Fiume Adige: bilancio dei sedimenti a scala di bacino

14 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE
trasporto solido misurato nelle stazioni di Trento e Boara Pisani nei due periodi 1929-1941
e 1958-1965.
Il confronto delle sezioni eseguite nel 1954 e 1996 in alcuni tratti fluviali, infine, mostra che
in quest’ultimo mezzo secolo il processo di erosione si manifesta in tutto il corso dell’Adi-
ge a valle di Verona, ad esclusione dell’estremo tratto di foce, mentre mancano ancora le
elaborazioni a monte di Verona.
Le cause, spesso fra di loro concatenate, di questa evoluzione sono state di volta in volta
attribuite a:
a) variazioni dell’apporto solido dalle pendici al reticolo fluviale, in relazione al diverso uso
del suolo ed alle opere anti-erosione e di consolidamento dei versanti realizzate nella parte
alta del bacino;
b) azione di trattenuta dei sedimenti ad opera dei serbatoi artificiali a scopo idroelettrico
realizzati a partire dal 1925 in tutto il territorio del Trentino-Alto Adige;
c) modificazione della curva di durata delle portate liquide in relazione alla suddetta uti-
lizzazione idroelettrica del bacino;
d) riduzione dei deflussi liquidi per le aumentate derivazioni irrigue, soprattutto nella parte
valliva del fiume;
e) modificazione della vegetazione fluviale nelle isole e nelle golene fluviali;
f) estrazioni di sabbia e ghiaia nelle cave poste in alveo, spesso abusive.
Sulla base delle suddette considerazioni, si è reso quindi necessario un attento studio sul-
l’evoluzione del fiume, soprattutto per quanto riguarda il suo sviluppo idromorfodinamico,
per poter prevedere adeguati interventi di contenimento delle piene o di variazione del-
l’attuale normativa per quanto attiene il rilascio di sedimenti da parte dei Gestori degli
impianti idrolettrici posti nella parte montana del bacino 1 2.
1.2 Obiettivi dello studio
Lo studio riportato in questa tesi ha come principale obiettivo un bilancio dei sedimenti
fatto a scala di bacino del fiume Adige, effettuato adottando un modello numerico idro-
morfodinamico monodimensionale a larga scala spaziale (Morimor), in modo tale da poter
trascurare le locali alterazioni dell’alveo lungo il tragitto del fiume. [5]
Per eseguire questo bilancio è necessario poter disporre di un adeguato modello, il quale
possa descrivere compiutamente il trasporto di sedimenti a diversa granulometria (dai
grossi ciottoli, alla sabbia, al limo) lungo l’intero corso del fiume Adige, dalle sorgenti al
mare, e dei suoi principali affluenti.
Su tale modello dovrà anche essere ricostruita la serie temporale degli interventi (consolida-
mento dei versanti, entrata in funzione dei serbatoi artificiali e degli impianti idroelettrici,
derivazioni, cave di inerti, ecc.) realizzati nelle varie zone del bacino e dovrà essere simulata
la propagazione dei relativi effetti, caratterizzata da risposte molto lente, dell’ordine dei
1D.M. 30 giugno 2004
2D.Lgs. 11 novembre 1999, n.463
1.2. OBIETTIVI DELLO STUDIO 15
decenni se non dei secoli su estensioni molto ampie.
La tesi si prefigge, come ulteriore obiettivo, quello di analizzare il diverso comportamento
del modello in base ai dati di input adottati, siano essi desunti da una cartografia nu-
merica oppure da un modello digitale del terreno (DTM). Nel caso in cui i risultati siano
somiglianti tra loro, allora si potrà desumere che il modello si possa utilizzare anche nel
caso in cui manchi una batimetria completa del corso d’acqua, essendo necessarie le sole
foto satellitari dalle quali elaborare il modello digitale del terreno.
Per analizzare il comportamento del fiume negli ultimi cinquant’anni è stato inoltre ripor-
tato un confronto tra le pendenze desunte dalle sezioni misurate nel 1954 ed nel 1996.
L’analisi matematica effettuata si prefigge la modelizzazione del comportamento attuale
del fiume Adige e la schematizzazione dello sviluppo futuro di tale corso d’acqua, adottan-
do differenti orizzonti temporali e differenti intervalli temporali di integrazione.
Questa tesi si compone fondamentalmente di due parti.
