4 DINAMICA FLUVIALE. 4.1 Processi fluviali Erosione. 4 Dinamica fluviale

Transcript

1 4 DINAMICA FLUVIALE 4.1 Processi fluviali Un sistema fluviale può essere idealmente suddiviso in tre parti (SCHUMM, 1977) (Fig.4.1). La zona 1 rappresenta la parte più a monte del bacino, nella quale prevale la produzione di sedimenti. La zona 2 è caratterizzata prevalentemente dal trasporto di sedimenti, da parte del corso d acqua principale del bacino idrografico, verso valle: idealmente si può immaginare che in tale tratto del sistema fluviale esista un bilancio tra materiale proveniente da monte e materiale trasportato verso valle. La zona 3 costituisce la porzione terminale del bacino idrografico (ad esempio il sistema deltizio) e rappresenta l area di deposizione. Fig.4.1 Sistema fluviale idealizzato (SCHUMM, 1977). Fig.4.2 Zone di produzione, trasporto e sedimentazione. Nel tratto in cui attraversa il fondovalle alluvionale (zona 2), il fiume può essere paragonato in un certo senso ad un nastro trasportatore (Fig.4.2) il quale convoglia il materiale prodotto nella zona 1 verso valle e rimobilizza sedimenti temporaneamente immagazzinati sotto varie forme di deposito (barre, pianura inondabile, ecc.). In questo tratto l alveo fluviale è estremamente dinamico ed i processi responsabili della sua morfologia e dinamica agiscono continuamente in combinazione tra di loro. Tali processi possono essere suddivisi in tre principali categorie: erosione, trasporto solido, sedimentazione Erosione I processi di erosione che interessano il fondo di un alveo fluviale sono determinati in primo luogo da una rimozione da parte della corrente fluviale delle particelle presenti. Tale rimozione è quindi principalmente legata allo sforzo di taglio τ esercitato dalla corrente: τ = γ w R S dove γ w è il peso di volume dell acqua, R il raggio idraulico, S la pendenza. Le condizioni di inizio del moto dei sedimenti sono controllate dalle caratteristiche idrauliche della corrente, dalle proprietà del fluido e dalle caratteristiche dei sedimenti. Per la determinazione delle condizioni di inizio del moto dei sedimenti il criterio di SHIELDS (1936) è normalmente accettato nella pratica applicativa (per il quale si rimanda all Idraulica Fluviale o ad approfondimenti successivi). Tramite tale criterio si determina uno sforzo di taglio critico τ c di inizio del moto dei sedimenti presenti sul fondo. L erosione avrà quindi inizio quando lo sforzo di taglio della corrente supera lo sforzo di taglio critico di inizio del moto dei sedimenti presenti sul fondo, cioè nella condizione in cui τ > τ c. L erosione che può interessare le sponde di un alveo fluviale comprende una più larga varietà di processi, soprattutto quando le sponde sono costituite da materiali a comportamento coesivo (Fig.4.3). Si possono in generale distinguere due principali categorie di processi di erosione che possono interessare le sponde fluviali: (1) Processi di erosione, attraverso i quali si ha rimozione e trasporto di particelle individuali o aggregati di particelle dalla superficie esterna della sponda in arretramento; 4-1

2 (2) Movimenti di massa, caratterizzati da movimenti di masse di materiale costituente la sponda in seguito all'azione della gravità. Fig.4.3 Arretramento di una sponda fluviale attraverso una combinazione di erosione dovuta alla corrente fluviale e movimenti di massa Trasporto solido Il trasporto solido dei corsi d acqua è un fenomeno funzione di numerosi fattori quali: il clima, i caratteri idraulici della corrente, la litologia, la morfologia e le dimensioni del bacino idrografico, la morfologia dell alveo fluviale, l attività umana nel bacino e lungo l alveo fluviale stesso. La conoscenza del trasporto solido di un fiume è di grande interesse per alcuni problemi di ingegneria quali ad esempio: irrigazione, produzione di energia, navigabilità e problemi territoriali come sistemazione di bacini idrografici e piani di bacino. Il trasporto solido di un corso d acqua naturale può essere schematicamente suddiviso in: 1) trasporto solido in soluzione: può rappresentare una porzione importante in corsi d acqua che drenano rocce solubili. 