Seasonal river mouth hydrodynamics and morphodynamics during extreme-flood conditions

Abstract

River mouths and deltas are areas of great environmental and socio-economic interest, containing some of the world’s most valuable ecosystems and densely populated areas. This has led to the development of important industrial and agricultural areas, often requiring inland waterways along the waterways that feed these mouths. The processes of nutrient, salinity and sediment transport and mixing in these environments are very important for the biogeochemical evolution of many river and marine ecosystems, as well as for the formation of morphologies such as bars and deltas. The development of these morphologies often occurs through sediment deposition from the river channel, littoral drift and the interaction between the two. In addition, both river mouths and deltas are subject to extreme flooding caused by river discharge, storm surge or a combination of both. The management of these extreme events is becoming increasingly difficult due to changes in their frequency and intensity caused by climate change and increased urbanisation pressures. A better understanding of the dynamics of river estuaries is therefore essential for their management from both an environmental and socio-economic perspective. In this context, the main objective of this dissertation is to analyse the hydrodynamics and morphodynamics of river mouths during extreme discharge events in order to characterise the role played by: (1) the geometry of the channel, outlet and beach profile; (2) the temporal variation of the river discharge conditions; and (3) the temporal variation of the sea level due to the tide. The analysis is carried out using a process-based numerical model (Delft3D) on idealised river mouths whose geometric and physical parameters are based on real river mouths where management problems have been identified during flood events. The results obtained represent an important advance in the knowledge of the hydromorphodynamics of river mouths and deltas and are directly applicable to coastal managers and policy makers involved in coastal flood management. The analysis begins with a study to characterise the frontier of the zone of influence of marine agents upstream of the outlet, and how the characteristics of the channel and the tides determine the position of this frontier. The results show that this position is closely related to channel slope, channel roughness and tidal conditions. In particular, channel slope is the most important factor in determining the extent of marine influence, with bed roughness (i.e. vegetation, river conservation conditions, etc.) and discharge/tidal conditions being particularly relevant for low values of channel slope. The next step is to characterise the hydrodynamics of outlets, and in particular the role of outlet geometry and beach profile, as well as non-stationary conditions of discharge and sea level in these hydrodynamics. Simulations for stationary conditions, where outlet geometry and beach profile are varied, show that the shape of the outlet determines the jet structure, with shallower and wider outlets having two velocity peaks at the sides of the jet instead of a single maximum in the centre. Furthermore, the hydrodynamics at the outlet are clearly dominated by friction for horizontal beach profiles, while for sloping profiles inertial and barotropic accelerations significantly increase their role in the vicinity of the outlet. Regarding the effect of tidal and time-varying river discharges, for which hydrographs with a time scale similar to that of the tides are analysed, the results show that the variability of the jet structure during the tidal cycle is very important, limiting the applicability of the analyses performed for stationary conditions in tidal environments or with a variable hydrological regime. In addition, the time lag between the peak of the hydrograph and the tidal conditions determines the geometry of the transverse velocity profile. At low tide, the velocity profile tends towards a profile with two lateral velocity peaks. Under high tide conditions, a velocity profile with a single maximum on the axis is observed. Therefore, this time lag can potentially lead to important changes in the morphodynamic evolution of outfalls during extreme discharge events. The changes observed in the jet structure as a function of the time lag between the peak of the hydrograph and the tidal level motivate the next step of the analysis carried out in this thesis, which addresses the role of this time lag in the development of nearshore bars at river mouths during extreme river discharge events. Results from hydro-morphodynamic simulations show that different values of the lag cause significant changes in (1) the time at which peak flows are reached at the outlet, (2) the period during which sediment is mobilised through the outlet, and (3) the maximum sediment transport rates during the events. These changes significantly modify the final characteristics of the bars that develop at the outlet, doubling their final extent and quadrupling the final bar volume for the same river discharge conditions and different lags, also varying their plan shape and the development of lateral bars. Finally, the advances made above are applied and analysed to assess the flood hazard at river mouths, how this hazard changes depending on the characteristics of the discharge and how the mouth evolves morphodynamically during the extreme flood event. The main factor dominating the delineation of hazard zones is the peak flow. For low flows, the influence of the tide increases and the hazard conditions are higher during periods of high tide. For intermediate flows, there is a combined influence of river discharge and tide, so that the most hazardous conditions occur when peak flow and low tide converge. For high flows, the hazard zones are determined by the discharge hydrograph and the influence of the tide is significantly reduced, with the hazard condition in the mouth area only increasing during the coincidence of low tide and peak flow. The presence of an river mouth bar modifies the classification of the hazard zones around the outlet and slightly reduces the maximum category, especially for the coincidence of peak flow and low tide.

