Classificazione di Montgomery & Buffington

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1 Infine gli steps possono essere presenti anche come strutture individuali (a differenza con quelli più o meno alternate alle pools). Possono essere di vari tipi: costituiti da affioramenti rocciosi (rock steps), da grossi blocchi (boulder steps), o da tronchi di alberi ribaltati e disposti trasversalmente alla corrente (log steps) Classificazione di Montgomery & Buffington La classificazione di Montgomery & Buffington (1997) prevede le seguenti unità morfologiche: Rapida (cascade) Step pool Letto piano (plane bed) Riffle pool Dune ripple Fig Unità morfologiche tipiche dei torrenti montani, secondo la classificazione di Montgomery & Buffington (1997): (A) rapida; (B) step pool; (C) letto piano; (D) riffle pool; (E) dune ripple. A) Rapida. Con l espressione rapida, o cascade secondo la terminologia di Montgomery & Buffington (1997), si intende un tratto caratterizzato da una corrente a velocità sostenuta, flusso a getto e a separazione di corrente (tumbling flow e jet and wake flow) sopra o attorno ai clasti. Le rapide sono generalmente presenti in tratti di corsi d acqua con pendenze accentuate, con un alveo confinato e con una certa disorganizzazione trasversale e longitudinale del materiale lapideo. B) Step pool. In molti corsi d acqua montani, con un gradiente superiore al 2-3 % e una granulometria in alveo molto assortita, le riffle si accorciano, dando luogo ad una unità morfologica a gradino denominata step. Gli step sono costituiti da un gruppo di massi fortemente incastrati tra loro e posti di traverso rispetto alla corrente. Lo spazio tra uno step ed il successivo è occupato dalle pool che sono composte da materiale più fine. C) Letto piano. Il termine letto piano (plane bed) è utilizzato per indicare dei tratti d alveo con un profilo longitudinale regolare e senza brusche variazioni altimetriche. Quest unità morfologica può essere osservata sia nei torrenti montani che nei corsi d acqua di pianura. I letti piani si differenziano morfologicamente sia dagli step pool che dai riffe pool per una mancanza di una successione ritmica delle forme di fondo. D) Riffle pool. Un aspetto morfologico di molti corsi d acqua è rappresentato dalla successione di tratti a pendenza più sostenuta e profondità della corrente modeste (riffle) con tratti a profilo più piatto e profondità più elevate (pool). E) Dune ripple. I corsi d acqua con un basso gradiente e con materiale d alveo costituito prevalentemente da sabbia possono sviluppare una morfologia a dune ripple, ossia delle piccole dune o increspature del fondo. Anche un canale con un fondo in ghiaia, durante un evento di portata estremo, può sviluppare delle forme di fondo riconducibili alla morfologia a dune ripple. 4-15

