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1
MoDiTeLongarone (BL), 20 marzo 2009
MODELLI PER LA GESTIONEDI SEDIMENTI A SCALA DI BACINO
IN PRESENZA DI SERBATOIE DI ALTRI INTERVENTI ANTROPICI
G. Di SilvioUniversità degli Studi di Padova
2
ANALOGIA FRA SEDIMENTI& RISORSE IDRICHE
Precipitazioni Portate liquide(coefficienti di deflusso e trasferimento)
Produzione di sedimenti Trasporto solido(delivery ratio)
MODELLI IDROLOGICI E IDRAULICI
MODELLI MORFOLOGICI
Pericolo/Costo Risorsa/Beneficio
3
EVOLUZIONE STORICADELLE ATTIVITÀ DI INTERVENTO
● DIFESA & UTILIZZAZIONE[ARGINI, DIGHE, TRAVERSE, CANALI NAVIGABILI, CAVE, …](Singole costruzioni indipendenti: pura idraulica)
● GESTIONE DEL BACINO FLUVIALE[PREVISIONI DI PIENA, USO PLURIMO DELL’ACQUA, STRATEGIE INTEGRATE, …](Autorità e Piani di Bacino: idraulica & idrologia)
● RESTAURO & RECUPERO AMBIENTALE[CORRIDOIO FLUVIALE LIBERO, GOLENE E ISOLE APERTE, RIPRISTINO DELLAMORFOLOGIA, …]
(Ri-naturalizzazione: idrologia, idrodinamica, morfodinamica, biodinamica)
Importanza
crescente
del trasporto
solido e dei
processi di
sedimentazione
e deposito
4
PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE
Restauro (totale o parziale)dell’ambiente fluviale pristino
● Vincoli tecnici e socio-economici● Compatibilità ambientale● Sostenibilità
Alcuni esempi, in particolare:PRESENZA DI SERBATOI
5
PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE
Ricostruzionedella morfologia
“Rapide & Pozze”
● OBIETTIVO ANTROPICO: DIFESA DALLE PIENE & ACCESSIBILITÀ FLUVIALE
Fondo stabile e scala delle portate costante
● OBIETTIVO AMBIENTALE: AUMENTARE LA DIVERSITA MORFOLOGICA & BIOLOGICA
Riduzionedella pendenza
con sogliedi calcestruzzo
Fondo instabilee distruzione periodicadella morfologia(T = 10÷20 anni)*Rinforzo artificialedelle strutture naturali
ESEMPIO 1 : FIUMI DI MONTAGNA
Qmax
Q
QmaxQ
6
PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE
Riattivazione parziale di canali secondari
tramite abbassamento della quota dei pennelli
● OBIETTIVO ANTROPICO: MIGLIORARE LA NAVIGAZIONE (Germania, Austria, …)Canale navigabilepiù profondo:eliminazionedi barre mobilie di rami vaganti
● OBIETTIVO AMBIENTALE: INCREMENTO ZONE UMIDE
Approfondimentodi un canale
quasi dritto con pennelli trasversali
Diminuzione della portata nel canale navigabile:ancora barre mobilie rami vaganti
ESEMPIO 2 : FIUME DI PIANURA
Canali secondari residui
Canalisecondari riattivati
Pennelli
Pennelli ribassati
7
PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE
Riattivazione parziale dei canali secondari
tramite abbassamentodella quota dei pennelli
● OBIETTIVO ANTROPICO: MIGLIORARE LA NAVIGAZIONE (Italia, Francia, …)Canale di navigazione curvo ma stabile: eliminazionedi barre mobilie rami vaganti
● OBIETTIVO AMBIENTALE: INCREMENTO ZONE UMIDE
Meandri “forzati”per mezzo
di curve fisse
Tendenza al ritornodella morfologiaprecedente.
ESEMPIO 3 : FIUME DI PIANURA
Canali secondari residui
Canali secondari riattivati
Pennelli
Pennelli ribassati
*Con pennelli longitudinali: soluzionepiù flessibile della (2)
8
PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE
Allargamentodel canale principale.
Abbassamento di quota delle golene e isole(co-finanziamento!).
