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3A. VARIAZIONI 3A. VARIAZIONI MORFOLOGICHE DI MORFOLOGICHE DI
ALVEI FLUVIALIALVEI FLUVIALI
SCALA SPAZIALE: SISTEMA FLUVIALESCALA SPAZIALE: SISTEMA FLUVIALE
(da Schumm, 1977)
2
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
Il ciclo di erosione di Davis (1899)
Pend
enza
Tempo
Cyclic time
Progressiva riduzione della pendenza durante un ciclo di erosione
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
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TEORIA DEL REGIME (Lacey, 1939; Inglis, 1949; Blench, 1957). Fiume “a regime”: fiume che mantiene invariate le sue dimensioni.
CONCEPT OF THE GRADED RIVER (dynamic equilibrium) (Mackin, 1948).“A graded stream is one in which, over a period of years, slope is delicately adjusted to provide, with available discharge and with prevailing channel characteristics, just the velocity required for the transportation of the load supplied from the drainage basin”.
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
Pend
enza
Tempo
Cyclic time
Graded time
Da “Time, space and casuality in Geomorphology”(Schumm & Lichty, 1965)
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
4
Pend
enza
Tempo
Graded time
Steady time
Da “Time, space and casuality in Geomorphology”(Schumm & Lichty, 1965)
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
SCALA GEOLOGICA: orizzonte temporale dell’ordine dei milioni d’anni
SCALA STORICA: orizzonte temporale dell’ordine del migliaio d’anni
MEDIA SCALA TEMPORALE (GRADED TIME) o SCALA “GESTIONALE”: orizzonte temporale dell’ordine dei 100 anni
Non esistono termini e limiti temporali definitivi.Per i nostri scopi possiamo adoperare i seguenti termini:
Per definire le attuali tendenze evolutive (fiume instabile o in equilibrio dinamico), è opportuno ulteriormente restringerci ad un intervallo di 10-20 anni, cioè un passo temporale della media scala temporale
SCALA TEMPORALESCALA TEMPORALE
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FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO: fiume che, nella scala temporale dei 10-20 di anni, pur modificandosi e variando il tracciato, mantiene mediamente invariata la sua forma (pendenza, larghezza, profondità, sinuosità, ecc.) (forma in equilibrio dinamico)
w
w
FIUME INSTABILE: fiume che, nella scala temporale dei 10-20 anni, varia sensibilmente la sua forma (pendenza, larghezza, profondità, sinuosità, ecc.)
distanze
quot
e
distanze
quot
e
variazione di sezione(w, d)
variazione di pendenza (S)
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INTERVENTI IN ALVEOTagli di meandroRestringimentiDigheEstrazione di inerti
INTERVENTI A SCALA DI BACINO
DisboscamentiRimboschimentiSistemazioni idraulico-
forestaliUrbanizzazione
Variazioni climaticheVariazioni idrologicheVariazioni del livello del
mareMovimenti tettoniciFenomeni vulcaniciVariazioni copertura
vegetale (a scala di bacino)
Variazioni intensitàprocessi di versante
CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’FATTORI NATURALI FATTORI ANTROPICI
CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’
DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI: principalmente di scala temporale
FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla scala della vita umana
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CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’ECCEZIONI: eventi catastrofici (es. eruzione vulcanica) possono causare improvvisi riaggiustamenti del sistema fluviale
Toutle River system, Washington (USA): sistema catastroficamente alterato a seguito della eruzione del
Mount St.Helens (18 Maggio 1980) (da Simon, 1992)
CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’
VARIAZIONI CLIMATICHE: ricerche recenti (Knox, 1983; Macklin and Lewin, 1989; Rumsby and Macklin, 1994) hanno messo in evidenza che variazioni nella frequenza ed intensità di eventi di piena legate a oscillazioni climatiche relativamente improvvise di breve termine (10-30 anni) possono avere un importante controllo su instabilità nel sistema fluviale
In genere tali fenomeni di instabilità sono identificabili in sistemi fluviali naturali, nei quali non c’èsovrapposizione con fattori di tipo antropico
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CAUSE DICAUSE DI INSTABILITAINSTABILITA’’
FATTORI ANTROPICI: agiscono generalmente in maniera rapida, causando modifiche dirette o inducendo variazioni ben percettibili alla scala delle decine di anni
DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI: principalmente di scala temporale
FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla scala delle decine di anni
Q S Qs D50PORTATA LIQUIDA x PENDENZA PORTATA SOLIDA x DIAMETRO SEDIMENTI
(da Lane, 1955)
~~~~
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DISBOSCAMENTI
AUMENTO PRODUZIONE
SEDIMENTI (Qs+)
Q S Qs + D50
AGGRADATION
ALLARGAMENTO ALLARGAMENTO ((wideningwidening))
w
w
VARIAZIONI DI LARGHEZZAVARIAZIONI DI LARGHEZZA