2 Altre morfologie Alle cinque principali morfologie definite secondo la classificazione di Montgomery & Buffington (1997), si possono aggiungere altre morfologie: tratti colluviali, tratti in roccia e morfologie imposte. F) Tratti colluviali. I cosiddetti tratti colluviali (colluvial) si distinguono dalle tipologie precedenti per la presenza di materiale alluvionale fine. Appartengono ad alvei di ordine gerarchicamente inferiore (aste di primo ordine) e rappresentano i tratti di testata del reticolo idrografico. Hanno generalmente dimensioni molto ridotte e si formano su depositi colluviali e di versante. La loro attività di trasporto solido è tipicamente intermittente e impulsiva; essi possono pertanto essere assimilati anche a forme incipienti di gullies. G) Tratti in roccia. I tratti in roccia sono contraddistinti dall assenza, in modo continuo, di un letto alluvionale. Sebbene limitate quantità di materiale possano essere momentaneamente accumulate nelle occasionali buche o a monte di locali ostruzioni della corrente, il volume di sedimenti è nel complesso limitato o assente. H) Morfologie imposte. Le ostruzioni della corrente possono forzare la morfologia di un tratto di canale, in modo da differenziarla da quella formatasi naturalmente in una condizione analoga di rifornimento di sedimenti e di capacità di trasporto. Nelle regioni boscate, per esempio, i bacini idrografici dispongono di una larga quantità di materiale vegetale; questo può favorire la creazione di particolari morfologie. I riffle pool e gli step pool sono le più frequenti morfologie imposte da ostruzioni nei bacini montani forestali. Una morfologia a riffle pool può formarsi a seguito di una ostruzione prodotta da materiale vegetale, mentre una sequenza step pool può essere generata da detriti di grosse dimensioni (tronchi) posti trasversalmente al corso d acqua (log steps). 4.4 Variazioni altimetriche in alvei a fondo mobile Scala temporale Durante un lungo intervallo di tempo (cyclic time), un bacino idrografico o parte di esso può essere considerato come un sistema soggetto ad un progressivo abbassamento del rilevo (ciclo di erosione); tuttavia se si considera un intervallo di tempo più breve, dell ordine delle decine o al massimo delle centinaia di anni (graded time, MACKIN, 1948), i processi di autoregolazione diventano importanti e le componenti del sistema possono essere considerate in una condizione di equilibrio dinamico (Fig.4.25). Durante un intervallo di tempo ancora più breve può esistere una condizione stazionaria (steady time). Pertanto, il concetto di equilibrio varia a seconda della scala temporale di riferimento (SCHUMM & LICHTY, 1965): in funzione dell intervallo di tempo preso in considerazione, le forme fluviali possono essere considerate come appartenenti ad uno stadio di un lungo ciclo di erosione o ad una condizione di equilibrio dinamico. La scala temporale a cui comunemente si fa riferimento nel campo della geomorfologia fluviale applicata, in particolare nello studio delle variazioni altimetriche indotte da disturbi antropici, è la media scala temporale (graded time) Aggiustamenti morfologici del fondo in un alveo fluviale Una proprietà fondamentale che caratterizza la morfologia e la dinamica di un alveo fluviale a fondo mobile è quella di variare continuamente la propria forma nello spazio e nel tempo adattandosi al regime delle portate liquide e del trasporto solido, a loro volta funzione di una serie di fenomeni che avvengono a scala di bacino idrografico. L interazione tra queste due principali variabili, portate liquide e solide, con le condizioni al contorno, rappresentate principalmente dalla morfologia della valle, dalle caratteristiche del materiale che costituisce il letto e le sponde e dalla vegetazione riparia, determinano la forma dell alveo, in termini di geometria delle sezioni trasversali, del profilo longitudinale e di forma planimetrica (Fig.4.26). Il fiume si assesta intorno ad una condizione di equilibrio dinamico (equivalente al concetto di regime usato nell idraulica fluviale), nel senso che, pur eventualmente modificando leggermente il tracciato attraverso i processi di erosione e sedimentazione che ne regolano la dinamica, mantiene mediamente invariata la propria geometria nella scala temporale di riferimento (dell ordine degli anni o delle decine di anni). 4-16

3 Fig.4.25 Diagramma che illustra le differenti scale temporali adoperate nel campo della Geomorfologia Fluviale (SCHUMM & LICHTY, 1965). A. Progressiva riduzione del gradiente di un corso d acqua durante una lunga scala temporale (cyclic time). Durante una piccola porzione di tale intervallo di tempo, il gradiente rimane relativamente costante. B. Oscillazioni del gradiente intorno ad un valore medio (equilibrio dinamico) durante una media scala temporale (graded time). Fig Variabili guida, condizioni al contorno e forma di un alveo fluviale. Nel momento in cui, a causa di fattori naturali o antropici (Tab.4.1), si verifica una alterazione delle variabili guida o delle condizioni al contorno o della forma stessa dell alveo, quest ultima non è più espressione di una condizione di equilibrio dinamico tra le variabili in gioco. L'alveo risponderà quindi a tali alterazioni modificando la sua morfologia, le sue caratteristiche idrauliche o il trasporto solido, attraverso una serie di complesse retroazioni, fino al raggiungimento di una nuova condizione di equilibrio dinamico. LANE (1955) ha proposto la seguente relazione, molto semplice ma particolarmente utile per un primo approccio qualitativo: Q S Q S D dove Q è la portata liquida, S la pendenza dell alveo, Q S la portata solida e D il diametro del materiale presente sul fondo. Se una delle quattro variabili considerate si modifica, le altre tre varieranno tendendo a ristabilire il bilancio espresso dall equazione (Fig.4.27). 4-17