Ripristinodelle zone umide
● OBIETTIVO ANTROPICO: REGOLAZIONE E DIVERSIONE DEGLI AFFLUSSI (DIGHE O TRAVERSE)Golene e isoletendono a fissarsie a sviluppare vegetazione permanente(Rischiodi inondazioneper Q eccezionale)
Canale principale piùstretto e profondo,
rami secondari obliterati, interrimento
di golene e isole
Possibile ritornoverso la morfologiaprecedente
ESEMPIO 4 : FIUME PEDEMONTANO
● OBIETTIVO AMBIENTALE: RIPRISTINO DEL PAESAGGIO ORIGINALE
QmaxQ
Qmax
QSedimentirimossi
9
DIGHE, TRAVERSEe SERBATOI ARTIFICIALI
Effetti morfodinamici
• NEL SERBATOIO: interrimento(riduzione di capacità)
• A MONTE: sovralluvionamento(rischio di inondazione)
• A VALLE: modificazioni della morfologia(erosione e deposito)
10
EFFETTI DI UN SERBATOIO SULLA CURVA DI DURATA…
…E CONSEGUENTE RIDUZIONE DELLA PORTATA EQUIVALENTE DEL FIUME
01-m
0eq VQQ ∝max.
portata annuavolume di
deflusso annuo
11
BILANCIA DI LANE (1953)Riduzione dellaimmissione deisedimenti (G)
Riduzione dellacapacità di
trasporto (Q)qpnm
DBIQ
G ∝
Opposte possibili conseguenze!
12
•SERBATOIO(processi di trattenuta e di rilascio)
•UN TRATTO (più o meno breve) DEL CORSO D’ACQUA(processi di evoluzione morfologica)
• INTERA RETE IDROGRAFICA(gestioni a scala di bacino)
MODELLI MORFOLOGICI
13
SCALE SPAZIALI E TEMPORALIE CORRISPONDENTI MODELLI
Dura
ta d
elle s
imul
azio
ni
Dim
ensio
ni d
el sis
tem
a
Pote
re ri
solu
tivo
Velo
citàd
i dat
i det
tagl
iati
3D
2D
1D
+ +
+ +
14
MODELLI DEL SERBATOIO3D u,v,w,c = f(x,y,z,x)
z y
x
z
x
Materiale coesivoCorrenti stratificateVariazioni di temperaturae torbidità
U,W,C = f(x,z,t)Serbatoi profondi e strettiCorrenti stratificateVariazioni di temperatura e torbidità
z
x
1D (media sulla sezione trasversale)
U,V,C = f(x,y,t)
Serbatoi poco profondiCorrenti poco stratificateVelocità reativamenteelevate
2D-H(mediasulla profondità)
Q,C,Z = f(x,t)
Serbatoi relativamentelunghi e stretti
Manovre frequentiVariazioni del fondo
2D-V (media sulla trasversale)
15
GESTIONE DEL SERBATOIO• Modello a lungo termine (parametri tecnici ed economici
variabili nel tempo lungo)Es. RESCON (World Bank, 2003)
• Modulo economico sofisticato• Modulo idraulico rudimentale
(zero-dimensionale)• Tecniche di gestione
limitate
16
Classificazionedei serbatoiper la gestionedei sedimenti basatasui volumi(schemazero-dimensionale)
SCHEMA ZERO-DIMENSIONALE
V, WD, WS
17
Classificazionedei serbatoi basatasu volumi,forma dell'invasoe disuniformitàgranulometrica.