2) trasporto solido per fluitazione (o flottazione): è costituito prevalentemente da materiali vegetali galleggianti, a seguito dello sradicamento di arbusti e di tronchi da parte della corrente. In particolari condizioni climatiche possono essere trasportati blocchi e frammenti di ghiaccio. Il trasporto di materiali vegetali può essere causa di ostruzioni parziali o totali delle luci dei ponti o di altri manufatti, causando un innalzamento del pelo libero a monte dell ostruzione per effetto di rigurgito, che può determinare esondazioni delle portate di piena. 3) trasporto solido in sospensione: per molti fiumi costituisce la frazione più importante del trasporto solido totale. Questo tipo di trasporto solido è utilmente suddivisibile in due porzioni: il wash load e il trasporto in sospensione vero e proprio. Il primo rappresenta la porzione più fine del trasporto in sospensione (diametro inferiore a mm, cioè a partire dal limo), che ha origine dai versanti durante un periodo piovoso e si muove direttamente fino alle zone di sedimentazione (quali laghi, zone palustri o mare), senza intervenire nella dinamica dell alveo. Il trasporto in sospensione vero e proprio al contrario può essere sedimentato nell alveo stesso in zone o in periodi di minore capacità di trasporto della corrente. 4) trasporto solido al fondo: è costituito dai sedimenti che si muovono sul fondo o a bassa distanza da questo per saltazione, rotolamento, trascinamento, ecc., come elementi singoli o come movimento generalizzato di tutti i granuli di ogni dimensione. 5) flusso di detriti e di fango: si tratta del movimento di una massa di detriti o di fango che, completamente imbevuta di acqua, si muove comportandosi essa stessa come un fluido Misura del trasporto solido in sospensione La portata solida in un determinato istante non è uniformemente distribuita nella sezione, ma varia da punto a punto e in ogni punto fluttua nel tempo. Le variazioni di concentrazione sulla verticale sono generalmente più accentuate che in senso trasversale. Infatti le diverse granulometrie tendono a distribuirsi in modo diverso lungo la verticale: le particelle più fini, dal campo delle argille fino ai limi, hanno generalmente una concentrazione quasi uniforme; quelle più grossolane presentano concentrazioni crescenti verso il fondo (Fig.4.4). 4-2

3 Fig Concentrazione dei sedimenti trasportati in sospensione: variazioni sulla verticale in funzione delle diverse classi granulometriche (Fiume Missouri). Fig Variazioni della velocità della corrente, della concentrazione di sedimenti e della portata solida in una generica sezione. Per la misura del trasporto solido in sospensione si utilizzano in genere campionatori costituiti da bottiglie di forma opportuna, posizionate a diverse altezze in corrispondenza di diverse verticali della sezione liquida. Misurata la concentrazione C delle particelle solide contenute in ogni campione raccolto, si può poi calcolare per integrazione la portata solida trasportata in sospensione. A tal fine ci si basa sull ipotesi che l acqua e le particelle solide si muovano alla medesima velocità. Ciò non è sempre vero, in particolare in prossimità del fondo. Uno schema inerente la distribuzione della velocità della corrente, della concentrazione del materiale in sospensione e della portata solida è riportato in Fig.4.5. Per ottenere valutazioni attendibili, la presenza del campionatore deve alterare poco la configurazione della corrente e deve consentire una misura prolungata per un tempo idoneo ad ottenere una media significativa tra i valori istantanei. Si definisce efficienza di campionamento il rapporto tra quantità di materiale campionato e quantità di materiale che sarebbe transitato in assenza dello strumento campionatore. Tale efficienza deve mantenersi prossima ad 1; essa scende invece significativamente sotto il valore unitario (cioè il materiale misurato è inferiore a quello che sarebbe transitato senza il campionatore) quando il grado di riempimento dello strumento raggiunge valori del 30-40%. 4-3