4 Attraverso un approccio simile ma includendo più variabili (tra le quali parametri esprimenti la forma planimetrica), SCHUMM (1969) ha proposto una serie di relazioni qualitative che si riferiscono ad una casistica più ampia di possibili variazioni della portata liquida e solida (Tab.4.2). Fig Schema delle interazioni tra portate liquide e solide, pendenza, dimensione dei sedimenti, degradazione e aggradazione. FATTORI NATURALI FATTORI ANTROPICI Clima INTERVENTI IN ALVEO Geologia Tagli di meandro Tettonica Restringimenti Topografia Canalizzazioni Geomorfologia Estrazione di inerti Idrologia Dighe Geomorfologia del reticolo idrografico INTERVENTI A SCALA DI BACINO Vegetazione Disboscamenti Rimboschimenti Sistemazioni idraulico-forestali Urbanizzazione Tab Tipi di fattori che possono influire sulla dinamica evolutiva di un alveo fluviale. Per un approccio quantitativo al problema, nel campo dell Idraulica Fluviale si fa riferimento alle due seguenti grandezze: a) portata solida, che rappresenta il trasporto solido che realmente transita attraverso un determinato tratto di alveo; b) capacità di trasporto della corrente, definibile come la portata solida che potenzialmente l alveo è in grado di trasportare in un determinato tratto in base alle sue caratteristiche idrauliche, morfologiche e sedimentologiche. Esistono numerose equazioni di trasporto solido che esprimono la capacità di trasporto in funzione di diversi parametri legati alle caratteristiche idrauliche della corrente. In generale la capacità di trasporto è espressa in maniera direttamente proporzionale a grandezze quali la portata liquida, la profondità, la pendenza, la velocità, lo sforzo di taglio o la potenza della corrente (Ω = γqs), mentre risulta inversamente proporzionale al diametro dei sedimenti presenti sul fondo. Quando portata solida e capacità di trasporto della corrente si equivalgono, si instaura una condizione di equilibrio nel tratto di fiume che quindi non subisce variazioni nel tempo. Se si crea invece uno squilibrio, l alveo tenderà all erosione o alla sedimentazione a seconda che la capacità di trasporto della corrente sia in eccesso o in difetto rispetto alla portata solida. 4-18

5 1a. Aumento di portata liquida (es.diversione di acqua in un fiume) Q + L + h + λ + S - Rf + 1b. Riduzione di portata liquida (es.estrazione di acqua da un fiume) Q - L - h - λ - S + Rf - 2a. Aumento di portata solida (es.disboscamenti o agricoltura intensiva) Qs + L + h - λ + S + Is - Rf + 2b. Riduzione di portata solida (es.sistemazioni idraulico-forestali) Qs - L - h + λ - S - Is + Rf - 3. Aumento di portata liquida e portata solida (es.durante la costruzione di un area urbanizzata) Q + Qs + L + h ± λ + S ± Is - Rf + 4. Riduzione di portata liquida e portata solida (es.a valle di una diga) Q - Qs - L - h ± λ - S ± Is + Rf - 5. Aumento di portata liquida e riduzione di portata solida (es.in seguito ad urbanizzazione) Q + Qs - L ± h + λ ± S - Is + Rf - 6. Riduzione di portata liquida e aumento di portata solida (es.estrazione di acqua e agricoltura intensiva) Q - Qs + L ± h - λ ± S + Is - Rf + Tab Modello qualitativo della direzione delle variazioni morfologiche di un alveo in funzione di modificazioni delle portate liquide e solide (SCHUMM, 1969). Q: Portata liquida; Qs: portata solida; L: larghezza; h: profondità; λ: lunghezza d onda dei meandri; S: pendenza; Is: indice di sinuosità; Rf: rapporto larghezza/profondità Tipi di modificazioni del fondo Per incisione o degradazione o erosione distribuita (degradation o incision o general scour) si intende un abbassamento generalizzato del fondo di un alveo per un tratto di considerevole lunghezza. L abbassamento del fondo si propaga in genere verso monte all interno di un sistema fluviale attraverso il meccanismo erosione regressiva (nickpoint migration). Tale erosione può verificarsi attraverso l arretramento di un vero e proprio scalino (nickpoint) lungo il profilo longitudinale (Fig.4.28 A), rappresentato dalla testata del canale (headcut), oppure il dislivello può essere più graduale (nickzone) e distribuito su un tratto più lungo del fondo (Fig.4.28 B). A differenza dell erosione distribuita, l erosione localizzata (local scour) interessa solo tratti limitati di alveo ed è generalmente legata a variazioni locali delle caratteristiche della corrente (Fig.4.29 A). 4-19

