On wave energy dissipation along a seagrass field

Abstract

[eng] In the context of increasingly extreme events as a consequence of the climate emergency, it is of great importance to consider coastal protection measures. In recent years, there has been a growing focus on environmentally friendly protection measures. Nature-Based Solutions (NBS) have proven to be more cost-effective over the long term and offer significant ecosystem benefits. Seagrass meadows, exemplified by Posidonia oceanica, play a pivotal role in mitigating the impact of wave energy. The main goal of this thesis is to study the behaviour of energy dissipation under different wave conditions and vegetation characteristics. For this purpose, the role of P. oceancia in the dissipation of wave energy and the consequent wave attenuation has been analysed considering the formulation of Mendez and Losada (2004) and a reference calibration case in Cala Millor, Mallorca (Infantes et al., 2012). The process has been carried out with a total of 504 numerical simulations in XBeach (Roelvink et al., 2010), divided into 42 wave conditions and 12 combinations of vegetation parameters, such as leaf height, density shoots, stem diameter and drag coefficient. In a first approach, two scenarios were compared, with and without vegetation. Finally, the role of each vegetation parameter along the profile was analysed. The efficiency of Posidonia oceanica in increasing dissipation and reducing wave height has been confirmed, especially along the meadow. With a wave attenuation between 21.56 and 55.89% considering average (Hs = 0.5 m, Tp = 6 s), storm (Hs = 2 m, Tp = 8 s) and extreme (Hs = 5 m, Tp = 12 s) wave conditions. These findings are more significant for simulations where the plant parameters have been raised. But by reducing the parameters, an order of magnitude difference was observed in decreasing the capacity to reduce wave attenuation, suggesting the critical importance of restoring P. oceanica and, more importantly, preserving existing meadows. It was found that for low and medium energy levels the results are very similar to previous studies in this area (Infantes et al., 2009, 2011, 2012; Serrano, 2016). Nevertheless, all indications suggest that the Mendez and Losada (2004) equation may reach a saturation point at high wave energy levels, although other factors, such as wave heightdepth ratio, may also be contributing. It should be noted that there is a lack of field and scaled flume experiments that analyse energy dissipation under extreme wave conditions and taking into account a wide variety of vegetation parameters. It is therefore important that future work validates the formulation of Mendez and Losada (2004) at high energy levels, as well as considering different characteristics of P. oceanica, such as spatial and temporal variation.

[cat] En el context d’esdeveniments cada vegada més extrems com a conseqüència de l’emergència climàtica, és de gran importància considerar mesures de protecció costanera. En els darrers anys, s’ha posat un enfocament en mesures de protecció més amigables ambientalment. Les Solucions Basades en la Naturalesa (NBS, per les seves sigles en anglès) han demostrat ser més eficients econòmicament a llarg termini i oferir importants beneficis ecosistèmics. Les praderies marines exemplificades per la Posidonia oceanica, juguen un paper fonamental en la mitigació de l’impacte de l’energia de les onades. L’objectiu principal d’aquesta tesis és estudiar el comportament de la dissipació d’energia en diferents condicions d’onatge i característiques de la vegetació. Per a això, s’ha analitzat el paper de la Posidonia oceanica en la dissipació de l’energia i la consequent atenuació xde les ones, tenint en compte la formulació de Mendez and Losada (2004) i un cas de calibració de referència a Cala Millor, Mallorca (Infantes et al., 2012). El procés s’ha dut a terme amb un total de 504 simulacions numèriques en XBeach (Roelvink et al., 2010), dividides en 42 condicions d’ona i 12 combinacions de paràmetres de vegetació, com l’altura de les fulles, la densitat de brots, el diàmetre de les tiges i el coeficient d’arrossegament. En una primera aproximació, es comparen dos escenaris, amb i sense vegetació. Finalment, s’analitza el paper de cada paràmetre de la vegetació al llarg del perfil. S’ha confirmat l’eficàcia de la Posidonia oceanica en augmentar la dissipació i reduir l’altura d’ona, especialment al llarg de la pradera. Amb una atenuació de les ones que varia entre el 21,56 i el 55,89%, considerant condicions mitjanes (Hs = 0,5 m, Tp = 6 s), tempestes (Hs = 2 m, Tp = 8 s) i ones extremes (Hs = 5 m, Tp = 12 s). Aquests resultats són més significatius per a les simulacions en les quals s’han augmentat els paràmetres de les plantes. No obstant, en reduir els paràmetres, es va observar una diferència d’una ordre de magnitud en la disminució de la capacitat de reduir l’atenuació de les ones, suggerint que restaurar la Posidonia oceanica és important, però a més, preservar les praderies ja existents és encara més rellevant. Es va trobar que per a nivells d’energia baixos i mitjans, els resultats són molt similars als estudis anteriors en aquesta àrea (Infantes et al., 2009, 2011, 2012; Serrano, 2016). Tantmateix, tot indica que l’equació de Mendez and Losada (2004) podria arribar a un punt de saturació a nivells alts d’energia de l’onatge, tot i que altres factors, com la relació entre l’altura d’ona i la profunditat, també podrien estar relacioants. Cal assenyalar que hi ha una manca d’experiments de camp i canals escalats que analitzin la dissipació d’energia en condicions d’ones extremes i que tinguin en compte una àmplia varietat de paràmetres de vegetació. Per tant, és important que treballs futurs validin la formulació de Mendez and Losada (2004) a nivells d’energia altes, així com considerar diferents característiques de la Posidonia oceanica, com la variació espacial i temporal.