Linking hydrodynamic and biological processes in a shallow and micro tidal estuary : the case of Fangar bay (Ebro delta)

Abstract

This thesis analyses the relationships between hydrodynamics (and their forcings) and biological variables in Fangar Bay based on in situ observations, numerical models and satellite data. Fangar Bay is a relatively small, shallow, microtidal bay and is of vital importance for the biodiversity of the region and the local economy as it is the site of both aquaculture and nautical leisure activities. From a hydrodynamic point of view, Fangar Bay is predominantly influenced by wind and freshwater flows, presenting problems of water renewal, as well as high temperatures in summer that affect the bivalve cultures present in the bay. To analyse the hydrodynamics, the ROMS numerical model and measurements from two field campaigns were used to obtain data on currents, sea level, wind and salinity and temperature in the water column. During calm periods, the observed currents show a complex water circulation in the inner part of the estuary due to its shallow depth and a positive estuarine circulation at the estuary mouth. Numerical experiments have investigated the local wind-induced water circulation. For intense wind conditions in the bay, an axially symmetric transverse structure is produced with outflow in the central channel axis and inflow in the shallow lateral zones. These numerical results explain the water circulation observed during wind episodes where the water column tends to homogenise rapidly. The effect of wind on the evolution of surface Chlorophyll a concentration was then investigated with field data and satellite images. The analysis revealed that strong wind events from both NW (off-shore, up-wind) and NE-E (on-shore, down-wind) cause an increase in the surface Chl a concentration in the bottom interior. The mechanisms responsible are horizontal dispersion of nutrients from freshwater channels and vertical mixing (also linked to stratification breakdown) that presumably resuspends Chl a and/or incorporates nutrients throughout the water column. On the other hand, the breeze is not able to break the stratification, so Chl a concentration does not change significantly during these episodes. In conclusion, the mixing produced by the strong winds favours an accumulation of Chl a in the bay while the stratification associated with the estuarine circulation tends to reduce this accumulation. To complete the observational analysis of the primary production distribution in the bay, numerical simulations have been carried out with a NPZD numerical model coupled to ROMS. The numerical results show that wind has a major effect on the distribution of nutrients from the discharge channels and consequently on the distribution of Phytoplankton within the bay. Idealised simulations show that Phytoplankton biomass tend to redistribute throughout the water column (due to broken stratification) when strong NW and E-SE winds blow. Although this thesis has advanced in the understanding of the relationship between hydrodynamic and biological processes, there are still aspects to be explored such as the effect of bottom resuspension or the relationship between processes at different time scales. The implementation of more complex numerical models, satellite images and more intensive data acquisition campaigns in space and time can be a starting point for future studies.

Esta tesis analiza las relaciones entre la hidrodinámica (y sus forzamientos) y variables biológicas en la bahía del Fangar a partir de observaciones in situ, modelos numéricos y datos satélite. La bahía del Fangar es una bahía relativamente pequeña, somera y micro mareal y es de vital importancia para la biodiversidad de la región y la economía local ya que en ella se practican tanto actividades de acuicultura como de ocio náutico. Desde un punto de vista hidrodinámico, la bahía del Fangar está predominantemente influenciada por el viento y los flujos de agua dulce presentando problemas de renovación del agua, así como altas temperaturas en verano que llegan a afectar a los cultivos de bivalvos presentes en ella. Para analizar la hidrodinámica se ha utilizado el modelo numérico ROMS y medidas de dos campañas de campo donde se obtuvieron datos de corrientes, nivel del mar, viento y salinidad y temperatura en la columna del agua. Durante los períodos de calma, las corrientes observadas muestran una circulación de agua compleja en la parte interior del estuario debido a su poca profundidad y una circulación estuárica positiva en la bocana. Los experimentos numéricos realizados han permitido investigar la circulación de agua inducida por el viento local. Para condiciones intensas de viento en la bahía, se produce una estructura transversal axialmente simétrica con flujo de salida en el eje del canal central y entrada en las zonas laterales poco profundas. Estos resultados numéricos explican la circulación de agua observada durante episodios de viento donde la columna de agua tiende a homogeneizarse rápidamente. Posteriormente se investigó el efecto del viento en la evolución de la concentración de Clorofila a (Chl a) en superficie con datos de campo e imágenes satélite. El análisis reveló que episodios de viento intensos tanto del NW (off-shore, up-wind) como SE-E (onshore, down-wind) provoca un aumento en la concentración de Chl a superficial. Los mecanismos responsables son la dispersión horizontal de nutrientes proveniente de los canales de agua dulce y la mezcla vertical (también vinculada a la rotura de la estratificación) que presumiblemente resuspende Chl a y / o incorpora nutrientes en toda la columna de agua. Por otro lado, la brisa no es capaz de romper la estratificación, por lo que la concentración de Clorofila a no cambia significativamente durante estos episodios. En conclusión, la mezcla producida por los fuertes vientos favorece una acumulación de Chl a en la bahía mientras que la estratificación asociada a la circulación estuárica tiende a reducir dicha acumulación. Para completar el análisis observacional de la distribución de producción primaria en la bahía se han realizado simulaciones numéricas con un modelo numérico NPZD acoplado al ROMS. Los resultados numéricos muestran como el viento tiene un efecto primordial en la distribución de nutrientes provenientes de los canales de descarga y en consecuencia sobre la distribución de la biomasa de fitoplancton en el interior de la bahía. Las simulaciones idealizadas demuestran que la biomasa de fitoplancton tiende a redistribuirse en toda la columna de agua (debido a la rotura de la estratificación) cuando soplan vientos intensos del NW y del ESE. Aunque los resultados de la tesis han permitido profundizar en el conocimiento de la relación de los procesos hidrodinámicos y biológicos aún existen aspectos por explorar como el efecto de la resuspensión por fondo o la relación entre procesos a diferente escala temporal. La implementación de modelos numéricos más complejos, análisis de imágenes satélite de alta resolución y campañas de adquisición de datos más intensas en espacio y tiempo puede ser un punto de partida para futuros estudios.

