A Methodological Approach to Determine Sound Response Modalities to Coastal Erosion Processes in Mediterranean Andalusia (Spain)

Human occupation along coastal areas has been greatly increasing in recent decades and, in many places, human activities and infrastructures are threatened by erosion processes that can produce relevant economic and human losses. In order to reduce such impacts and design sound management strategies, which can range from the "no action" to the "protection" option, coastal managers need to know the intrinsic coastal sensitivity and the potential vulnerability and value of land uses. In this paper, in a first step, coastal sensitivity was determined by calculating the following: (i) the spatial distribution at the coast of the wave forcing obtained by using the ERA5 wave dataset and defined as the energy associated with the 50-year return period storm. Two storm conditions were considered, that is, one for the eastern and one for the western parts of the Andalusia Mediterranean coast, respectively, characterized by a height of 8.64-7.86 m and 4.85-4.68 m and (ii) the existence of a buffer zone, namely the dry beach width expressed as a multiple of the 20-year predicted shoreline position that was calculated using a dataset of aerial photographs covering a time span from 1956 to 2016. Coastal sensitivity values were divided into five classes with class 1 indicating the lowest sensitivity (i.e., the presence of a wide buffer zone associated with low wave energy flux values) and class 5 the highest sensitivity (i.e., a narrow buffer zone associated with very high wave energy flux values). In a second step, land uses were obtained from the official Land Use Map of the Andalusia Region, based on the results of the "Coordination of Information on the Environment" (CORINE) European Project. Such uses were divided into five classes from class 1 including natural areas (typologies "A" and "B" of the CORINE Project) to class 5 including very capital land uses (typologies "E1" and "E2"). In a third step, information concerning coastal sensitivity and land uses was crossed to determine the best mitigation strategies to cope with erosion processes. The "no action" option was observed at the westernmost area of Cadiz Province and at some areas from the west coast of Almeria Province, where both coastal sensitivity and land use classes show low values; the "adaptation" option was recorded along more than one half of the coast studied, essentially at natural areas with high sensitivity and at urbanized areas with low sensitivity; and the "protection" option was observed especially at some areas from the center and eastern part of Malaga Province and at the easternmost areas of Almeria Province, where both coastal sensitivity and land use classes presented high values