6 A 1 2 B 1 2 Fig.4.28 Meccanismi di erosione regressiva. A: nickpoint; B: nickzone. La sedimentazione o aggradazione o alluvionamento (aggradation) consiste al contrario in un innalzamento generalizzato del fondo di un fiume per un tratto sufficientemente lungo; anche in questo caso essa può essere distinta dalla sedimentazione localizzata (fill o local deposition). La sedimentazione localizzata è quella che si verifica ad esempio a monte di una briglia (Fig.4.29 B) o in corrispondenza di un affluente con forte trasporto solido, mentre un caso di aggradazione è quella che si manifesta a monte di una diga. A B PROFILO FINALE PROFILO ORIGINARIO Fig.4.29 Esempi di fenomeni localizzati. A: erosione a valle di una briglia; B: sedimentazione a monte di una briglia. Le conseguenze delle variazioni di quota del fondo di alvei fluviali sono molteplici. Nel caso di incisione, le principali conseguenze possono essere: a) instabilità di strutture in alveo (ponti, briglie); b) erosione regressiva lungo gli affluenti; c) instabilità delle sponde per l aumento di altezza e per l erosione alla base; d) abbassamento dei livelli freatici nella pianura adiacente; e) conseguenze su vegetazione riparia, habitat ecologici e colture nella pianura. Nel caso di sedimentazione, le principali conseguenze sono: a) danni prodotti da fenomeni di intenso trasporto solido e colate incanalate (nel caso di torrenti montani); b) riduzione della sezione idraulica e rischio di esondazione indotto; c) danni alla vegetazione riparia ed agli habitat ecologici Effetti di alcuni tipi di interventi antropici Si prendono in esame di seguito i tre principali casi di fenomeni di erosione distribuita associati ad interventi o attività antropiche Canalizzazione Si possono indicare con questo termine una serie di interventi in alveo, quali restringimento di sezione, rettifiche o tagli di meandro, che in generale comportano una riduzione della larghezza e/o della lunghezza del fiume. Da un punto di vista idraulico un restringimento dell alveo che si estende per un tratto sufficientemente lungo comporta un aumento delle portate liquide per unità di larghezza, quindi un incremento della capacità di trasporto della corrente. Essa diventa eccedente rispetto alla portata solida e causa quindi una tendenza ad una fase erosiva. Lo stesso effetto di aumento della capacità di trasporto della corrente è provocato da un taglio di meandro o in generale da un raddrizzamento del tracciato del corso d acqua che in questo modo, subendo una riduzione di lunghezza, aumenta la pendenza del fondo nel tratto rettificato. Ciò innesca una fase di abbassamento del fondo che migra progressivamente verso monte secondo il meccanismo di erosione regressiva, mentre a valle del tratto modificato si può venire a creare una condizione di sedimentazione favorita dal materiale proveniente dalla stessa erosione a monte (Fig.4.30). L erosione a monte e la sedimentazione a valle provocano quindi una modificazione del profilo longitudinale che tende a tornare nella sua configurazione premodificata. 4-20

7 TRATTO A MONTE TRATTO CON TAGLI DI MEANDRI TRATTO A VALLE INCISIONE SEDIMENTAZIONE Fig Effetti morfologici di un taglio di meandro Erosione a valle di una diga L'esistenza di un invaso si riflette attraverso due fattori che influiscono in senso opposto sul bilancio sedimentario dell'alveo fluviale a valle della diga: l annullamento del trasporto solido al fondo e la laminazione delle onde di piena, con la conseguente riduzione delle portate di picco. E' ampiamente documentato in letteratura come il primo fattore prevalga sul secondo causando quindi una fase erosiva almeno immediatamente a valle della diga. Facendo riferimento al bilancio sedimentario a valle della diga (Fig.4.31), la portata solida al fondo immediatamente a valle può essere considerata pressocchè nulla, pertanto l eccesso di capacità di trasporto causa un abbassamento del fondo fino ad una certa distanza dalla diga e una conseguente riduzione della pendenza fino a che, dopo un certo intervallo di tempo, non si ristabiliscono le condizioni iniziali di equilibrio tra portata solida e capacità di trasporto. Q -, Qs - SEDIMENTAZIONE Q -, Qs - Fig Erosione a valle di una diga. Q S : Portata solida; Q: portata liquida Estrazione di materiali inerti INCISIONE Le conseguenze di una estrazione di inerti possono essere molto complesse e gli effetti possono essere risentiti sia verso monte che verso valle (Fig.4.32). L escavazione di materiale dal fondo può infatti comportare in primo luogo la formazione di una discontinuità lungo il profilo longitudinale (aumento localizzato della pendenza del fondo a causa dello scavo) che tende a migrare progressivamente verso monte causando una erosione regressiva. Nello stesso tempo, nel caso di una estrazione prolungata nel tempo, la portata solida a valle del punto di escavazione viene ad essere privata della quantità di materiale estratto, mentre la portata liquida rimane invariata. Ciò comporta eccesso di capacità di trasporto e innesca pertanto una fase erosiva che si protrae fino a che il bilancio tra portata solida proveniente da monte e capacità di trasporto dei sedimenti del tratto di fiume è ristabilita. A lungo termine il fondo degrada acquisendo una pendenza minore a valle dal punto di estrazione. 4-21

8 S + ESCAVAZIONE Qs - EROSIONE REGRESSIVA EROSIONE A VALLE DEPOSIZIONE Fig Incisione dovuta ad estrazione di inerti. 4-22