4 Campionatore a singolo stadio. Campionatore a bottiglia Fig Campionatori per la misura del trasporto solido in sospensione. I principali tipi di campionatori sono: a) campionatori a bottiglia: sono costituiti da un boccaglio di presa d acqua collegato con un contenitore per il prelevamento del campione (Fig.4.6). E necessario che la velocità di entrata della corrente nel boccaglio si mantenga molto vicina a quella che ci sarebbe in quel punto in assenza di campionatore. Tali campionatori variano per dimensioni e per metodi di misura, e richiedono in tutti i casi uno o più operatori. b) campionatori separatori: hanno un campo di utilizzo simile ai precedenti ma sono basati sulla separazione diretta del materiale sospeso dall acqua nel momento stesso del campionamento. Il funzionamento consiste nel convogliare attraverso un boccaglio acqua e sedimenti in una camera di sedimentazione o in un recipiente filtrante dai quali l acqua fuoriesce priva di sedimenti rimanendo questi intrappolati. c) campionatori autonomi: sono invece quelli capaci di recuperare il campione in assenza di operatore. Possono essere fissati ad una determinata altezza dal fondo in condizioni di magra, ed effettuare un singolo campionamento durante la fase ascendente della piena (campionatori a singolo stadio, Fig.4.6). Usati in batteria su di una verticale è possibile campionare per diverse altezze d acqua. Esistono inoltre campionatori aspiranti, basati su un sistema di aspirazione costituito da una pompa o da recipienti sotto vuoto, da un boccaglio di prelevamento generalmente mantenuto fisso in un punto della sezione, da una serie di bottiglie per il campionamento di ogni singolo campione. d) misuratori indiretti: un altro approccio per la misura del trasporto solido in sospensione consiste nella misura della attenuazione di uno o più segnali dovuta alla presenza dei sedimenti nell acqua interposti tra la sorgente e il ricevitore del segnale. Si possono basare sull attenuazione di una sorgente di luce, di ultrasuoni o di raggi γ Misura del trasporto solido al fondo Per la misura del trasporto solido al fondo vengono generalmente usati campionatori composti da contenitori nei quali si accumula il sedimento, collegati ad un timone destinato ad orientare la bocca d ingresso controcorrente. Misurando la quantità di materiale entrata nel contenitore in un prefissato tempo, si ricava il valore medio della portata solida nel punto di misura. Ripetendo la misura in punti diversi del fondo della sezione, si può risalire alla valutazione dell intera portata solida al fondo. Numerosi sono i problemi relativi a questo tipo di misura: alle difficoltà comuni alla misura del trasporto in sospensione, si aggiunge il fatto che lo strumento misuratore può interferire con il fondo stesso causando un disturbo localizzato che falsa sostanzialmente il dato misurato. Le difficoltà della misura aumentano con le dimensioni dei sedimenti dell alveo e di quelli trasportati. Con tutte le limitazioni prima accennate, il trasporto solido al fondo può essere misurato con diversi tipi di strumenti: a) campionatori a canestro (Fig.4.7): con efficienza pari al 40-50% in funzione del grado di riempimento del contenitore. b) campionatori a trappola con setti (Fig.4.7): consistono in una piastra rigida tipo vassoio fornito di setti trasversali tra i quali sedimenta il materiale che si muove sul fondo. c) campionatori a pressione differenziale: sono progettati con la bocca di presa tale che la velocità di entrata si mantenga approssimativamente uguale alla velocità della corrente, pertanto presentano una efficienza relativamente elevata rispetto agli altri tipi di campionatori. Il campionatore Helley-Smith è quello più largamente utilizzato (Fig.4.7). d) misuratori indiretti: anche per il trasporto al fondo esistono metodi basati sull attenuazione di uno o più segnali dovuta alla presenza dei sedimenti. Infine esistono stazioni di misura fisse, consistenti in trappole o strutture fisse inserite nell alveo per recuperare una parte o tutto il materiale trasportato durante un evento. 4-4

