Misure su canali vegetati: taratura di un nuovo sistema di misura delle velocità istantanee e primi risultati

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1. INTRODUZIONE 
1.1 Prefazione 
La sempre più pressante utilizzazione da parte dell’uomo delle risorse naturali, la 
continua necessità di fruire di tutti gli elementi,seppur vitali, per loro natura  limitati,  
una visione sempre più tecnologica della vita hanno ormai condotto la comunità 
produttiva mondiale ad uno sfruttamento feroce di tutte le risorse disponibili. 
In particolare oggi la risorsa acqua e la salvaguardia della stessa sta diventando tema 
centrale di tutte le organizzazioni governative e produttive, delle comunità 
ambientaliste e delle amministrazioni locali. I loro sforzi sono fondamentali e vitali per 
garantire al futuro della comunità umana lo stesso fabbisogno idrico seppur  
migliorandolo e implementandolo tramite una corretta gestione e un ottica più attenta, 
meno invasiva e più conservativa. 
In particolare oggi ci si domanda quali possano essere le soluzione tecnologiche per 
una corretta gestione delle  aree costiere e fluviali, non solo per poter garantire una 
salvaguardia in senso ambientalistico, ma anche per poterne sfruttare le potenzialità 
idriche, civili, industriali, ed energetiche garantendo un corretto ciclo che sia il meno 
inquinante possibile. In oltre alla luce degli accordi di Rio de Janeiro del 1992, del 
congresso di Stoccolma 1972, e nel rispetto del protocollo di Kyoto, rimandato nel 
2020, chi amministra, chi governa, chi progetta e chi costruisce (la comunità tecnica 
produttiva e la comunità scientifica) non può derogare alle leggi della natura casuali la 
salvaguardia dell’ecosistema ma deve pensare in chiave futura quanto considera lo 
sfruttamento della risorsa idrica in senso stretto. 
In particolare la comunità scientifica oggi si sta occupando, in maniera sempre più 
pressante e attenta, dello studio di tutte la fenomenologie fluido dinamiche dell’acqua 
cercando non solo di interagire con essa mediante una mera fase progettuale come
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avveniva in passato, ma studiandone in maniera sempre più dettagliata i modelli fisico 
matematici che ne caratterizzano il ciclo di vita. Focalizzando in particolare su un tema 
specifico, lo studio delle correnti di moto turbolenti attraverso gli alvei a fondo 
vegetato ha preso sempre più forma ed importanza nelle comunità sia tecniche che 
accademiche, in quanto una salvaguardia dell’ecosistema fluviale, il garantire il 
corretto Deflusso Minimo Fluviale e l’attenzione alle minori perdite riscontrabili 
all’interno di un sistema idrico rappresentano ormai  temi centrali per 
un’ottimizzazione e un corretto utilizzo dell’acque del globo terrestre. 
 
1.2 Studio del flusso di una corrente in un canale con fondo      
vegetato e diversi modelli di vegetazione. 
Lo studio e la caratterizzazione degli effetti che la vegetazione provoca in un corso 
d’acqua  furono oggetto delle ricerche di Chezy alla fine del XVIII secolo. 
Gli effetti della vegetazione sono i seguenti: diminuzione della velocità; innalzamento 
del pelo libero; riduzione della portata convogliata; sedimentazione del trasporto solido 
della corrente o erosione del fondo dell’alveo; conseguenze sull’utilizzo del corso 
d’acqua a fini di navigazione, balneazione, pesca.  
Questi effetti dipendono dalla distribuzione, dalle caratteristiche fisiche, dalla densità e 
dal tipo di vegetazione. Tali caratteristiche cambiano con le stagioni, ad esempio  la 
resistenza al flusso potrebbe aumentare nelle stagioni di piena. 
Molti dei primi studi sugli effetti della vegetazione erano mirati alla sola 
determinazione di un coefficiente di scabrezza, piuttosto che alla modellazione fisica o 
matematica. 
Un metodo convenzionale per la valutazione delle perdite di carico delle correnti 
vegetate era la determinazione di un valore opportuno del coefficiente di scabrezza di
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Manning “n”, il quale raggruppava tutte le cause di scabrezza di fondo, inclusa la 
presenza della vegetazione. 
Dopo innumerevoli osservazioni ed esperienze in sito venne creata una tabella in cui, 
ad ogni particolare tipologia di vegetazione, si associava un valore      numerico “n”. 
 