LOCALIZZAZIONE DELLA LINEA DI RIVA, IN SPIAGGE SABBIOSE STABILI,CONSIDERANDO LE FLUTTUAZIONI DA ONDE E MAREE

La linea di riva è definita come la linea di contatto tra la superficie del mare e la terra. La posizione della linea di riva muta continuamente nel tempo a causa della natura dinamica dei livelli idrici presenti in prossimità del litorale, come onde e maree. La variabilità della linea di riva e le tendenze evolutive dei litorali, sono state e sono tuttora oggetto di numerose ricerche, svolte sia a breve sia a lungo termine. Le continue modifiche dei litorali dipendono da diverse cause: i cambiamenti dovuti alle variazioni del livello idrico (per es. onde, tsunami, maree, innalzamento del livello del mare) e le modifiche geomorfologiche (es. la formazione di barre, cuspidi, ecc.). Per tali ragioni, conoscere come cambia nel tempo la posizione della linea di riva, diventa importante per la progettazione e la pianificazione costiera, per la suddivisione di tali aree in zone a rischio, per la distinzione delle aree demaniali da quelle private e l’applicazione di modelli morfodinamici di previsione (analisi erosione-deposito). Individuare la posizione della linea di riva significa anche ottenere informazioni sui cambiamenti che essa ha subito sia a causa della presenza di opere marittime (pennelli, barriere frangiflutto, porti, ecc.), sia a causa delle stesse modifiche che subisce la spiaggia. A quanto detto va aggiunto che identificare la posizione della linea di riva è utile anche a quantificare, in termini di forma e volume, le modifiche subite da una spiaggia. Per tutte queste ragioni la posizione della linea di riva è il più comune indicatore geomorfologico nella aree costiere. Abitualmente, la linea di riva viene identificata attraverso l’uso di immagini aeree ed utilizzata per la ricostruzione dell’evoluzione storica dei litorali. Tuttavia, le informazioni estratte da tali immagini, descrivendo il confine istantaneo acqua-terra, garantiscono l’individuazione della linea di riva esclusivamente come limite asciutto/bagnato presente al momento della ripresa, senza fornire alcuna indicazione riguardo alle condizioni medie. In questa tesi è stato proposto un nuovo metodo multidisciplinare che permette di identificare la posizione della linea di riva, mediante l’utilizzo di immagini aeree, considerando però gli effetti che il moto ondoso e le maree hanno sulla posizione della stessa (gli effetti del trasporto solido e delle correnti sono stati trascurati). L’applicazione di questo metodo ha implicato l’uso di diverse tecniche di differenti discipline, integrandole allo scopo di facilitare il posizionamento del limite cercato. Fasi peculiari nel metodo messo a punto sono, lo studio topografico-geomorfologico e lo studio idraulico. Sebbene i rilievi geologico-geomorfologico siano stati essenzialmente descrittivi, essi sono risultati complementari e funzionali allo studio idraulico. La conoscenza delle caratteristiche geomorfologiche della spiaggia e delle fluttuazioni del livello idrico superficiale (onde e maree), garantisce infatti un livello di accuratezza maggiore nella stima della linea di riva. La natura dinamica della linea di riva, infatti suggerisce che questo confine acqua/terra non può essere identificato attraverso una singola linea ma da una fascia a causa delle continue oscillazioni. vi Il metodo è stato applicato ad una spiaggia in equilibrio geomorfologico del Mediterraneo ricadente nella costa occidentale della Sicilia. Lo studio geomorfologico ha descritto fisicamente la spiaggia emersa e sommersa: a) identificando i morfotipi, b) caratterizzando la granulometria e la composizione dei sedimenti e c) ricostruendo i profili. Lo studio idraulico è stato svolto in quattro fasi: 1) reperimento dei dati di onde e maree, 2) individuazione della mareggiata “ordinaria” e della fluttuazione mareale, 3) propagazione del moto ondoso da largo fino ad acque basse e 4) calcolo del run-up. Per prendere in considerazione gli effetti delle onde sulla posizione della linea di riva, è stato considerato il concetto di mareggiata “ordinaria”, citato dalla Corte di Cassazione (Sez., Un., 02/05/1962, n.849) che definisce Lido quella “porzione di riva che non solo è a contatto diretto con le acque del mare, ma ne resta coperto dalle ordinarie mareggiate”. Per ricavare i parametri della mareggiata ordinaria è stato condotto uno studio statistico degli eventi estremi attraverso il metodo delle mareggiate triangolari equivalenti (m.t.e.). Per confrontare i risultati è stata svolta anche un’analisi statistica dei massimi valori usando la classica legge di Weibull (direzionale e omnidirezionale). Entrambe le analisi hanno dato come risultato le altezze d’onda significative per tempo di ritorno di un anno, considerate in questo studio come rappresentative delle condizioni di “mareggiata ordinaria”. Una volta note le altezze d’onda significative, per ciascuna direzione di provenienza, è stato utilizzato un modello di propagazione del moto ondoso (SWAN - Simulating Waves Nearshore). Il modello ha calcolato i cambiamenti dei parametri d’onda nella propagazione da largo a sotto costa. I dati così ottenuti sono stati utilizzati per il calcolo del run-up, assunto come la massima elevazione verticale del livello medio marino, rispetto al livello di quiete. Infine l’analisi dell’influenza sul posizionamento della linea di riva legata alle maree astronomiche, è stata condotta prendendo come riferimento una serie di dati mareografici relativi al periodo compreso tra 1999 e il 2009. Concluso lo studio idraulico e note le oscillazioni mareali e delle onde è stata definita una fascia di incertezza attorno alla linea individuata dalle immagini aeree. La striscia di spiaggia, delimitata utilizzando il concetto