SCHEMA UNIDIMENSIONALE
18
MODELLO UNIDIMENSIONALETEMPO DI RIEMPIMENTO
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
21
S
D
RO
D
Wf
S
Dfill
ddf
V
V,
V
Vτ
W
VT
tempo diinterrimento teorico
effetto dellamorfologia (3,5÷9)
effetto dellagranulometria (0,5÷7)
(fino a 10-20 volte più lungodel caso zero-D)
effetto della regolazione
disumiformitàgranulometrica
19
BILANCIO DI SEDIMENTIA SCALA DI BACINO
Es. Fiume Adige
20
FIUME ADIGE
Bolzano
Verona
Trento
Porto Fossone
21
Tratto pensile del fiume a sud di Verona
EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50
Tratto pensile dell’Adige ad Albaredo d’Adige (Vr)
22
Espansione della foce verso il mare, con il progressivo aumento della superficiedell’Isola del Bacucco (Isola Verde)
EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50
Cartografia I.G.M.1887
Cartografia I.G.M.1908
Cartografia I.G.M.1918
23
Cartografia I.G.M.1931
Cartografia I.G.M.1944
EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50
24
Deficit di sedimenti, con conseguente erosione del tratto veneto
EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50
Erosione
Deposito
Verona
25
Retrocessione dell’intero apparato di foce
EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50
Confronto fra i rilievi batimetrici eseguiti nel 1968 e nel 1975
26
EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50
Foce regolata con pennelli fissi
27
EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50
Diminuzione del trasporto solido misurato a Trento e Boara Pisani
28
CAUSE PLAUSIBILMENTE ADDOTTE
● Azione di trattenuta dei sedimenti ad opera dei serbatoi idroelettrici(31 bacini artificiali, con invaso totale pari a 571 milioni di m3)
● Modificazione della curva di durata delle portate liquide, a causa dell’utilizzazioneidroelettrica (specialmente nel tratto pedemontano)
● Riduzione dei deflussi liquidi, provocata dall’aumento delle derivazione a scopo irriguoed idropotabile (specialmente nel tratto di pianura)
● Modificazione della vegetazione fluviale nelle isole e nelle golene
● Diminuzione del sedimento presente nel fiume, a causa dell’aumento delle estrazionidi sabbia e ghiaia nelle cave poste in alveo
● Diminuzione dell’apporto solido dalle pendici montane, anche a causa del diverso usodel suolo (opere anti-erosione e di consolidamento dei versanti)
29
COMPLESSITÀSPAZIO-TEMPORALE
● Origine del disturbo in datae luoghi diversi
● Propagazione del disturbo lungola rete fluviale
30
MODELLAZIONE IDRO-MORFODINAMICA
● Simulazione dell’evoluzione del profilo e della composizione dell’alveo
- per durate storiche (vari decenni o secoli)
(la propagazione delle perturbazioni di tipo morfologico è molto lenta)
- sull’intera rete (varie centinaia di chilometri)
31
MODELLO MORFODINAMICO1-D
De St. Venant
Exner
Hirano
Chézy
Engelund-Hansen
Egiazaroff
iiqi
P
nm
i dBIQT ξβα=
si
s
ii
ii d
dd
d⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∑
=β
ξ
(1) EQUAZIONE DI CONTINUITA'
(2) EQUAZIONE DELL’ENERGIA (O QUANTITA' DI MOTO)
(3) BILANCIO DEI SEDIMENTI LUNGO LA CORRENTE
(4) BILANCIO DEI SEDIMENTI NELLO STRATO DI MESCOLAMENTO
(5) RESISTENZA IDRAULICA
(6) PORTATA SOLIDA DELLA CLASSE i-esima
(7) COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE / NASCONDIMENTO
fIHAQ ⋅⋅⋅= χ
tzB
xT
tB iii ∂
∂⋅⋅−
∂∂
−=∂∂⋅⋅ ββδ
tzB
xTN
i
i
∂∂⋅−=
∂∂∑
=1
Gauckler-Strickler
0=∂∂
+∂∂