La vegetazione viene così classificata come una scabrezza di fondo che influenza la 
capacità di convogliare l’acqua di un canale e che causa ingenti riduzioni della 
velocità. Naturalmente gli effetti della vegetazione sono anche in funzione del tipo, 
dell’altezza e della densità della vegetazione stessa. 
È interessante notare come questo metodo di lavoro, vale a dire la ricerca del valore di 
“n” più adatto a ciascun tipo di vegetazione, sia rimasto quasi del tutto invariato fino a 
pochi decenni fa. Quindi per molto tempo non è stato svolto uno studio dell’ 
interazione tra vegetazione e corrente dal punto di vista di come la presenza della 
vegetazione alteri le caratteristiche delle turbolenza della corrente.
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Al contrario, negli ultimi anni, grazie allo sviluppo di nuove tecniche di ricerca 
sperimentali e numeriche inerenti l’idrodinamica ed agli studi riguardanti le interazioni 
tra correnti aeriformi e vegetazione terrestre, l’approccio empirico allo studio delle 
interazioni tra correnti fluide e vegetazione di fondo è stato sostituito da un approccio 
più fisico. 
Di conseguenza, studi di carattere teorico-sperimentale hanno analizzato le interazioni 
tra correnti fluide e vegetazione di fondo, allo scopo di definire relazioni tra la 
resistenza al moto causata dalla presenza della vegetazione di fondo e le principali 
grandezze della turbolenza, tra le quali l’andamento delle velocità medie locali. 
Tutti gli studi hanno evidenziato che gli effetti della vegetazione di fondo sulle 
caratteristiche della corrente sono fortemente dipendenti dalla tipologia delle 
vegetazione di fondo stessa, per cui il primo passo da fare è una opportuna 
caratterizzazione della vegetazione di fondo. 
A tale riguardo è stato osservato che la vegetazione di fondo esistente in natura può 
essere raggruppata in due diverse famiglie: vegetazione rigida, che riproduce la 
presenza di arbusti sul fondo del canale e che può essere modellata mediante cilindri di 
legno o di metallo, e vegetazione flessibile, che riproduce la presenza di erba o piante 
sul fondo del canale e che può essere modellata mediante strisce di plastica o piantine 
naturali.
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2. SCOPO DELLA TESI 
Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale si pone come prosieguo del lavoro di tesi 
triennale sviluppato dallo scrivente. Infatti la tematica di fondo è ancora quella dello 
studio delle interazioni tra la corrente defluente ed il fondo vegetato, il canale 
sperimentale utilizzato allo scopo è quello già utilizzato dallo scrivente ma sono stati 
modificati sia il sistema di processamento del segnale di misura, sia il modello di 
vegetazione. In particolare, il nuovo sistema di processamento del segnale di misura è 
costituito da un Real Time Signal Analyzer, ed il nuovo modello di vegetazione è 
costituito da cilindri rigidi alti 4.5 cm disposti secondo maglie quadrate. 
La modifica del processamento del segnale di misura ha richiesto di svolgere, per 
prima cosa, prove di taratura dei parametri che lo caratterizzano. Dette prove sono state 
effettuate sia con il modello di vegetazione utilizzato per lo studio sviluppato nella tesi 
triennale, vale a dire cilindri rigidi alti 1.5 cm disposti secondo maglie quadrate, sia 
con un nuovo modello di vegetazione, vale a dire cilindri rigidi alti 4.5 cm, anche essi 
disposti secondo maglie quadrate. 
A valle delle suddetta taratura sono state svolte, con il nuovo modello di vegetazione, 
prove preliminari di valutazione delle distribuzioni delle principali grandezze 
statistiche della turbolenza quali velocità media locale, deviazione standard, skewness, 
kurtosis. 
Sia le prove di taratura che quelle preliminari sono state effettuate variando 
opportunamente la pendenza del canale e la portata defluente, in relazione all’altezza 
della vegetazione, in modo che non solo essa, nel corso delle prove sperimentali fosse 
sempre interamente sommersa, ma fosse anche garantito un sufficiente grado di
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riempimento. Inoltre si è avuto l’attenzione di scegliere la verticale di misura nel tratto 
del canale in cui la corrente defluiva in  moto uniforme. 
La strumentazione utilizzata è consistita in un Anemometro Laser Doppler (LDA), 
dotato di due sistemi di processamento del segnale vale a dire un primo sistema 
costituito da un Frequency Shifter accoppiato ad un Frequency Tracker ed un secondo 
sistema di processamento costituito da un Real Time Signal Analyzer (RSA).  
 
Riguardo la struttura finale della tesi, essa può essere divisa nei seguenti capitoli: 
 Capitolo 1, nel quale viene introdotta la problematica affrontata nella tesi. 
 Capitolo 2, nel quale viene illustrato in maggiore dettaglio lo scopo della tesi. 
 Capitolo 3, nel quale vengono brevemente illustrati i risultati della tesi triennale. 
 Capitolo 4, nel quale viene descritto l’impianto sperimentale ed il modello di 
vegetazione che sono stati utilizzati nel corso delle sperimentazioni. 
 Capitolo 5, nel quale viene descritta la strumentazione utilizzata per effettuare le 
misure delle velocità istantanee della corrente. 
 Capitolo 6, nel quale vengono descritte le indagini sperimentali svolte ed i 
risultati ottenuti al termine delle sperimentazioni. 
 Capitolo 7, nel quale vengono illustrate le conclusioni alle quali si è giunti al 
termine del lavoro della tesi.