di “mareggiata ordinaria di tempo di ritorno pari a un anno”, ha suggerito che tale area appartiene statisticamente più al mare che alla terra. Ulteriori miglioramenti possono essere introdotti in futuro per tenere conto degli effetti del trasporto dei sedimenti, delle correnti e delle modifiche dei fondali in termini di batimetria.The shoreline is defined as the contact line between the land and sea surface. Due to the dynamic nature of water levels at the coastal boundary, such as waves and tides, the shoreline position incessantly changes in time. The shoreline variability and coastal trends have been the main object of several researches and it is the main target of this thesis. The continuous changing of shoreline position depends on several causes: that due to the hydrodynamic (e.g. waves, tsunami, tides, sea level rise, storm surge) and geomorphological change (e.g. barrier island formation, spit development). Consequently, the exact understanding of shoreline dynamic is important for a wide range of coastal studies such as: a) management and planning of coastal zones, b) hazard mapping, c) defining the exact boundary between state and private owned areas and d) for conceptual or predictive modelling of coastal morphodynamics (erosionaccretion analysis). Moreover, the location of the shoreline can provide information about shoreline changes due to man-made structures (groins, breakwaters, harbors, ecc.) and about beaches dynamic (shape and volume). The aforementioned elements are useful to quantify rates of change in time. For all these reasons the shoreline position is the most common morphologic indicator of coastal areas. Usually, the shoreline is positioned by means of aerial images interpretation and then the evolution in time is obtained by a time series images analysis. However, the shoreline position extracted from aerial images only represents the wet/dry line that describes the instantaneous land-water boundary at the instant of the acquisition without providing any information concerning to the “normal” or “average” conditions. In this thesis a novel multidisciplinary method which allows the estimation of the shoreline position by means of remotely sensed images, considering the effects of waves and tides, has been proposed. The application of this method involves several techniques used in other disciplines which were integrated in order to trace the shoreline. The key steps of the proposed method involve the topographic-geomorphic and hydraulic studies. Even if the geological and the geomorphological survey were mainly descriptive, they are functional to the hydraulic study. The understanding of the geomorphological characteristics and the surface water level fluctuations (waves and tides), provides a greater level of accuracy for shoreline positioning. In fact the dynamic nature of the shoreline suggests that this water-land boundary cannot be defined as a single line but it has to be positioned within a strip. The method has been applied to a Mediterranean beach located in the western Sicily. This beach is geomorphologically in equilibrium as demonstrated by the geomorphological study and by the physical description of the submerged and emerged beach. Physical characteristics description has been completed with the size and composition of sediments analysis. Moreover, the beach profiles and their average slopes were also obtained. viii The hydraulic study was divided into four steps: 1) wave and tide data collection, 2) identification of “ordinary” sea storm and tides fluctuation, 3) propagation of waves from offshore to nearshore and 4) run-up computation. In order to take into account the wave effects on the shoreline position during one year, the concept of “ordinary” sea storm was used. As defined by the Italian law the shoreline (“lido” in Italian), is the beach zone in contact whit the sea and covered by water during an “ordinary” sea storm. In this study 1 year return period was considered as representative of “ordinary” conditions (as reported in the Italian juridical definition - Corte di Cassazione, Sez., Un., 02/05/1962, n.849). In order to evaluate the parameters of a “ordinary” sea storm, a statistic analysis of extreme events has been performed. This analysis was carried out using the concept of “equivalent triangular storm” (e.t.s.). The e.t.s. results were compared with the application of directional and omni-directional Weibull probability density functions on the wave data. Both analyses produced similar results and they gave the significant wave height for each return period considered. Once the significant wave heights and the associated return periods for each wind sector were known, a propagation model (SWAN - Simulating Waves Nearshore), was used to calculate height and period changes of a wave propagating from offshore to nearshore. The outputs obtained were used for the run-up calculation. To calculate the run-up two different approaches were used: an empirical formula and a Boussinesq fully non linear numerical model with a new lagrangian shoreline boundary condition. Finally in order to identify the shoreline position, the sea level fluctuations due to astronomical influences have to be taken into account. For this reason a tide analysis was performed using tide observations collected during last decade. Once known the wave and tidal fluctuations a strip of uncertainty around the aerial image detected shoreline has been defined. The beach strip determined using the “one year return period ordinary sea storm concept” suggests that this area belongs more to the sea than to the land. Further analyses have to be carried out in order to take also into account the sediment transport, currents and morphological deformation (bathymetry) in time

