Numerical study of sediment-transport processes in Northwest Iberian Continental Shelf

Abstract

Sediment transport in the continental shelf regions affects many interdisciplinary areas, including ecological and social problems. Understanding the underlying processes influencing sediment transport is essential for coastal management, distribution of nutrients, pollutants and abundance of benthic fauna and flora, which can impact the entire food chain in the marine ecosystem. The present work aims to enhance our understanding of spatial and temporal variability of sediment transport in the NW Iberian Continental Shelf. By using numerical tools, this study seeks to provide new insights into physical processes affecting sediment transport at different time scales. State-of-the-art 3D oceanic numerical model CROCO (v1.0), which includes an integrated sediment transport module, was implemented and configured for this application. The modelling system was coupled offline with 2D spectral wave and atmospheric models. The model simulation covered an entire annual cycle from November 2008 to December 2009, and available in situ data was used to validate the results. The statistical and quantitative analysis of the modelling system demonstrated a relatively good agreement with the observational data sets. The sediment transport patterns were influenced by the seasonality of the shelf dynamics and wave activity. While low sediment movement was observed during spring, summer and autumn, considerable transport could be seen during winter, associated with storms. The shelf circulation, driven in response to atmospheric forcing, determined the transport direction, while wave energy regulated the re-suspended sediment mass. The storm-driven upwelling and downwelling events promoted the Southward and Northward transport of sediments mostly through the Bottom Boundary Layer. The morphological features of the shelf and the frontal dynamics between the oceanic and fresh water in the mid-and inner shelf limited the cross-shore transport of suspended sediments. In the Northern region of the study area, a formation of shelf-scale near-bottom eddies was modelled, creating sediment transport pathways to the open ocean. River inflow of suspended matter was also successfully simulated.

O transporte de sedimentos na plataforma continental influencia muitas áreas interdisciplinares, incluindo problemas ecológicos e sociais. Compreender os processos subjacentes que controlam o transporte de sedimentos é essencial para a gestão costeira, a distribuição de nutrientes, de poluentes e da abundância da fauna e flora bentónica, que podem impactar toda a cadeia alimentar no ecossistema marinho. O presente trabalho visa melhorar a compreensão da variabilidade espacial e temporal do transporte de sedimentos, na plataforma continental do Noroeste Ibérico. Utilizando ferramentas numéricas, este estudo procura melhorar a compreensão dos processos físicos que afetam o transporte de sedimentos nesta região. Um modelo oceânico 3D CROCO (v1.0), que inclui um módulo integrado de transporte de sedimentos, foi implementado e configurado para este estudo. Este sistema foi acoplado com um modelo de ondas e com um modelo atmosférico durante um ciclo anual completo, de nov. de 2008 até dez. de 2009. Um conjunto de dados in situ foram utilizados para validar, com sucesso, os resultados do modelo. A análise estatística e quantitativa do sistema de modelação demonstrou uma concordância relativamente boa com os dados observados. Os padrões de transporte de sedimentos, foram influenciados pela sazonalidade da dinâmica da plataforma continental e pela atividade das ondas. Embora se tenha observado um transporte em geral fraco durante a primavera, o verão e o outono, observou-se um transporte considerável durante o inverno, associado a tempestades. A circulação da plataforma, em resposta aos forçamentos atmosféricos, determinou a direção do transporte, enquanto a energia das ondas regulou a re-suspensão dos sedimentos. Os eventos de afloramento e afundamento induzidos pelas tempestades, promoveram o transporte de sedimentos para Sul e para Norte respetivamente, principalmente na camada limite de fundo. As características morfológicas da plataforma e a dinâmica frontal de interação entre as águas oceânicas e as águas mais doces, limitaram o transporte transversal de sedimentos em suspensão. Na região norte da zona de estudo, foi ainda possível observar a formação de vértices junto ao fundo, criando vias de transporte de sedimentos para o oceano aberto. O fluxo de matéria em suspensão de origem fluvial foi modelado com sucesso.