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2 INDICE 1 PREMESSA SIMULAZIONE DELLA STABILITA DEL RIPASCIMENTO GENESIS Shoreline change model Caratteristiche della forzante ondosa Calibratura del modello Simulazione dello stato di progetto MANUTENZIONE PERIODICA I

3 1 PREMESSA Il presente intervento riguarda il ripascimento con sabbia grossolana del tratto di litorale compreso nel Comune di Porto Recanati Lido delle Nazioni. Lo studio meteomarino ha definito il regime del moto ondoso sottocosta che è stato utilizzato nei calcoli come forzante di ingresso per il modello adottato. La presente relazione ha lo scopo di stimare l evoluzione temporale dell intervento di ripascimento dato il quantitativo totale del materiale da sversare ed il paraggio di intervento. L evoluzione temporale del ripascimento sarà analizzata con il modello numerico del software CEDAS sviluppato dalla U.S. Army Corps of Engineers che comprende vari moduli e tra questi il modulo GENESIS GENEralized model for SImulating Shoreline change (Hanson 1987; Hanson and Kraus 1989) per simulare variazioni a lungo termine della linea di riva dovute a variazioni temporali e spaziali del trasporto solido longitudinale. Il modello ad una linea GENESIS si basa sulle seguenti ipotesi: - Il profilo della spiaggia non cambia nel tempo: una sola linea consente di determinare la posizione dell intero profilo non viene simulata alcuna dinamica trasversale; Il profilo di spiaggia può traslare in avanti e all indietro causando di conseguenza variazioni della batimetria e dell angolo di attacco del moto ondoso rispetto alla normale alla linea di riva Il trasporto solido longitudinale varia con l altezza e con l angolo di incidenza del moto ondoso. Il modello matematico GENESIS risolve l equazione di bilancio del trasporto solido con il metodo delle differenze finite. 2

4 2 SIMULAZIONE DELLA STABILITA DEL RIPASCIMENTO La simulazione della stabilità dei ripascimenti è stata effettuata tramite il software CEDAS Vers Coastal Engineering Design Analysis System sviluppato dalla Veri-Tech, Inc. Vicksburg, MS (USA) per conto della U.S. Army Engineering Waterways Experiment Station di Vicksburg. Il CEDAS contiene una serie di moduli matematici sviluppati appositamente per affrontare problemi di ingegneria costiera e sono richiamati esplicitamente dal CEM The Coastal Engineering Manual (CEM) a cui si è fatto spesso riferimento nella presente relazione. In particolare per il calcolo della durata dei ripascimenti si è fatto uso del modulo GENESIS GENEralized model for SImulating Shoreline change (Hanson 1987; Hanson and Kraus 1989), modello numerico denominato ad una linea in quanto calcola l evoluzione nel tempo della linea di costa sotto l azione del moto ondoso in presenza di strutture quali: barriere emerse/sommerse, pennelli, ripascimenti, specificando le condizioni al contorno del sito. Il modello è anche indicato dal CEM (V 4 55). L altro modulo CEDAS utilizzato per il calcolo della forzante del moto ondoso è STWAVE modulo 2-D alle differenze finite per rappresentare l energia ondosa sotto-costa. Tale modulo necessita di un input della forzante ondosa sotto forma di spettro direzionale che lo stesso modulo CEDAS permette di costruire tramite l utilizzo dei seguenti moduli ausiliari: WWWL (Waves, Winds, Water Levels) Editor utilizzato per l importazione dei dati del moto ondoso come serie temporale con H (altezza d onda), T (periodo) e Dir (direzione di provenienza). I dati possono provenire anche da boa ondametrica posta a largo; WISPH3 (WIS PHase 3 Wave Transformation) è un modulo semplificato per la trasformazione spettrale point-to-point steady-state dei parametri ondosi a largo (H, T, theta) riportati in acqua bassa (sotto-costa). Il modulo considera i fenomeni di shoaling e di rifrazione; WSAV (Wave Station Analysis and Visualization) il modulo esegue una analisi statistica della time-history di input, permette una visualizzazione grafica dei risultati ottenuti e produce pacchetti rappresentativi di eventi ondosi da usare nella simulazione (permutazioni); SPECGEN è l applicativo che permette di generare dati compatibili con il modulo STWAVE partendo da spettri delle onde direzionali creati con WSAV. Va sottolineato che inizialmente tramite il codice ausiliario GRIDGEN è possibile costruire il modello partendo dalle batimetrie ed effettuare la successiva creazione delle griglie di calcolo per i moduli GENESIS e STWAVE. Inoltre i risultati dell elaborazione effettuata tramite il modulo STWAVE può essere visualizzata tramite l applicativo WMV (Wave Model Visualization). 3