5 Fig Campionatori per il trasporto solido al fondo Sedimentazione Si possono schematicamente distinguere processi di sedimentazione laterale e di sedimentazione verticale, anche se spesso essi in genere agiscono in combinazione. La sedimentazione laterale è quella legata alla migrazione delle barre nei canali attivi, nei sistemi a canali intrecciati, o al tipico processo di accrescimento della barra di meandro nei sistemi meandriformi. La sedimentazione verticale è quella dovuta a tracimazione (overbank), la quale determina una progressiva accrezione verticale del prisma alluvionale, il cui tasso dipende da numerosi fattori quali la produzione di sedimenti nel bacino, il tasso di subsidenza, le variazioni climatiche e del livello marino. Fig Sottoambienti e depositi fluviali (da RICCI LUCCHI, 1980). A: corso a canali intrecciati; B: corso meandriforme. 1: alluvium più antico; 2: argine naturale; 3: barra; 3 : sommità di barra: cordoni e solchi; 4: piana inondabile; 5: lingua o ventaglio di rotta; 6: pavimento residuale o fondo canale (lag). 7. canale abbandonato. Sedimentazione laterale: dovuta a migrazione delle barre nei canali attivi (3). Sedimentazione verticale: dovuta a tracimazione o overbank (2, 3, 4, 5) o riempimento di canali morti. All interno della pianura alluvionale si possono distinguere vari sottoambienti, caratterizzati da diversi processi di tracimazione che originano tipi differenti di depositi fluviali (Fig.4.8): a) depositi di argine naturale: sono corpi sedimentari formati prevalentemente da sabbie fini o limi sabbiosi, con sezione triangolare asimmetrica, con pendenza forte verso l interno del canale e più dolce verso la pianura. b) depositi di rotta o crevasse: sono originati da tracimazione nella pianura e presentano in genere forma di lobo, lingua o ventaglio, come un piccolo delta o una conoide. c) depositi di piana inondabile: sono i materiali più fini del sistema (limo e argilla di decantazione, con rare intercalazioni più sabbiose). d) depositi di canale abbandonato: sono dovuti all abbandono ed al riempimento di canali, e sono prevalentemente formati da limo e argilla ricchi di sostanza organica, con rare intercalazioni sabbiose. 4-5

6 4.2 Forme fluviali Gli alvei naturali possono innanzitutto essere schematicamente suddivisi in: 1) alvei a fondo fisso, incisi in roccia massiva, pressocchè privi di sedimenti, esclusi grandi blocchi che invadono l'alveo; 2) alvei a fondo mobile, incisi in sedimenti incoerenti o poco coerenti con sponde dello stesso materiale o roccia massiva. Nel primo gruppo sono compresi tutti gli alvei che, essendo interessati da correnti con elevata energia, sono capaci di smaltire tutti i sedimenti via via che questi raggiungono l'alveo o che in esso si accumulano. Si tratta generalmente di alvei in zone montane con forti pendenze, in erosione più o meno accentuata a seconda delle caratteristiche geomorfologiche, climatologiche e litologiche. Gli alvei principali di un bacino idrografico rientrano invece nel secondo gruppo: in essi i sedimenti presenti in alveo, o nella pianura alluvionale in cui questo è inciso, possono essere trasportati costituendo essi stessi una sorgente di sedimenti che si somma a quella dei versanti; al contrario l'alveo può consentire la sedimentazione di materiale proveniente da monte. La mobilità dei materiali costituenti l'alveo consente a questo una maggiore variabilità planimetrica e del profilo altimetrico Forme fluviali in alvei a fondo mobile Se si considera un tratto di limitata lunghezza di un alveo fluviale a fondo mobile, si possono distinguere varie superfici geomorfologiche, poste a quote topografiche differenti in relazione alla frequenza con cui esse sono soggette all azione della corrente (Fig.4.9). Fig Blocco diagramma in cui sono rappresentate le principali forme fluviali. 