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RESTRINGIMENTO RESTRINGIMENTO ((narrowingnarrowing))
w
w
SCHUMM (1977)SCHUMM (1977)
Q = portata liquida Qs = portata solidaw = larghezza d = profonditàλ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità
Q w, d, λS
Qs w, λ, Sd, P
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SCHUMM (1977)SCHUMM (1977)
Q = portata liquida Qs = portata solidaw = larghezza d = profonditàλ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità
Q + w +, d +, λ +, S -
Q - w -, d -, λ -, S +
Qs + w +, d -, λ +, S +, P -
Qs - w -, d +, λ -, S -, P +
allargamento
restringimento
Numerose classificazioni e modelli di variazioni o di sviluppo di meandri proposte in letteratura
VARIAZIONI DI TRACCIATO VARIAZIONI DI TRACCIATO IN FIUMI MEANDRIFORMIIN FIUMI MEANDRIFORMI
Non si riferiscono necessariamente a fiumi instabili: molto spesso si tratta di comuni variazioni in fiumi in equilibrio dinamico
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Modello di Keller (1972) di formazione di un meandro
Classificazione delle variazioni di meandri (Hooke, 1977)
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Types of change
Complex changes, island formation, abandonment and small irregular movements
Migration
Confinedmigration
Growth
Lobing
Double heading
Retraction
New bends
Cut off
Stable bends, no changes
Proportion on River Dane
14 %
11 %
15 %
5 %
18 %
24 %
5 %
5 %
Tipi principali di variazioni (Hooke & Harvey, 1983)
Modello di variazioni di meandri (Hooke, 1990)
ricavato dalla sequenza di variazioni più
comunemente osservata di sviluppo di meandri
lungo il River Dane
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Tipo più comune di movimento di fiumi meandriformi
1) MIGRAZIONE (migration)
E’ stato mostrato, in molti fiumi ed esperimenti di laboratorio, che in condizioni non confinate un meandro tende generalmente a migrare verso valle
2) MIGRAZIONE CONFINATA (confined migration)
Molto spesso il fiume non è libero di migrare, ma èparzialmente confinato
PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI MEANDRIMEANDRI
Crescita: indica un progressivo aumento dell’ampiezza del meandro
3) CRESCITA E SVILUPPO COMPOSITO (growth and compound development )
E’ stato mostrato che la crescita in genere è seguita da uno sviluppo di asimmetria e di forme composite
4) TAGLIO (cutoff)
Accorciamento del percorsoVari tipi: taglio di collo (improvviso) e
taglio di chute (graduale)
PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI MEANDRIMEANDRI
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VARIAZIONI DI TRACCIATO VARIAZIONI DI TRACCIATO IN FIUMI A CANALI INTRECCIATIIN FIUMI A CANALI INTRECCIATI
Maggiori problemi nel documentare variazioni in fiumi a canali intrecciati rispetto a fiumi meandriformi, specialmente alla scala degli anni e decine di anni
Questo a causa della natura più dinamica di tali fiumi, con variazioni forti che hanno luogo anche durante singoli eventi di piena, e a causa del fatto che la morfologia ed i relativi parametri sono molto più difficoltosi da definire e misurare (es. indice di intrecciamento percepito dipende dal livello del fiume)
IL CONCETTO DI EQUILIBRIOIL CONCETTO DI EQUILIBRIO
Vale la pena ripartire dalle definizioni di equilibrio (Chorley & Kennedy, 1971) e come esse sono state poi applicate a sistemi fluviali naturali
Il concetto di equilibrio ha una lunga storia nella letteratura della geomorfologia e idraulica fluviale
Ingegneri idraulici: più interessati alla progettazione di alvei stabili
Geomorfologi fluviali: più interessati al comportamento di fiumi naturali e a quando e perchési avvicinano ad una condizione di equilibrio
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A: Rappresentazione schematica dei vari tipi di equilibrio. B: Stabilità ed instabilità in un sistema soggetto ad una
perturbazione (da Chorley & Kennedy, 1971)
3
2
1
4
5
TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO
1) EQUILIBRIO STATICO: bilancio tra forze opposte che porta ad una condizione stabile. Raramente applicabile a fiumi naturali (concetto usato per la progettazione di strutture)
2) EQUILIBRIO STAZIONARIO: condizione di un sistema aperto in cui le macro-proprietà sono invariabili in una data scala temporale, cioè non ci sono trend, cicli o altri pattern di variazioni temporali. E’ l’equilibrio della Teoria del Regime, con scala temporale 101 – 102 anni
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TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO
3) EQUILIBRIO DINAMICO: a rigore è un equilibrio con aggiustamenti dinamici intorno ad un trend di variazione
Sebbene in questo grafico è indicato come steady state, l’ EQUILIBRIO DINAMICO o QUASI-EQUILIBRIO di fiumi naturali è proprio di questo tipo (2), che può essere visto come uno zoom ad una scala temporale dell’ordine dei 101 – 102 anni di quello che ad una scala temporale più ampia ci appare come tipo 3.