Nella parte iniziale si spiegano le caratteristiche teoriche generali del trasporto solido nei
corsi d’acqua e dei modelli matematici idromorfodinamici che possono essere adottati, dif-
ferenti in base alla scala di analisi ed alle dimensioni preponderanti.
Nello specifico, si esplicita la struttura teorica che sta alla base del codice matematico
idromorfodinamico monodimensionale Morimor, utilizzato per modellizzare l’evoluzione
del corso d’acqua in analisi.
Nella seconda parte, più propriamente inerente allo studio specifico del fiume Adige, ven-
gono individuate ed analizzate le caratteristiche morfologiche ed idrodinamiche del corso
d’acqua, viene fatto il confronto tra i diversi dati a disposizione e viene fatta una prima
modellizzazione numerica dello sviluppo del fiume, con un’analisi dei dati di input del mod-
ello.
Nella parte conclusiva vengono riportati alcuni risultati delle varie elaborazioni numerice
fatte con le diverse ipotesi, con un’adeguata esplicitazione e discussione, corredata anche
da alcuni grafici.
Si intende sottolineare, da subito, come i risultati riportati in questa trattazione siano solo
preliminari, in quanto l’intero studio del fiume Adige è da perfezionare sotto vari punti di
vista, come esplicitato nei relativi capitoli.
16 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE
Capitolo 2
Trasporto solido
2.1 Introduzione al trasporto solido
Il fondo e le sponde di gran parte dei corpi idrici naturali, in particolare dei corsi d’acqua,
delle lagune e degli oceani, sono costituiti principalmente da materiali sedimentari privi o
solo parzialmente dotati di coesione tra i grani.
L’azione del fluido può perciò condurre al distacco delle particelle, al loro trasporto idro-
dinamico ed alla successiva erosione. La capacità di descivere la meccanica del trasporto
solido costituisce uno strumento fondamentale per lo sudio dei corsi d’acqua e della loro
evoluzione.
I sedimenti prendono origine dalla decomposizione delle rocce a causa di agenti chimici
(atmosfera), agenti meccanici (gelo-disgelo) ed agenti di natura organica (vegetazione).
La produzione di sedimenti all’interno di un bacino è quindi un processo naturale, la cui
intensità risulta funzione delle caratteristiche della zona di origine (clima, precipitazioni,
ecc.), ma tale processo potrebbe essere alterato anche da effetti antropici (attività agricole,
minerarie, sistemazioni fluviali, ecc.).
Oggetto di questo capitolo è l’esposizione di alcune nozioni di base sulla meccanica del
trasporto di sedimenti nelle correnti a superficie libera, quali i corsi d’acqua naturali.
L’obiettivo perseguito è quindi quello di consentire la determinazione delle condizioni in
cui la corrente risulta in grado di mobilitare i sedimenti fluviali, con un’analisi dei diver-
si modi in cui tali sedimenti possono essere trasportati dal fluido, al fine di operare una
classificazione necessaria alla stima della portata solida totale (di fondo ed in sospensione)
associata a date condizioni idrodinamiche della corrente.
17
18 CAPITOLO 2. TRASPORTO SOLIDO
2.2 Tipi di erosione
In base all’estensione prevalente della superficie interessata, il processo di erosione può aver
lungo in tre forme fondamentali: di massa, di supeficie oppure lineare.
Ogni fenomeno di erosione è legato alle caratteristiche dell’ambiente circostante ed al-
l’idrologia in esame.
2.2.1 Erosione di massa
L’erosione di massa, o di volume, prende corpo dal passaggio di ingenti quantità di fluido
su superfici a forte pendenza, anche nel caso in cui sia presente vegetazione.
Questo fenomeno corrisponde al distacco dei sedimenti dalla loro posizione naturale sotto
forma di frane, quando le forze resistenti (coesione e frizione) divengono minori delle forze
attive (gravità).
Le frane sono una fonte molto importante di materiale solido nei corsi d’acqua, soprattutto
in ambiente montano, dove la copertura vegetale è minore e quindi l’erosione risulta facil-
itata.
Le colate detritiche (debris flows) e di fango sono delle forme intermedie tra l’erosione di
massa ed il trasporto lineare, le quali richiedono una pendenza relativamente debole per
innescarsi ed una buona quantità di acqua per fluidificarsi.
