Numerical modeling of Montevideo Bay hydrodynamics and fine sediment dynamics

Abstract

The hydrodynamics and ne sediment dynamics modelling in estuarine environments is very important for coastal engineering design and environmental assessment. This work presents the implementation of a coupled wave-currentsediment transport model with high spatial resolution in a harbour area for a complex estuarine system. The study case is the Río de la Plata with special attention to the Montevideo Bay area. The numerical model used is the open source TELEMAC-MASCARET Modelling System. Both a two-dimensional depth-averaged (2D) approach and a three-dimensional (3D) approach were implemented. The sediment transport implementation is focused only on ne cohesive sediments. Several modi cations are made in the code in order to consider particular relevant conditions and processes in our study case. The model was calibrated and validated based on eld data of several variables (sea surface elevation, currents, waves, salinity, suspended sediment concentration, turbidity) at several stations over extendend periods of time. The most recent available eld data speci cally in the Montevideo Bay area is incorporated. The obtained results with all the modules show good agreement with the measured data, demonstrating to represent satisfactorily the main features of the Río de la Plata dynamics and speci cally of the Montevideo coastal area. The in uence of the consolidation process is explored using the 2D model. Good agreement is found between the model results and measured vertical density pro les in the Montevideo Bay access channel. The 3D numerical model is then used to make a characterization of the hydrodynamics and ne sediment dynamics in the Montevideo Bay. The main circulation patterns in the bay and their relationship with the local forcings were identi ed. The non-astronomical tide events showed to have a relevant role in the water and sediment exchange between the bay and the coastal area, generating important anomalies respect to the astronomical behaviour. It is presented an analysis of the sedimentation patterns in the bay, together with a sediment budget analysis. At the larger scale of the whole estuary the model results con rms the importance of the current induced stress for the representation of the permanent suspended sediment concentrations and the wave induced stress during the main re-suspension events. Inside the Montevideo Bay the wave forcing plays a relevant role specially on the west area which is more exposed to the wave forcing coming through its biggest mouth. However the advection of sediment coming from the near coastal area and the circulation conditions are determinant, and can for example change the bed evolution tendency for similar wave conditions.

La modelación de la hidrodinámica y dinámica de sedimentos nos en ambientes estuarinos es muy importante para el diseño en ingeniería de costas y la evaluación de impactos ambientales. Este trabajo presenta la implementación de un modelo acoplado corriente - oleaje - transporte de sedimento en un estuario complejo y con alta resolución espacial en un área portuaria. El caso de estudio es el Río de la Plata, con especial atención a la Bahía de Montevideo. Se utilizó el modelo numérico de código abierto TELEMAC-MASCARET Modelling System. Se realizó tanto una implementación bi-dimensional (2D) como tri-dimensional (3D). El modelo de transporte de sedimento se enfoca únicamente en los sedimentos nos cohesivos. Se realizaron diversas modi caciones en el código del modelo a los efectos de considerar condiciones y procesos particulares del caso de estudio. El modelo fue calibrado en base a información de diversas variables (niveles, corrientes, oleaje, salinidad, concentración de sedimento en suspensión, turbiedad) en varias estaciones de medición durante extensos períodos de tiempo. Se incorporó además la información disponible más reciente en la Bahía de Montevideo. Los resultados obtenidos con todos los módulos reproducen satisfactoriamente los datos medidos, demostrando la capacidad del modelo para representar las principales características de la dinámica del Río de la Plata y especí camente de la Bahía de Montevideo. Se exploró la in uencia del proceso de consolidación utilizando el modelo 2D. El modelo es capaz de reproducir razonablemente bien per les verticales de concentración del barro en el canal de acceso a la bahía. El modelo 3D se utilizó para hacer una caracterización de la hidrodinámica y dinámica de sedimentos nos en la Bahía de Montevideo. Se identi caron los principales patrones de circulación y su vínculo con los forzantes. Los eventos de marea meteorológica mostraron tener un rol relevante en el intercambio de agua y sedimento entre la bahía y el área costera adyacente, generando importantes anomalías respecto al comportamiento astronómico. Se presenta luego un análisis de los patrones de sedimentación, junto con un balance de sedimentos. A escala global del estuario los resultados con rman la importancia de las tensiones inducidas por las corrientes en el valor basal de concentración de sedimento en suspensión, y de las tensiones de oleaje durante los eventos de resuspensión más importantes. Dentro de la bahía el oleaje juega un rol relevante especialmente en la zona oeste la cual está más expuesta al oleaje proveniente de la boca más grande de la bahía. Sin embargo, la advección de sedimento proveniente de la zona costera y las condiciones de circulación son determinantes y pueden por ejemplo cambiar la tendencia de la evolución del fondo para similares condiciones de oleaje.