1: Substrato roccioso; 2: depositi alluvionali; AB: sponde di piattaforma di canale (channel shelf); AS: piattaforma di canale (channel shelf); CB: canale (channel bed); DB: barra depositionale (depositional bar); FB: sponda di pianura inondabile (flood plain bank); FP: pianura inondabile (flood plain); HL: versanti (hillslopes); T l : terrazzo inferiore (lower terrace); T u : terrazzo superiore (upper terrace). a) Canale: in un fiume perenne è quella parte dell alveo che risulta totalmente o parzialmente ricoperta di acqua per la maggior parte delle portate che interessano il fiume. b) Barre: sono incluse nell alveo attivo e rappresentano le superfici fluviali topograficamente più basse, leggermente al di sopra del canale. Si possono distinguere vari tipi di barre (Fig.4.10). Alcuni tipi sono caratteristici di una determinata morfologia. Le barre laterali sono in genere caratteristiche di alvei rettilinei o a bassa sinuosità, dove si alternano in sponda destra e sinistra. Quando la sinuosità dell'alveo cresce, tendono a formarsi barre di meandro nella parte interna delle curve. Le barre longitudinali sono invece tipiche di alvei a canali intrecciati. c) Pianura inondabile (floodplain): è una superficie pianeggiante costruita dal fiume in determinate condizioni climatiche, che in genere viene inondata mediamente una volta ogni 1-3 anni. Il livello idrometrico in grado di raggiungere la pianura inondabile è definito livello ad alveo pieno (bankfull stage), a cui corrisponde la cosiddetta portata ad alveo pieno (bankfull discharge). In molti casi le aree che soddisfano la definizione di pianura inondabile rappresentano solo una piccola porzione di fondovalle nelle immediate adiacenze dell alveo. In alcuni alvei possono essere presenti forme di transizione tra barre e pianura inondabile (channel shelf). d) Terrazzo: a causa di variazioni climatiche o di modificazioni indotte dall attività umana, il fiume può variare la sua posizione altimetrica, costruendo progressivamente una nuova pianura inondabile adattata alla nuova quota del fondo. 4-6

7 La pianura precedente abbandonata prende il nome di terrazzo: esso in alcuni casi può essere ancora inondato ma per tempi di ritorno superiori ai 3 anni. e) Sponde: sono costituite da superfici con una certa inclinazione o da vere e proprie scarpate che separano tra di loro due delle forme definite prima. Esse possono essere schematicamente suddivise in sponde basse e sponde alte, a seconda del dislivello tra le diverse superfici fluviali che separano. Le sponde basse sono ad esempio caratteristiche di situazioni in accrescimento come sulla parte interna di un meandro; le sponde alte possono invece essere caratteristiche di situazioni di erosione come nel corrispondente lato esterno del meandro, dove la sponda raccorda direttamente il canale con la pianura inondabile o con il terrazzo. Fig Tipi di barre: 1.barre laterali; 2.barre di meandro; 3.barre di giunzione o di confluenza; 4.barre longitudinali; 5.barre a losanga; 6.barre diagonali; 7.onde di sabbia, barre linguoidi o dune. E possibile distinguere altri tipi di forme che caratterizzano la configurazione planimetrica ed altimetrica di un alveo fluviale. Fig Schema di una sequenza riffle - pool. f) Sequenze riffle e pool (Fig.4.11): rappresentano una caratteristica comune a pressocchè tutti gli alvei ghiaiosi nei quali c è una certa eterogeneità del materiale presente sul fondo. Si può infatti distinguere una alternanza più o meno regolare di tratti meno profondi (riffles) e tratti più profondi (pools), i primi caratterizzati da altezza d acqua minore e velocità della corrente maggiore e viceversa. I riffles sono caratterizzati da granulometrie più grossolane mentre la superficie dei pools può essere costituita da un più ampio fuso granulometrico, interessando materiale anche molto più fine. La distanza tra un riffle ed il successivo è in genere funzione della larghezza del canale e varia da 4 a 6 volte la larghezza stessa. g) Meandri (Fig.4.12): sono anse che si susseguono per lo più regolarmente lungo un tratto del corso d acqua. Lo spostamento dei meandri avviene attraverso l erosione fluviale che si verifica a spese della sponda esterna della curva, in corrispondenza della quale si concentrano le massime velocità della corrente. All erosione di sponda esterna si contrappone un fenomeno di sedimentazione sulla sponda interna, dove le velocità sono invece minime. L alveo nel suo insieme subisce così continui spostamenti laterali, attraverso i quali migra e costruisce la pianura inondabile. 4-7