Anche il crollo degli argini fluviali può essere considerato alla stregua di un’erosione di
volume, in quanto anch’esso è controllato dalla frizione, dalla coesione, dalla pendenza e
dal grado di saturazione del terreno. In questo caso l’innesco del fenomeno è provocato
da un’erosione al piede dell’argine (heaving) o dall’asportazione del materiale per azione
dell’acqua con creazione di vie preferenziali (piping) per il passaggio dell’acqua. [2]
2.2.2 Erosione di superficie
L’erosione di superficie si sviluppa in due dimensioni e si può meglio intendere come un
fenomeno di erosione intermedio tra un ruscellamento ed un’erosione di un burrone.
Questo fenomeno è la sorgente più importante di sedimenti nel caso in cui la vegetazione
non è sufficiente a garantire un’adeguata copertura al terreno in caso di pioggia.
Tale considerazione permette di capire come l’erosione di superficie sia maggiore in caso
di antropizzazione del territorio, in quanto la creazione di campi coltivati diminuisce la
copertura vegetale del terreno.
2.2. TIPI DI EROSIONE 19
2.2.3 Erosione lineare
Il trasporto lineare segue prevalentemente una direzione, cioè il sedimento viene trasportato
dal fluido longitudinalmente, e quindi tale processo risulta preponderante nel caso di fiumi
e canali.
Dato che i fenomeni coinvolti nello sviluppo del fiume Adige rientrano nel caso di erosione
lineare, si rimanda ai successivi capitoli per una descrizione più dettagliata dei diversi
meccanismi di trasporto coinvolti.
20 CAPITOLO 2. TRASPORTO SOLIDO
2.3 Meccanismi di trasporto dei sedimenti
Al fine di identificare i differenti meccanismi di trasporto dei sedimenti, si consideri una
corrente uniforme a superficie libera (fiume) che sollecita un fondo granulare piano (o a
debole pendenza).
Posto che il diametro dei sedimenti sia uniforme e sufficientemente grande (maggiore di
qualche mm) ed inoltre che la larghezza del canale non sia troppo grande rispetto alla
profondità della corrente fluviale (minore di alcune volte la profondità), il fondo mobile si
mantiene all’incirca pianeggiante. [33]
In altri termini, non si sviluppano sul fondo quelle perturbazioni, nella forma di onde di
sedimenti, che si osservano se i sedimenti sono sufficientemente fini e/o l’alveo stesso è
sufficientemente largo (ripples, dune, ecc.), classificate da Albertson (1958) (Fig 2.1). [7]
Figura 2.1: Classificazione delle forme di fondo secondo Albertson.
Supponiamo ora che la corrente venga sollecitata da portate liquide via via crescenti.
Queste richiedono crescenti valori di profondità della corrente (e quindi del raggio idraulico)
ed, a parità di pendenza del fondo dell’alveo, danno luogo a valori crescenti della tensione
tangenziale media agente sul fondo incoerente τ 0.
2.3. MECCANISMI DI TRASPORTO DEI SEDIMENTI 21
É allora possibile operare un’analisi della casistica che si verifica all’aumentare della ten-
sione tangenziale τ 0.
2.3.1 Fondo granulare immobile
Posto che la tensione media agente sul sedimento non ecceda un valore critico τ cr , dipen-
dente dalle caratteristiche della particella (diametro, densità relativa, forma) e del fluido
(viscosità cinematica), ma anche dall’assetto geometrico delle particelle nel letto granulare,
il fondo alveo permane immobile (Fig. 2.2) [33].
τ0 < τcr (2.1)
Figura 2.2: Corrente uniforme che sollecita un fondo granulare stabile.
2.3.2 Trasporto di fondo (bedload transport)
Se la tensione τ 0 eccede il valore critico di tensione τ cr, ma si mantiene comunque inferiore
ad un secondo valore di soglia τ s, particelle del fondo singole oppure aggregati di particelle
vengono mobilitati dalla corrente (in modo intermittente nello spazio e nel tempo) e sono
trasportate in prossimità del fondo per rotolamento, slittamento o saltellamento.
Tali particelle di sedimento si arrestano dopo un percorso di lunghezza pari a qualche
centinaio di diametri della particella.
In questa tipologia di trasporto le particelle non sfuggono da uno strato adiacente il fondo
di spessore pari a circa 2-3 volte il diametro, donde la denominazione di trasporto di fondo
(Fig. 2.3) [33].
τcr < τ0 < τs (2.2)