presente lavoro viene brevemente descritta l'implementazione e la configurazione di un nuovo sistema di video monitoraggio installato in Puglia, orientato ad alcune caratteristiche fondamentali quali la rapida installazione, robustezza, basso costo, efficienza delle fasi di acquisizione e della catena di elaborazione dei dati, attraverso l'installazione di due stazioni. Il progetto del sistema si pone l'obiettivo principale di ottenere uno strumento in grado di operare in maniera quasi esclusivamente automatica. Il sistema consente l'elaborazione delle immagini acquisite, la geo-rettifica, l'estrazione della linea di riva e l'archiviazione dei risultati in tempo reale su un portale web di dominio pubblico (http://91.121.30.84/). Il sistema è principalmente finalizzato al monitoraggio dei processi di morfodinamica della zona di riva, ma è stato anche ben predisposto per la misura dell'idrodinamica sottocosta. A tal fine, quindi, è stato implementato un tool di gestione composto da una serie di routine supportate da un applicativo web, finalizzate all'elaborazione di immagini (e.g. estrazione linea di riva e geo-rettifica), all'analisi ed alla condivisione dei dati sullo stato attuale della spiaggia e della sua evoluzione, quasi in tempo reale. Presso la baia di Torre Lapillo (Porto Cesareo, Lecce) il sistema è stato utilizzato per la raccolta di dati di run-up indotto dal moto ondoso sulla spiaggia, utilizzando immagini time-stack. I dati raccolti hanno offerto la possibilità di analizzare la sensitività di un modello ad elevata risoluzione per simulare l'interazione di un campo d'onde irregolari con la spiaggia fino alla risalita stessa delle onde, comunemente utilizzato per la risoluzione delle NLSWE. L'approccio numerico si basa sull'accoppiamento del modello spettrale SWAN (Booij et alii, 1996) ed il modello non-idrostatico SWASH (Zijlema et alii, 2011), utilizzando come forzanti al contorno i risultati in forecasting del modello MeteOcean, sviluppato dal Dipartimento DICCA dell'Università di Genova (Mentaschi et alii, 2015), al fine di modellare con elevata precisione le onde a differenti scale spaziali, fino alla dissipazione energetica nella swash zone. Le stime di run-up confrontate con le osservazioni da video-analisi dimostrano di essere in grado di rappresentare fedelmente la zona di swash, avendo ottenuto bias nel calcolo del R 2% pari a circa 5 cm ed un errore quadratico medio di circa 8 cm, entrambi in linea con l'accuratezza complessiva della restituzione topografica in uso. Al fine di risolvere la topo-batimetria del sito, l'area di studio è stata oggetto di diverse campagne di campo. E' stato dimostrato come la particolare conformazione topografica tipica degli ambienti costieri, sia adatta ad essere risolta mediante immagini acquisite da drone (UAV). Utilizzando l'algoritmo Structure from Motion (SfM) è stato infatti possibile ricostruire il Modello Digitale di Superficie (DSM), ottenendo una risoluzione a terra pari a 1.5 cm. Viene di seguito descritta brevemente l'elaborazione dei dati e la validazione della metodologia utilizzata, per la quale ci si è avvalsi, inoltre, di dati derivanti da rilievi effettuati mediante metodi tradizionali, quali d-GPS e Multibeam. In definitiva, la metodologia proposta può essere utilizzata al fine di creare un tool predittivo per stimare il rischio da inondazione in diverse aree sensibili della costa, come quella pugliese già notoriamente esposta a rischi di erosione avanzata.

The work presents the evaluation of performance in wave run-up predicting of the well-known numerical model SWASH (Zijlema et alii, 2011), used to reproduce the swash zone hydrodynamics of a natural embayed beach. Field data collected at the bay of Torre Lapillo (Lecce, Italy) by means of video-analysis techniques are used for such purpose. A new automated coastal remote video-monitoring system has been recently installed in collaboration with the Apulian Basin Authority (AdBP), allowing image processing and geo-correction, shoreline extraction and results storage in real time on a public web portal. The model-numerical chain is based on coupling different models, starting from waves predicted by the MeteoOean model (Mentaschi et alii, 2015) up to a one-way nesting of 2D SWAN-SWASH models, in order to obtain an accurate representation of wave processes from deep to shallow waters. The topographic input derives from the combination of different surveys performed by means of Multibeam probe and GPS d-RTK together with a DSM reconstructed from an Unmanned Aerial Vehicle, resulting in a submerged as well as emerged digital model with a high resolution of about 0.015 m. Results show a good agreement between the measured and the simulated values, and confirm the possibility of reconstructing, even on non-instrumented beaches, the hydrodynamics of the nearshore area by numerical means. Simulations are performed with the default empirical coefficients as documented for the model, and a sensitivity analysis is presented on the key wave-breaking parameters (α, β) and the minimum depth threshold (δ), in order to optimize them to most accurately reproduce the observations.