tA
xQ
JxU
gAgQzH
x−
∂∂⋅−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⋅
++∂∂ 1
2 22
fs IHAKQ ⋅⋅⋅=3/2
32
SEMPLIFICAZIONI NECESSARIE
● Per utilizzare dati topografici aggregati(rilievi di dettaglio solo in parte disponibili)
● Per abbattere i tempi di calcolo(passi spaziali e temporali più lunghi)
33
SEMPLIFICAZIONE DELLE EQUAZIONIDEL MOTO DELL’ACQUA
lww qcsQc
tQ
⋅=∂∂
+∂∂
xzIJ f ∂∂
−==Moto mediamente uniforme
lqsQ=
∂∂
Propagazione istantanea
Onda cinematica
● Semplificazione delle equazioni di De St. Venant
34
VALIDITÀ DELL’IPOTESIDI MOTO LOCALMENTE UNIFORME
Risoluzione spaziale e temporale limitata(medie su periodi spaziali e temporali sufficientementi estesi)
Δx > Lbox “scatola morfologica”
Δt > Twin “finestra evolutiva”
Lbox , Twin = f(Froude, altro) (Fasolato et al 2008)
● Torrenti di montagnaANCHE PER SINGOLI EVENTI (es. Spurgo del Comelico)
Δx ~ (10 - 50) mΔt ~ (10 - 60) min
● Fiumi di pianuraSOLO PER SIMULAZIONI A SCALA DI BACINO (es. Adige, Zambesi)
Δx ~ (10 - 50) kmΔt ~ (0.1 - 1) anno
35
EQUAZIONE DEL TRASPORTO SOLIDO VALIDA PER MOTO QUASI UNIFORME
∑= ⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⋅⋅⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⋅
⋅⋅=
N
iiiq
ip
nf
m
s dBIQ
Q1
ξβα
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⋅
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⋅
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅=⋅=
⋅⋅−
=∫∑∫
tmmp
nf
N
iq
i
iiss eQB
Id
dtQT τγ
ττ
βξ1
qeq
p
meq
nfs
s dBQITQ⋅
⋅==
τ
portata solida
trasporto solido totale
portata solida annua
diametro equivalente
q
N
i
qsii
sN
iii
eq
d
dd
1
1
1
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅
=
∑
∑
=
−
=
β
β
coef. di esposizione / nascondimento( )
si
sN
iii
s
i dd
d
di ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅
=
∑=1
β
ξ
36
MODELLAZIONE SEMPLIFICATA DEGLI AFFLUENTI
qnfiume
qnaffluente
fiumeaffluente II
dd //
⋅=
iii fiumeaffluente βββ Δ+=
pendenza dell’affluente alla confluenza
percentuale di classe granulometrica
diametro equivalente affluente
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ−⋅=
HtztItIaffluente)(1)()( 0
fiumei
fiumeN
iifiume
i iddi
di
di βββ
β ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=⋅
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−⋅
=Δ
∑=
11
1
37
EVOLUZIONE DEL DELTA DEL FIUME
)()()( 111 ttdLtLttL fff δδ ++=+ +++
)()()( 111 ttdTtTttT fff δδ ++=+ +++Trasporto solido nella sezione fittizia
[ ])()()(
1
11 tLz
dttTtTdL
ff
fff
+
++ ⋅⋅
⋅−=
πIncremento di distanza
Distanza della sezione fittizia
Schematizzazione della planimetria Schematizzazione della sezione
38
Bolzano
Verona
Albaredo d'Adige Porto Fossone
Resia
Trento
Boara Pisani
geometria dell’asta principale
DATI NECESSARI
granulometria dell’asta principale
idrologia dell’asta principale
Schematizzazionedei principali affluenti
S = 12000 km2
L = 290 km nel bacino
L = 410 km complessivi
39
Bolzano
Verona
Albaredo d'AdigePorto
Fossone
Resia
Trento
Boara Pisani
Ortofoto in Alto Adige (2005)
Rilievo batimetrico a valle di Merano (1954)
DATI GEOMETRICI DISPONIBILI
DTM del bacino idrografico (1998)
Rilievo batimetrico di tutto il fiume (1996)
Modello Hec-Ras a valle di Trento (2007)
40
Verona
Porto Fossone
Resia
Trento
Boara Pisani
portate liquide giornaliere e mensili delfiume Adige misurate a:Ponte Adige (1977-2007)
Bronzolo (1957-2007)
Trento (1923-2008)
