Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

140

STUDY OF THE CIRCULATION IN THE ORBETELLO LAGOON, ITALY

Isabella Scroccaro

1*

, Lorenzo Cappietti 

2

, Andrea Cappelletti

3

, Georg Umgiesser

1

, Pier Luigi Aminti 

2

1

CNR ISMAR - S.Polo, 1364 - 30125 Venice, Italy isabella - * scroccaro@ismar.cnr.it

2

Dip. di Ingegneria Civile – Univ. di Firenze, Via S.Marta, 4 - 50139 Florence, Italy

3

ENEA - Centro Ricerche Ambiente Marino - C.P. 224 - 19100 - La Spezia, Italy

Abstract

The combination of poor hydrodynamic activity and algal blooms in the Orbetello lagoon (Italy) is causing many problems for the water

quality and the conservation of fish population, the most important resource of this ecosystem. To improve the water quality of the lagoon

is necessary to know the hydrodynamic behavior. This goal was achieved using both measurements and numerical simulations, carried out

with a shallow water finite element model, developed at ISMAR-CNR in Venice. The study shows that numerical models could offer a

very useful tool for the management and saveguarding of the water resources.

Keywords: coastal lagoons, hydrodynamic modeling, numerical simulations, Orbetello, finite element method

The Orbetello lagoon (southern coast of Tuscany, Italy) covers an

area of 27 km

2

and is composed of an eastern lagoon (12 Km

2

wide)

and a western lagoon (15 Km

2

wide). The two lagoons are connected

by the Orbetello isthmus and separated by a dam. The average depth

is about 1 meter. The lagoon exchanges water with the Thyrrenian Sea

by three narrow channels: Nassa channel, Fibbia channel and

Ansedonia channel. Each inlet has its own ?oodgate and water pumps

that may pump water from the sea into the lagoon. The lagoon is a

semi-enclose coastal basin characterized by shallow water, poor

hydrodynamic activity, high trophic level and algal blooms, that may

cause problems for the water quality and the conservation of fish

population.

Numerical simulation of the lagoon hydrodynamics was performed

with a shallow water finite element model, developed at ISMAR-CNR

in Venice (1,2). The finite element method gives the possibility to

follow carefully the topography of the system and to better represent

the zones where hydrodynamic activity is more interesting. The model

uses finite elements for spatial integration and a semi-implicit

algorithm for integration in time. Experimental data have been used to

calibrate and validate the numerical model.

A system of gauges was designed in order to collect hydrodynamic

and water quality parameters at different locations. Gauges were

positioned in nine points of the lagoon, as can be seen in Figure 1.

Hydro-meter, Current-meter and multi-parametric gauges, collecting

water temperature, salinity, oxygen and Ph, were put in front of the

channel and in the middle of the lagoon. Wind-meters were put in the

middle of the lagoon, too. Registration of data began in August 2001

and is ongoing. Wind data (speed and direction) and water circulation

data (speed, direction and level) are collected simultaneously every

ten minutes. Moreover, a detailed topographic survey was completed

to precisely map the bathymetry of the lagoon, also revealing the

presence or not of algae. It appeared that in the 90% of the bottom of

the lagoon there was algae presence (3).

Results of the numerical simulations show that the inner

hydrodynamics circulation is mainly due to the wind action. Tidal

excursion was limited to 30 cm in this area and it is not able to induce

appreciable circulation. Algae presence all over the lagoon acts as a

high roughness and is the main factor responsible for low water

circulation in shallow water areas. During typical hydrodynamic

conditions maximum speed velocity is of the order of 1 cm/s.

Some proposals were made, trying to solve the problem of the low-

speed circulation inside the lagoon.

Modification of Ponte Diga: the bridge, which divides the two parts

of the lagoon, has some piers positioned at distances which are not

very large. The proposal was to enlarge the openings on the dam to

assess if this action could improve the circulation (4).

Excavation of channels on the bottom of the lagoon: to increase

the mean water velocity in some particular areas of the lagoon, it is

possible to excavate some channels; these are preferential ways for the

water forced by wind to pass in, and arrive to the areas in which

circulation has to be increased. This proposal seemed to be efficient,

with good effects on the inner circulation of the lagoon.

The next application will be the implementation of a diffusion-

reaction and radiative module to investigate the distribution of

salinity, temperature and oxygen, which play an important role in the

trophic processes of the lagoon.

References

1-Umgiesser, G. and Bergamasco, A., 1993. A staggered grid finite

element model of the Venice Lagoon, In: K. Morgan, E. Ofiate, J. Periaux

and Zienckiewicz, O.C. (eds), Finite Elements in Fluids. Pineridge Press.

2-Umgiesser, G. and Bergamasco, A., 1995. Outline of a Primitive

Equations Finite Element Model. Pp. 291-320. In : Rapporto e Studi, vol.

XII, Venice, Italy, Istituto Veneto of Scienze, Lettere ed Arti. 

3-Aminti, P.L., Cappietti, L., Tecchi, M.G., and Venturini, A., 2003.

Hydrodynamics of lagoons, a case of study: the Orbetello Lagoon. Pp.

2031-2042. In : E. Ozhan (Ed.). Proceedings of the Sixth International

Conference on the Mediterranean Coastal Environment, MEDCOAST 03. 

4-Scroccaro, I., Cappelletti, A. and Umgiesser, G., 2003. An idealized

circulation of the Orbetello lagoon. Pp. 2087-2098. In : E. Ozhan (Ed.).

Proceedings of the Sixth International Conference on the Mediterranean

Coastal Environment, MEDCOAST 03. 

Fig. 1. Position of the gauges. 1-4-6-9 Hydro-meter, 2-3-8 Hydro-meter;

current-meter; multi-parametric gauge, 5-7 Hydro-meter; current-meter;

multi-parametric gauge; wind-meter.