Thesis:

Wave-river interactions at a small scale river mouth: field observations at the Maipo river, central Chile

Los ríos costeros de pequeña escala a menudo descargan directamente en la zona de rompiente, donde el destino del agua dulce y los materiales transportados por los ríos (e.g., sedimentos, nutrientes y contaminantes) está determinado principalmente por los efectos combinados de los procesos de buoyancia de la pluma y el forzante de oleaje costero. Comprender la interacción río-oleaje en la zona rompiente es esencial para evaluar la calidad del agua y los impactos sobre los ecosistemas en las zonas costeras aledañas. Estas interacciones están moduladas por la variabilidad en el caudal del río, el clima de oleaje en aguas profundas, el forzante de marea, y la dinámica de la zona rompiente. Sin embargo, las diferentes escalas de tiempo en que la interacción río-oleaje ocurre no han sido investigadas a cabalidad. En este trabajo utilizamos observaciones in situ y remotas (basadas en drones) recolectadas en la desembocadura del río Maipo —un sistema fluvial de pequeña escala en Chile central— para investigar la interacción entre la descarga del río y el forzante del oleaje incidente, la cual puede influir en la distribución de agua dulce a lo largo de la costa. Nos enfocamos en interacciones que ocurren en escalas de tiempo de infragravedad (grupos de oleaje), mareal, y sinóptica (clima de oleaje en aguas profundas). Las observaciones incluyeron mediciones en el estuario y zona de rompiente; y registraron bajo caudal de descarga (QR ∼ 20 − 27 [m³/s]) y clima de oleaje variable (Hs ∼ 1 − 3 [m]). Observamos que la señal de salinidad en la desembocadura del río está fuertemente modulada por la marea, con una pluma formándose únicamente durante la fase vaciante. Se observan continuamente grandes oscilaciones asociadas a infragravedad (IG) además de la variabilidad de las mareas. Estas oscilaciones se evidencian en la salinidad de la zona rompiente, el nivel de agua en el estuario, y la velocidad de la descarga; durante la primera mitad de la fase vaciante, cuando la pluma de agua dulce comienza a desarrollarse. A medida que la pluma se convierte en un fuerte jet de salida durante la segunda mitad de la fase vaciante, las oscilaciones son bloqueadas evitando así su propagación hacia el estuario, quedando restringidas a la zona rompiente. El análisis combinado de las imágenes de dron y las observaciones in situ sugieren que la variabilidad de la salinidad de la zona de rompiente en frecuencias de IG está asociada con la llegada de grupos de oleaje y la propagación de frentes de olas en la zona de la pluma. En particular, se encontró que durante la segunda mitad de la fase vaciante las grandes oscilaciones de salinidad de la zona de rompiente (15 − 20 [psu]) se explican por una contracción y expansión de la pluma en respuesta a la variabilidad en el forzante de oleaje en la escala de tiempo de grupos. En escalas de tiempo sinópticas (horas a días), la salinidad de la zona rompiente responde a la intensidad del forzante de oleaje en aguas profundas (∼ 20 [m] de profundidad), con olas más altas provocando menor salinidad ya que el agua dulce se retiene principalmente cerca de la costa. Un balance de momentum entre la descarga del río y el forzante de oleaje confirma que éste último tiene potencial de atrapar agua dulce en la zona de rompiente. Este estudio muestra que el oleaje costero influye en el destino final del agua dulce y el material terrestre que ésta transporta en una amplia gama de escalas de tiempo, desde infragravedad (1 − 5 [min]) hasta horas y días.

Small-scale coastal rivers often discharge directly into the surf zone, where the fate of freshwater and the materials transported by the rivers (e.g., sediments, nutrients, and contaminants) is primarily determined by the combined effects of plume buoyancy processes and coastal wave forcing. Understanding wave–river interaction in the surf zone is essential for assessing water quality and the impacts on adjacent coastal ecosystems. These interactions are modulated by the variability in river discharge, deep-water wave climate, tidal forcing, and the dynamics of the surf zone. However, the different time scales at which wave–river interaction occurs have not been fully investigated. In this study, we use in situ and remote (drone-based) observations collected at the mouth of the Maipo River — a small-scale fluvial system in central Chile — to investigate the interaction between river discharge and incident wave forcing, which can influence the distribution of freshwater along the coast. We focus on interactions occurring at infragravity (wave group), tidal, and synoptic (deep-water wave climate) time scales. The observations included measurements in the estuary and the surf zone, and recorded low discharge flow rates (QR ∼ 20–27 [m³/s]) and variable wave climate (Hs ∼ 1–3 [m]). We observed that the salinity signal at the river mouth is strongly modulated by the tide, with a plume forming only during the ebb phase. Large oscillations associated with infragravity (IG) motions were observed continuously in addition to tidal variability. These oscillations are evident in the salinity in the surf zone, water level in the estuary, and discharge velocity during the first half of the ebb tide, when the freshwater plume begins to develop. As the plume turns into a strong outgoing jet during the second half of the ebb phase, the oscillations are blocked, preventing their propagation into the estuary and confining them to the surf zone. The combined analysis of drone imagery and in situ observations suggests that the salinity variability in the surf zone at IG frequencies is associated with the arrival of wave groups and the propagation of wave fronts through the plume zone. In particular, it was found that during the second half of the ebb phase, large salinity oscillations in the surf zone (15–20 [psu]) can be explained by a contraction and expansion of the plume in response to group-scale variability in wave forcing. At synoptic time scales (hours to days), surf zone salinity responds to the intensity of deep-water wave forcing (~20 m depth), with higher waves resulting in lower salinity, as freshwater tends to remain nearshore. A momentum balance between river discharge and wave forcing confirms that the latter has the potential to trap freshwater in the surf zone. This study demonstrates that coastal wave forcing influences the ultimate fate of freshwater and the terrestrial material it transports across a wide range of time scales, from infragravity (1–5 minutes) to hours and days.