Coastal vulnerability to storms at different time scales: application to the Catalan coast

Storm-induced impacts are known to cause important economic and environmental damages to coastal systems worldwide. Consequently, the relevance of including hazards and vulnerability assessments in coastal policies has been highlighted during the last years, so that coastal managers can make informed decision to apply mitigation and/or adaptation plans. The main purpose of this thesis is to develop a methodology to quantitatively assess coastal vulnerability to storms at different time scales, considering the two main storm-induced hazards separately (inundation and erosion). In this work, vulnerability is defined as the potential of a coastal system to be harmed by the impact of a storm. Thus, it has been quantified by comparing the magnitude of the hazards with the adaptation ability of the coast. The proposed methodology is based on a probabilistic approach where hazard time series are fitted to an extreme value distribution. Consequently, hazard magnitudes and vulnerability are related to a probability of occurrence instead of to a determined storm event. The coastal manager has to decide the probability of occurrence to be accepted in the analysis, which will determine the return period (Tr) to be considered. Vulnerability indicators that compare the magnitude of each hazard to the response capability of the beach are built for erosion and inundation independently. Final vulnerability is formulated in terms of these two intermediate variables by means of a linear function that ranges from a minimum value of 0 (optimum state) to a maximum of 1 (failure state), defining 5 qualitative categories. In this particular case, these thresholds have been defined for each hazard in terms of the protection function provided by the beach. In order to evaluate changes in vulnerability at different time scales, variations in the adaptation ability of the coast due to the effects of other medium and long-term processes have also been considered. Taking into account the characteristics of the study area, erosion due to longshore sediment transport (LST) gradients and erosion and inundation caused by relative sea-level rise (RSLR) have been selected as the main medium and long-term coastal processes, respectively, to be analysed. In this sense, shoreline evolution rates have been used as representative of accretion/erosion due to LST, whereas different combinations of sea-level and subsidence scenarios have been used to determine erosion and inundation due to RSLR. The developed methodology has been applied to most of the sedimentary coastline (219 km) of Catalonia (NW Mediterranean). The results obtained for a Tr=50-yr show similar percentages of high and very high vulnerable coastline for erosion and inundation. However, the increase in vulnerability due to the contribution of LST and RSLR is slightly higher in the case of erosion. Results also indicate that changes in vulnerability due to RSLR are generally lower than those obtained when only LST is accounted. RSLR contribution is detected at longer time scales and is significantly higher in the southern part of the Catalan coast. This is mainly due to the presence of dissipative beaches with very mild slope together with the potentially significant subsidence of the Ebre delta. On the opposite, LST contribution does not seem to target any specific beach type. To conclude, the proposed method permits to identify the most vulnerable spots of a coastal area considering the dynamic response of the system at different time scales. This information is relevant for coastal managers when it comes to efficiently allocate the available resources. Moreover, the versatility of this method allows, not only to update the results according to the available information on hazards magnitude and beach geomorphology, but also to easily apply it to other coastal zones. Los temporales pueden causar daños importantes en la costa, tanto a nivel económico como ambiental. En consecuencia, durante los últimos años se ha destacado la importancia de incluir estimaciones de la magnitud de los procesos y de la vulnerabilidad en las políticas costeras, de forma que los gestores puedan tomar decisiones informadas para aplicar planes de mitigación y/o adaptación. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología que permita evaluar, cuantitativamente, la vulnerabilidad de la costa al impacto de temporales para diferentes escalas de tiempo, considerando por separado los principales procesos implicados (inundación y erosión). En este trabajo, la vulnerabilidad se define como el potencial de un sistema costero a ser dañado, por lo que se ha cuantificado comparando la magnitud de los procesos con la capacidad de adaptación de la costa. La metodología propuesta se basa en una aproximación probabilística en la que las series temporales de intensidad de los procesos se ajustan a una distribución de valores extremos. En consecuencia, tanto la magnitud de los procesos como la vulnerabilidad se asocian a una probabilidad de ocurrencia en vez de a un evento determinado. El gestor debe decidir la probabilidad de ocurrencia a tener en cuenta en el análisis, la cual determinará el periodo de retorno (Tr). Una vez seleccionado el periodo de retorno, se crean indicadores de vulnerabilidad que comparan la magnitud del proceso con la capacidad de respuesta de la playa de forma independiente para erosión e inundación. La vulnerabilidad final se formula en términos de estas dos variables intermedias por medio de una función lineal que va desde un valor mínimo de 0 (estado óptimo) a un máximo de 1 (estado de fallida), definiendo 5 categorías cualitativas. En este caso, estos umbrales se han definido considerando la función de protección de la playa. Para evaluar las variaciones temporales de la vulnerabilidad, se han analizado los cambios en la capacidad de adaptación de la costa frente al impacto de temporales inducidos por los efectos de otros procesos costeros. Considerando las características de la zona de estudio, la erosión debida a los gradientes en el transporte longitudinal de sedimentos (LST) y la erosión y e inundación causadas por la subida relativa del nivel del mar (RSLR) han sido seleccionados como los principales procesos que actúan a medio y largo plazo respectivamente. La erosión/acreción debida al LST se ha determinado mediante tasas de evolución costera, mientras que para caracterizar la erosión e inundación debidas a la RSLR se ha utilizado una combinación de distintos escenarios de nivel del mar y subsidencia. La metodología se ha aplicado a la mayor parte de la costa sedimentaria (219 km) de Cataluña (Mediterráneo noroeste). Los resultados obtenidos para un Tr= 50 años muestran porcentajes similares de costa sujeta a alta o muy alta vulnerabilidad a los dos procesos. Sin embargo, el incremento de vulnerabilidad debido a la contribución del LST y la RSLR es ligeramente mayor en el caso de la erosión. En general, los cambios inducidos por la RSLR son menores que los obtenidos considerando solo el LST. La contribución de la RSLR se detecta a escalas de tiempo mayores y es mayor en la parte sur de la costa catalana. Esto se debe a la presencia de playas disipativas con pendientes muy suaves y a la potencialmente significativa subsidencia del delta del Ebro. La contribución del LST no parece afectar a ningún tipo concreto de playa. Finalmente, este método permite identificar los puntos más vulnerables de la costa considerando la respuesta dinámica del sistema a lo largo del tiempo. Esta información es relevante para los gestores en cuanto a la organización de los recursos disponibles. Además, su versatilidad permite tanto actualizar los resultados en función de la información disponible sobre los procesos y la geomorfología costera, como aplicarlo fácilmente a otras regiones.