Las desembocaduras de los ríos y los deltas son zonas de gran interés ecológico y socioeconómico, que contienen algunos de los ecosistemas más valiosos del mundo y zonas densamente pobladas. Esto ha propiciado el desarrollo de importantes zonas industriales y agrícolas, que a menudo requieren vías navegables interiores a lo largo de los cursos fluviales que alimentan estas desembocaduras. Los procesos de transporte y mezcla de nutrientes, salinidad y sedimentos en estos entornos son muy importantes para la evolución biogeoquímica de muchos ecosistemas fluviales y marinos, así como para la formación de morfologías como barras y deltas. El desarrollo de estas morfologías suele producirse mediante la deposición del sedimento procedente del cauce fluvial, de la deriva litoral y la interacción entre ellos. Además, tanto las desembocaduras de los ríos como los deltas están sujetos a inundaciones extremas causadas por la descarga del río, marea meteorológica o una combinación de ambas. La gestión de estos fenómenos extremos es cada vez más difícil debido a los cambios en su frecuencia e intensidad provocados por el cambio climático, así como por el incremento de la presión urbanística. Mejorar el conocimiento de la dinámica de las desembocaduras de los ríos es, por tanto, fundamental para su gestión desde una perspectiva tanto medioambiental como socioeconómica. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es analizar la hidrodinámica y morfodinámica de las desembocaduras de los ríos durante eventos extremos de descarga fluvial con el fin de caracterizar el papel desempeñado por: (1) la geometría del canal, la desembocadura y del perfil de playa; (2) la variación temporal de las condiciones de descarga del río; y (3) la variación temporal del nivel del mar debido al efecto marea. El análisis se lleva a cabo utilizando un modelo numérico basado en procesos (Delft3D) sobre desembocaduras idealizadas cuyos parámetros geométricos y físicos se basan en desembocaduras reales donde se han identificado problemas de gestión durante eventos de inundación. Los resultados obtenidos suponen un importante avance en el conocimiento de la hidromorfodinámica de desembocaduras y deltas y son directamente aplicables a los gestores costeros y responsables políticos implicados en la gestión de inundaciones costeras. El análisis comienza con un estudio para caracterizar el límite de la zona de influencia de los agentes marinos aguas arriba de desembocaduras, y cómo las características del cauce y de la marea astronómica condicionan la posición de este límite. Los resultados muestran que esta posición está estrechamente relacionada con la pendiente del río, la rugosidad del río y las condiciones de la marea. En particular, la pendiente del río es el factor más importante para determinar el alcance de la influencia marina, siendo la rugosidad del lecho (es decir, la vegetación, las condiciones de conservación del río, etc.) y las condiciones de descarga/marea especialmente relevantes para valores bajos de la pendiente del río. El siguiente paso es la caracterización de la hidrodinámica de desembocaduras, y en particular del papel de la geometría de la desembocadura y el perfil de playa, así como de condiciones no estacionarias de descarga y nivel del mar ven dicha hidrodinámica. Las simulaciones para condiciones estacionarias en las que se varía la geometría de de la desembocadura y del perfil de playa muestran que la forma de la salida determina la estructura del chorro, ya que aquellas menos profundas y más anchas presentan dos picos de velocidad a los lados del chorro en lugar de un único máximo en el centro. Además, la hidrodinámica en la desembocadura está claramente dominada por la fricción para perfiles de playa horizontales, mientras que para perfiles inclinados las aceleraciones inerciales y barotrópicas aumentan significativamente su papel en las proximidades de la desembocadura. En cuanto al efecto de la marea y de las descargas fluviales variables en el tiempo, para las que se analizan hidrogramas con una escala temporal similar a la de la marea astrónomica, los resultados muestran que la variabilidad de la estructura del chorro durante el ciclo de marea es muy importante, limitando la aplicabilidad de los análisis realizados para condiciones estacionarias en entornos mareales o con un régimen hidrológico variable. Además, el desfase temporal entre el pico del hidrograma y las condiciones de marea determina la geometría del perfil de velocidad transversal. En condiciones de marea baja, el perfil de velocidad tiende a un perfil con dos picos laterales de velocidad. En condiciones de marea alta, se observa un perfil de velocidad con un único máximo en el eje. Por tanto, este desfase puede, potencialmente, provocar importantes cambios en la evolución morfodinámica de desembocaduras durante eventos extremos de descarga. Los cambios observados en la estructura del chorro en función del desfase entre el pico del hidrograma y el nivel de marea motivan el siguiente paso del análisis realizado en esta Tesis Doctoral, que aborda el papel de este desfase en el desarrollo de barras cercanas a la costa en las desembocaduras de los ríos durante eventos extremos de descarga fluvial. Los resultados obtenidos mediante simulaciones hidro-morfodinámicas muestran que diferentes valores del desfase provocan cambios significativos en (1) el instante en el que se alcanzan las corrientes máximas en la salida, (2) el periodo durante el cual el sedimento se moviliza a través de la salida, y (3) las tasas máximas de transporte de sedimentos durante los eventos. Estos cambios modifican significativamente las características finales de las barras que se desarrollan en la desembocadura, duplicando su extensión final y cuadruplicando el volumen final de la barra para las mismas condiciones de descarga del río y diferente desfase, variando también su forma en planta y el desarrollo de barras laterales. Por último, los avances obtenidos anteriormente son aplicados y analizados al cálculo de la peligrosidad de inundación en desembocaduras, analizando cómo cambia dicha peligrosidad en función de las características de la descarga y de cómo va evolucionando morfodinámicamente la desembocadura durante el evento extremo de inundación. El principal factor que domina la delimitación de las zonas de peligro es el caudal punta. Para caudales bajos, aumenta la influencia de la marea y las condiciones de peligro son mayores durante los periodos de marea alta. Para caudales intermedios, existe una influencia combinada de la descarga del río y la marea, de modo que las condiciones más peligrosas se producen cuando convergen el caudal punta y la marea baja. En los casos de caudales altos, las zonas de peligro vienen determinadas por el hidrograma del río y la influencia de la marea se reduce significativamente, limitándose a aumentar la condición de peligro en la zona de la desembocadura durante las coincidencias de la marea baja y el caudal punta. La presencia de una barra de desembocadura modifica la clasificación de las zonas de peligro alrededor de la desembocadura y reduce ligeramente la categoría máxima, especialmente para los casos con coincidencia de caudal punta y marea baja.