Dune Systems' Characterization and Evolution in the Andalusia Mediterranean Coast (Spain)

This paper deals with the characterization and evolution of dune systems along the Mediterranean coast of Andalusia, in the South of Spain, a first step to assess their relevant value in coastal flood protection and in the determination of sound management strategies to protect such valuable ecological systems. Different dune types were mapped as well as dune toe position and fragmentation, which favors dune sensitivity to storms' impacts, and human occupation and evolution from 1977 to 2001 and from 2001 to 2016. Within a GIS (Geographic Information System) project, 53 dune systems were mapped that summed a total length of ca. 106 km in 1977, differentiating three dune environments: (i) Embryo and mobile dunes (Type I), (ii) grass-fixed dunes (Type II) and (iii) stabilized dunes (Type III). A general decrease in dunes' surfaces was recorded in the 1977-2001 period (-7.5 x 10(6)m(2)), especially in Malaga and Almeria provinces, and linked to dunes' fragmentation and the increase of anthropic occupation (+2.3 x 10(6)m(2)). During the 2001-2016 period, smaller changes in the level of fragmentation and in dunes' surfaces were observed. An increase of dunes' surfaces was only observed on stable or accreting beaches, both in natural and anthropic areas (usually updrift of ports)

Geomorphological Environment:

La fascia costiera di San Leone (Agrigento-Siclia). è costituita da una spiaggia sabbiosa delimítala verso terra da un complesso dunale di particolare pregio. L'assetto geomorfologico di questo litorale è stato inlluenzato dal forte grado di antropizzazione del luogo. La fascia costiera nel tempo ha súbito degli avanzamenti e arreiramenti. Sono stati quindi analizzati e proposti alcuni rimedi. mirali alia ricostruzione. al mantenimenlo e alia diíesa della duna

Tsunami Propagation and Flooding in Sicilian Coastal Areas by Means of a Weakly Dispersive Boussinesq Model

This paper addresses the tsunami propagation and subsequent coastal areas flooding by means of a depth-integrated numerical model. Such an approach is fundamental in order to assess the inundation hazard in coastal areas generated by seismogenic tsunami. In this study we adopted, an interdisciplinary approach, in order to consider the tsunami propagation, relates both to geomorphological characteristics of the coast and the bathymetry. In order to validate the numerical model, comparisons with results of other studies were performed. This manuscript presents first applicative results achieved using the weakly dispersive Boussinesq model in the field of tsunami propagation and coastal inundation. Ionic coast of Sicily (Italy) was chosen as a case study due to its high level of exposure to tsunamis. Indeed, the tsunami could be generated by an earthquake in the external Calabrian arc or in the Hellenic arc, both active seismic zones. Finally, in order to demonstrate the possibility to give indications to local authorities, an inundation map, over a small area, was produced by means of the numerical model

The Mediterranean Coast of Andalusia (Spain): Medium-Term Evolution and Impacts of Coastal Structures

This paper shows coastal evolution along the Andalusia Region (Spain) and the impacts on it of coastal structures. The study area was divided into 47 units to calculate the erosion/accretion/stability (or evolution) rates by using the DSAS extension of ArcGIS software. Evolution rates were divided into different classes from “Very high accretion” to “Very high erosion”. As a result, 9 units recorded accretion, 19 stability and 19 erosion. Further, 17 units presented a positive balance and 28 units a negative one, showing a negative net balance of 29,738.4 m2/year corresponding to the loss of 1784.30 km2 of beach surface in the 1956–2016 period. The distribution of evolution areas along the studied coast was carried out by means of the “R” project for statistical computing. The analysis evidenced the impact of rigid structures: accretion was essentially observed up-drift of ports and groins and in correspondence of protection structures, especially of breakwaters. Erosion classes were observed down-drift of ports and groins and in correspondence of revetments/seawalls, and at largest river deltas, and “stability” was observed at pocket beaches and coastal areas locally stabilized by protection structures. Last, results were used to determine the distribution of swash- and drift-aligned coastal sectors and main direction of sedimentary transport

Influenza del clima ondoso e delle mareee sulla posizione della linea di riva: Lido Signorino (Marsala)

La conoscenza della posizione della linea di riva nel tempo è indispensabile per verificare la necessità di opere di difesa e per lo sviluppo di piani di gestione costiera. Essa rappresenta l’intersezione tra la superficie marina e quella terrestre, non è un’entità geometrica fissa, ma varia continuamente a causa del moto ondoso e delle fluttuazioni del livello marino ed è in continuo movimento a causa dei fenomeni di trasporto solido. La maggior difficoltà riscontrata nelle operazioni di rilievo è la determinazione esatta della sua posizione. Risulta pertanto necessaria la comprensione delle caratteristiche del moto ondoso (conoscenza delle mareggiate), dei livelli marini e del profilo trasversale della spiaggia al momento del rilievo. Questo lavoro di ricerca ha come principale obbiettivo l’analisi dell'influenza del clima ondoso e della marea sulla stima della posizione della linea di riva attraverso immagini telerilevate, inoltre viene proposta una nuova metodologia messa a punto su un caso di studio reale. La metodologia proposta ha carattere multi disciplinare, considera infatti, sia aspetti geomorfologici, sia aspetti idraulico marittimi e utilizza strumenti tipici del telerilevamento. Lo studio del clima ondoso è stato condotto a partire dalla mareggiata ordinaria fatta propagare nell'area in studio attraverso un modello di onda spettrale (SWAN: Simulating WAves Nearshore). Inoltre si sono considerate sia le oscillazioni mareali sia la massima altezza raggiunta dall’onda sulla spiaggia emersa (run-up). Il caso in studio ha messo in evidenza gli errori prodotti nella stima della posizione della linea di riva mediante la semplice individuazione della stessa attraverso ortofoto georiferite (1994, 2000, 2006) infatti in tal modo il tracciamento della linea di riva viene eseguito considerando solamente l'interfaccia "asciutto/bagnato". Riportando sulle ortofoto lo spostamento della linea di riva determinato dal clima ondoso associato all’ordinaria mareggiata e riportando anche le massime oscillazioni mareali, si è riscontrato che durante l’intervallo temporale analizzato l’errore aggiuntivo prodotto risulterebbe superiore a 15 m, inficiando l’attendibilità di uno studio diacronico dell'evoluzione della linea di riva