Boara Pisani (1923-2005)
portate liquide giornaliere degliaffluenti misurate a:Saltusio (Passirio) (1993-2007)
Isarco (Bolzano Sud) (2003-2008)
Le portate di Avisio e Chiampo-Alponesono stimate in base alla superficie del loro bacino
Bolzano
Mezzolombardo (Noce) (1986-2008)Albaredo d'Adige
Avisio
IDROLOGIA
Noce
Chi
ampo
-Al
pone
Pass
irio
Isarc
o
41
Marlengo
Merano
Cortina d'Adige
Salorno
Zevio
GRANULOMETRIA
suddivisione in:10 classi granulometriche
4 stazioni di campionamento in Alto-Adige
2 stazioni di campionamento in Veneto
Boara Pisani
42
DATI DEFINITIVAMENTE ASSUNTI NEL MODELLO
43
TARATURA DELLA FORMULA DI TRASPORTO
Trento
Boara Pisani
44
RISULTATI DELLA TARATURA
m = 2,32
α = 0,50s = 0,80
TRENTO
tratto pedemontano (a nord di Mori)
(Gauckler – Strickler)
m = 1,54
α = 0,08s = 0,20
BOARA PISANI
tratto di pianura (a valle di Albaredo d’Adige)
(Chèzy)
deq = 25,47 mm deq = 0,24 mm
m = 2,32 m = 1,54
45
VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI ANTROPICI NEGLI AFFLUENTI
Alterazione del trasporto solido causato da:● sbarramenti a scopo idroelettrico● briglie di sistemazione
p
digatot
totattualediga SS
SBB
1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅−⋅=
tot
brigliaattualebriglia L
LII
211Variazione effettiva della pendenza
Variazione (virtuale) della larghezza dell’affluente
Alterazione della portata equivalente(in relazione ai nuovi dati)
● attività di cava
sQ−Riduzione dell’apporto solido per attività di cava
46
VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI ANTROPICI NEL CORSO PRINCIPALE
● derivazioni a scopo idropotabile, idroelettrico ed agricolo
Stabilizzazione della quota del fondo (talweg) dovuto alla presenza di:
COSTz f =Traverse (zone a fondo fisso)
Alterazione del trasporto solido causato da:● attività di cava
sQ−Riduzione dell’apporto solido per attività di cava:inserimento di un “affluente negativo”
47
PRIMI RISULTATI CON I DATI ATTUALI
depositi massimi = + 6,5 m scavi massimi = - 3,1 m
48
PRIMI RISULTATI CON I DATI ATTUALI
erosioni
depositi
dati misurati: 1954 - 1996
risultati del modello
49
),(),( ttxStxSS Δ−−=Δ
),(),(' txSTtxSS −Δ+=Δ
STTS Δ⋅ΔΔ
=Δ''
OMOGENEIZZAZIONE DEI DATI DISPONIBILI:“Macchina del Tempo”
1876 1996 2116
ΔT=120 anniα ΔT
[ ]
N
tzTtzN
i∑=
−Δ+= 1
2)()( ασscarto quadratico medio
50
CONCLUSIONI & FUTURI SVILUPPI
● Validità dell’ipotesi di moto uniforme in relazione alle dimensionidella “scatola morfologica” e della “finestra evolutiva”
● Necessità di affinamento delle conoscenze granulometrichee di trasporto solido
● Implementazione di un modulo vegetazionale
ANALOGIA FRA SEDIMENTI�& RISORSE IDRICHEDIGHE, TRAVERSE�e SERBATOI ARTIFICIALIInizioUbicazione fiume AdigeEvoluzione recente: prima ’50 (1)Evoluzione recente: prima ’50 (2)Evoluzione recente: prima ’50 (3)Evoluzione recente: dopo ’50 (1)Evoluzione recente: dopo ’50 (2)Evoluzione recente: dopo ’50 (4)Evoluzione recente: dopo ’50 (5)Cause plausibiliComplessità spazio-temporaleModellazione idro-morfodinamicaModello 1-DSemplificazioni necessarieSemplificazione eq. del motoMoto uniformeTrasporto solidoequazioni AffluentiSviluppo deltaDati disponibiliGeometriaIdrologiaGranulometriaTaratura formula di trasportoTaratura formula di trasportoGrafici di regressioneOpere antropicheOpere antropicheRisultati 1876-1996 (1)Risultati 1876-1996 (2)Macchina del TempoConclusioni