Aquesta tesi analitza les relació entre la hidrodinàmica (i els seus forçaments) i les variables biològiques a la badia del Fangar, a partir d’observacions in situ, models numèrics i dades satèl·lit. La badia del Fangar es una badia relativament petita, somera i micro mareal, i es de vital importància per a la biodiversitat de la regió i la economia local, ja que en ella es practiquen tant activitats d’aqüicultura com d’oci nàutic. Des de el punt de vista hidrodinàmic, la badia del Fangar està predominantment influenciada pel vent i pels fluxes d’aigua dolça, presentant problemes de renovació de l’aigua, així com altes temperatures a l’estiu, que arriben a afectar als cultius de bivals presents en ella. Per analitzar la hidrodinàmica s’ha utilitzat el model numèric ROMS (Regional Ocean Modeling System) i mesures de dues campanyes de camp on es van obtenir dades de corrents, nivell del mar, vent i salinitat i temperatura en la columna d’aigua. Duran els períodes de calma, les corrents observades mostren una circulació de l’aigua complexa a la part interior de l’estuari degut a la poca profunditat i una circulació estuàrica positiva a la bocana. Els experiments numèrics realitzats han permès investigar la circulació de l’aigua induïda pel vent local. Per a condicions intenses de vent a la badia, es produeix una estructura transversal axialment simètrica amb un fluxe de sortida en el eix del canal central i un fluxe d’entrada a les zones laterals poc profundes. Aquests resultats numèrics expliquen la circulació de l’aigua observada durant els episodis de ven ton la columna d’aigua tendeix a homogeneïtzar-se ràpidament. Posteriorment, es va investigar l’efecte del vent en l’evolució de la concentració de clorofil·la a (Chl a) en superfície amb dades de camp i imatges satèl·lit. L’anàlisi va revelar que els episodis de vent intensos tant del NW (Off-shore, up-wind) com del SE-E (on-shore, down-wind) provoca un augment en la concentració de Chl a superficial. Els mecanismes responsables son la dispersió horitzontal dels nutrients procedents del canals d’aigua dolça i la barreja vertical (també vinculada a la ruptura de l’estratificació) que presumiblement resuspèn la Chl a i/o incorpora nutrients en tota la columna d’aigua. Per altre banda, la brisa marina no es capaç de trencar l’estratificació, per tant la concertació de Chl a no canvia significativament durant aquests episodis. En conclusió, la barreja produïda pels forts vents afavoreixen una acumulació de Chl a dins la badia mentre que l’estratificació associada a la circulació estuàrica tendeix a reduir aquesta acumulació. Per completa l’anàlisi observacional de la distribució de la producció primària dins la badia s’han realitzat simulacions numèriques amb el model numèric NPZD acoblat al ROMS. Els resultats numèrics mostren com el vent te un efecte primordial en la distribució de nutrients dels canals de descàrrega i en conseqüència sobre la distribució de la biomassa del fitoplàncton en el interior de la badia. Les simulacions idealitzades demostren que la biomassa de fitoplàncton tendeix a redistribuir-se en tota la columna d’aigua (degut a la ruptura de l’estratificació) quan bufen vents intensos del NW i del E-SE. Encara que els resultats de la tesi han permès profunditzar en el coneixement de la relació dels processos hidrodinàmics i biològics, encara queden aspectes per explorar com l’efecte de la resuspensió del fons o la relació entre els processos a diferents escales temporals. La implementació de models numèrics més complexos, anàlisi d’imatges satèl·lit d’alta resolució i campanyes d’adquisició de dades més intenses en espai i temps poden ser un punt de partida per a futurs estudis.