Caracterización y evolución del sistema playa-duna de la costa mediterránea de Andalucía (España)Influencia de procesos naturales y actuaciones antrópicas

En las últimas décadas, los impactos relacionados con la erosión costera en las costas del mundo han aumentado significativamente debido al actual desarrollo costero y a la ocupación turística, así como a los eventos naturales de erosión/inundación acelerados por el cambio climático. Las costas oceánicas son entornos muy dinámicos y cambiantes, ya que muestran una gran variabilidad temporal y espacial en respuesta a la acción de diferentes y complejos procesos costeros. Esta variabilidad a escala temporal interanual está relacionada con las variaciones climáticas estacionales del oleaje, debido a distribuciones temporales y espaciales de tormentas de alta latitud y tormentas/huracanes tropicales, o son resultado de eventos con un gran período de retorno, como el impacto de tormentas y tsunamis muy energéticos, elevación del nivel del mar y variaciones en el suministro de sedimentos de los ríos. Para prevenir y reducir tales impactos, los gestores deben conocer la sensibilidad de los sectores costeros naturales, que está relacionada con la energía de las olas, las características/evolución de las playas y la tendencia del nivel del mar, así como la vulnerabilidad potencial y el valor económico de los sectores urbanizados. Este trabajo muestra la evolución costera y los impactos de las estructuras costeras y la caracterización y evolución de los sistemas dunares a lo largo de la costa mediterránea de Andalucía (España). Para ello, se definieron 47 unidades a lo largo de la costa de estudio, y se cuantificó la evolución de las tasas de evolución (erosión/acreción/estabilidad) para el período 1956-2016, mediante el uso de la extensión DSAS del software ArcGIS. Como resultado, 9 unidades registraron acreción, 19 erosión y 19 estabilidad y, en cuanto al balance de superficie de playa, 17 unidades presentaron balance positivo y 28 negativo con un balance neto de -29.738,4 m2/año. El análisis de la evolución costera evidenció el impacto de las estructuras sólidas: la acreción se observó principalmente aguas arriba de los puertos y espigones y en correspondencia con los rompeolas; la erosión se detectó aguas abajo de los puertos y espigones y en correspondencia con los malecones, revestimientos y deltas de los ríos más largos; la estabilidad se observó en las playas pequeñas y en las áreas costeras estabilizadas localmente por estructuras de protección y obras de sustento. Estos resultados se utilizaron para determinar la distribución de los sectores costeros alineados con la corriente y la deriva y la dirección principal del transporte de sedimentos. En cuanto a la caracterización y evolución de los sistemas dunares, se cartografiaron diferentes tipos de sistemas dunares, así como la posición y fragmentación de la punta de las dunas, y la ocupación y evolución humana desde 1977 hasta 2001 y desde 2001 hasta 2016. En total, se delimitaron 53 sistemas dunares. a lo largo de la costa mediterránea de Andalucía, diferenciando tres tipos: dunas embrionarias y móviles, dunas fijadas por herbáceas y dunas estabilizadas. Se observa un descenso generalizado de la superficie dunar en el periodo 1977-2001 (-7,5 x 106 m2), ligado al aumento de la ocupación antrópica (+2,3 x 106 m2), y fragmentación de las dunas, especialmente en las provincias de Málaga y Almería. Durante el período 2001-2016 se observaron cambios menores en el nivel de fragmentación y en la superficie de las dunas. Solo se observó un aumento de la superficie de dunas en playas estables o en acreción (4 de 53 sistemas de dunas), tanto en áreas naturales como antrópicas (generalmente aguas arriba de los puertos)