Water Mixing and Quality in Semi-Enclosed Sea Basins: The Adriatic and Gemlik Bay Cases

Semi-enclosed marine basins are particularly vulnerable to water-quality degradation because restricted exchange with the open sea increases residence time, while vertical density stratification inhibits mixing and deep-water ventilation. In such systems, the coincidence of long renewal timescales and strong thermohaline interfaces can promote the persistence of nutrients, contaminants, and suspended sediments, increasing the likelihood of eutrophication, turbidity impacts, and bottom-water oxygen depletion. Within this general framework, this thesis develops and applies physics-based modelling approaches for the water quality assessment, in particular to quantify renewal and retention in stratified basins and to provide practical indicators for assessing sediment-resuspension impacts associated with offshore operations. Firstly, a high-resolution three-dimensional Delft3D hydrodynamic model is developed and validated for Gemlik Bay (Sea of Marmara), a semi-enclosed basin widely reported as one of the most pollution-impacted areas of the Marmara Sea, with recurrent nutrient enrichment, bloom events, and low bottom oxygen during stratified periods, using in-situ CTD profiles from contrasting seasonal conditions. The model reproduces the observed two-layer structure and sharp halocline/thermocline features with high fidelity, while the Copernicus reanalysis product exhibits systematic biases, including fresher surface salinities and overly diffuse interface layers, limiting its suitability for stratification-focused assessments in small basins. Tracer-based analysis provides the first quantitative estimate of water residence time in the Gemlik Bay, revealing rapid renewal in the upper layers (≈25–50 days) but strong retention at depth, with waters below 60 m exhibiting persistence exceeding 8 months, with the bottom layer approaching 11 months. These results highlight how stratification can isolate bottom waters and amplify vulnerability to pollutant accumulation and hypoxia. Secondly, a physics-based and precautionary methodology is proposed to evaluate the water-quality footprint of sediment resuspension during complete offshore-platform removal in the Italian Adriatic Sea. A large set of CORMIX simulations of excavated-sediment transport, spanning representative environmental and operational conditions is synthesized into predictive relationships for characteristic impact distances, enabling rapid screening of potential hazard extension when detailed site information is limited. Results indicate that plume impacts are transient and spatially constrained: dilution exceeds 99% within days; deposited sediment effects remain limited (<6.6 km), while suspended fine sediments can travel farther (up to 14.6 km) but remain primarily near the seabed. The resulting predictive functions provide a transferable, decision-oriented tool to support early-stage planning, environmental screening, and mitigation design for decommissioning in sensitive coastal settings. Overall, the thesis delivers two general messages for water-quality management in semi-enclosed basins: (i) when stratification controls renewal and vertical exchange, high-resolution three-dimensional hydrodynamic modelling is essential, as coarse reanalysis products may exhibit systematic biases in surface properties and interface-layer representation; and (ii) for sediment-resuspension risks associated with offshore operations, robust yet simple indicators (e.g., impact-distance predictors) can translate complex plume simulations into actionable metrics for regulators and practitioners.

I bacini marini semi-chiusi sono particolarmente vulnerabili al degrado della qualità dell'acqua poiché lo scambio limitato con il mare aperto aumenta il tempo di residenza, mentre la stratificazione verticale di densità inibisce il mescolamento e la ventilazione delle acque profonde. In tali sistemi, la concomitanza di lunghi tempi di rinnovo e forti interfacce termoaline può favorire la persistenza di nutrienti, contaminanti e sedimenti sospesi, aumentando la probabilità di eutrofizzazione, impatti sulla torbidità ed esaurimento dell'ossigeno nelle acque di fondo. All'interno di questo quadro generale, questa tesi sviluppa e applica approcci di modellazione basati sulla fisica per la valutazione della qualità dell'acqua, in particolare per quantificare il rinnovo e la ritenzione in bacini stratificati e per fornire indicatori pratici per la valutazione degli impatti della risospensione dei sedimenti associati alle operazioni offshore. In primo luogo, è stato sviluppato e validato un modello idrodinamico tridimensionale ad alta risoluzione Delft3D per la Baia di Gemlik (Mar di Marmara), un bacino semi-chiuso ampiamente segnalato come una delle aree più colpite dall'inquinamento del Mar di Marmara, caratterizzato da ricorrente arricchimento di nutrienti, eventi di fioritura algale e bassi livelli di ossigeno sul fondo durante i periodi stratificati, utilizzando profili CTD in situ provenienti da condizioni stagionali contrastanti. Il modello riproduce con alta fedeltà la struttura a due strati osservata e le caratteristiche nette di aloclino e termoclino, mentre il prodotto di rianalisi Copernicus mostra bias sistematici, tra cui salinità superficiali più basse e strati di interfaccia eccessivamente diffusi, limitando la sua idoneità per valutazioni focalizzate sulla stratificazione in piccoli bacini. L'analisi basata su traccianti fornisce la prima stima quantitativa del tempo di residenza dell'acqua nella Baia di Gemlik, rivelando un rapido rinnovo negli strati superiori (≈25–50 giorni) ma una forte ritenzione in profondità, con acque al di sotto dei 60 m che mostrano una persistenza superiore agli 8 mesi, e lo strato di fondo che si avvicina agli 11 mesi. Questi risultati evidenziano come la stratificazione possa isolare le acque di fondo e amplificare la vulnerabilità all'accumulo di inquinanti e all'ipossia. In secondo luogo, viene proposta una metodologia precauzionale e basata sulla fisica per valutare l'impronta sulla qualità dell'acqua della risospensione dei sedimenti durante la rimozione completa di piattaforme offshore nel Mar Adriatico italiano. Un ampio set di simulazioni CORMIX del trasporto di sedimenti scavati, che copre condizioni ambientali e operative rappresentative, è sintetizzato in relazioni predittive per le distanze caratteristiche di impatto, consentendo uno screening rapido dell'estensione del potenziale pericolo quando le informazioni dettagliate sul sito sono limitate. I risultati indicano che gli impatti del pennacchio sono transitori e spazialmente limitati: la diluizione supera il 99% entro pochi giorni; gli effetti dei sedimenti depositati rimangono limitati (<6,6 km), mentre i sedimenti fini in sospensione possono viaggiare più lontano (fino a 14,6 km) ma rimangono principalmente vicino al fondale marino. Le risultanti funzioni predittive forniscono uno strumento trasferibile e orientato alle decisioni per supportare la pianificazione preliminare, lo screening ambientale e la progettazione delle misure di mitigazione per lo smantellamento (decommissioning) in contesti costieri sensibili. Complessivamente, la tesi trasmette due messaggi generali per la gestione della qualità dell'acqua nei bacini semi-chiusi: i) è essenziale la modellazione 3D ad alta risoluzione per superare i bias dei dati di rianalisi sulla stratificazione; (ii) indicatori predittivi semplificati sono efficaci per tradurre complesse simulazioni di sedimenti in strumenti gestionali pratici. ​