TIPI DI EQUILIBRIOTIPI DI EQUILIBRIO
4) EQUILIBRIO DINAMICO METASTABILE: altro tipo di equilibrio in cui si verificano bruschi episodi di aggiustamento morfologico dovuti generalmente al superamento di qualche soglia geomorfologica
Tuttavia, il fiume si può considerare relativamente stabile nel senso che, se disturbato, tende a ritornare approssimativamente al suo precedente stato e la perturbazione è smorzata
Un FIUME NATURALE non è mai completamente stabile, ma cambia continuamente la sua posizione essendo soggetto ad un range di portate liquide e solide
5) STABILITA’ ED INSTABILITA’
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…… RIEPILOGANDORIEPILOGANDO
FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO:è in grado di assorbire piccole variazioni (delle variabili guida e/o delle condizioni al contorno) attraverso processi di autoregolazione, cioè variando leggermente e riadattandosi in maniera quasi impercettibile alle nuove condizioni imposte dal sistema
se invece tali variazioni superano determinati limiti (soglie), la morfologia del fiume può evolvere in una condizione instabile, cioè l’alveo tende a variare drasticamente e repentinamente
FIUME INSTABILE:
REAZIONE AL DISTURBOREAZIONE AL DISTURBO
REACTION TIME: tempo impiegato dal sistema per reagire ad una variazione (disturbo)
RELAXATION TIME tempo impiegato dal sistema per raggiungere una nuova condizione di equilibrio
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Schumm (1979) introdusse il concetto di GEOMORPHIC THRESHOLD (soglia geomorfologica):
‘a threshold of landform stability that is exceeded either by intrinsic change of the landscape itself, or by a progressive change of an external variable’
SOGLIA GEOMORFOLOGICASOGLIA GEOMORFOLOGICA
Soglia estrinseca (extrinsic threshold)
soglia superata a causa dell’applicazione di una forza o di un processo esterno al sistema
Variazioni climatiche; variazioni di uso del suolo; variazione livello di base
Soglia intrinseca (extrinsic threshold)
soglia superata senza variazioni in variabili esterne
Taglio di meandro; variazione di pendenza; superamento altezza critica sponda
DEFINIZIONE ESEMPIO
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EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa frequenza e alta magnitudine
Variazioni di larghezza in relazione alle maggiori piene (Gila R., Arizona)
La sequenza temporale degli eventi di piena ha estrema importanza nelle modificazioni della morfologia dell’alveo
In fiumi di clima arido (SW USA), gli eventi catastrofici sembrano essere determinanti ed il concetto di Wolman & Miller sembra essere meno applicabile
FATTORI CLIMATICIFATTORI CLIMATICI
FATTORI CLIMATICIFATTORI CLIMATICI
PROLUNGATI (progressivi): fluttuazioni climatiche di medio-lungo termine, che possono a loro volta influenzare regime idrologico, vegetazione, livello di base, ecc.
EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa frequenza e alta magnitudine
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TETTONICATETTONICA
EPISODICI (impulsivi): terremoti indotti da faglie e brusche variazioni topografiche
PROLUNGATI (progressivi): subsidenza o progressivo innalzamento della superficie, con effetti sul livello di base
VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN
In numerosi casi si sono osservate variazioni (graduali o improvvise) di morfologia di un fiume
Schumm (1977) introdusse il concetto di ‘river metamorphosis’
Variazioni improvvise di morfologia d’alveo possono proprio essere dovute al superamento di una soglia geomorfologica
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E’ tuttavia accettato che la differenza tra meandriforme a canali intrecciati (o viceversa) avviene attraverso un continuum di forme intermedie
VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN
Soglia geomorfologica tra fiumi a canale singolo e a canali intrecciati in termini di pendenza – sinuosità
definita sulla base di esperimenti di laboratorio (Schumm & Khan, 1972)
VARIAZIONI DI MORFOLOGIA DVARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’’ALVEO ALVEO O DI PATTERNO DI PATTERN
Channel gradient
Sinu
osity