5 2.1 GENESIS Shoreline change model Le basi teoriche del modulo GENESIS, nonostante le ipotesi su cui sono state formulate, hanno dimostrato una buona affidabilità sul calcolo della evoluzione della linea di costa. Una delle ipotesi fondamentali di tale formulazione è l assunzione della invariabilità nel tempo del profilo trasversale lungo-costa; è per questo che tale formulazione viene spesso definita come modello ad una linea. Le cause principali di cambiamento della linea di costa nella formulazione GENESIS sono il trasporto solido longitudinale e le condizioni al contorno stabilite ai due estremi del modello (BC - Boundary Conditions). Di seguito si riporta uno schema esemplificativo della formulazione matematica del modulo GENESIS: L asse X è direzionato lungo-costa secondo l andamento medio della linea di costa mentre l asse Y è direzionato verso mare. Quindi ogni punto della linea di costa è rappresentato dalle coordinate (x,y). La variazione della linea di costa è data dalla quantità Δy mentre l intervallo lungo-costa vale Δx. La forma del profilo trasversale rimane costante nel tempo e definisce un volume di sabbia degli spessori Δx e Δy compresi tra l altezza della berma d B e la profondità di chiusura d C. L equazione differenziale che governa l intero fenomeno, basata sulla conservazione del volume di sabbia totale, è la seguente: y t D B 1 D C Q x q 0 4

6 In cui ΔQ rappresenta la variazione del volume di sabbia lungo-costa e q l eventuale perdita o contributo di sabbia da sorgenti esterne. I parametri che devono essere definiti per la spiaggia emersa sono l altezza della berma rispetto al l.m.m. (W, berm crest elevation) e la sua ampiezza (B, berm width). L altezza della berma dovrebbe corrispondere alla sua altezza naturale nel sito considerato formatasi nelle condizioni di onde a bassa energia (la loro forma può essere ben misurata alla fine della stagione estiva). Un altezza inferiore rispetto a quella naturale potrebbe portare l onda a scavalcare la berma ed a produrre zone con ristagno d acqua nella parte verso terra (overtopping and ponding). La scelta di sversare il materiale sulla spiaggia emersa deriva da una convenienza economica e di fattibilità tecnica. Sappiamo infatti che nel caso di spiagge miste sabbiose - ghiaiose, la maggior parte del materiale sversato andrà a ricostruire la spiaggia sommersa e quindi, in via teorica, sarebbe più logico sversare direttamente sul profilo di equilibrio tale materiale. Dal punto di vista tecnico tale operazione sarebbe troppo onerosa (i mezzi dovrebbero lavorare in mare) e di difficile attuazione. Si preferisce quindi lasciare sulla spiaggia emersa il materiale da ripascimento, con un profilo trasversale di sversamento, in modo che i materiali raggiungeranno una loro condizione di equilibrio in funzione dell idrodinamismo e delle caratteristiche granulometriche (da Manuale per la movimentazione dei sedimenti marini Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare, pag. 47). Va però citato che tale soluzione tecnica, nei primi mesi di assestamento del materiale da ripascimento, porterà alla formazione di un gradino sulla spiaggia emersa a causa dell eccedenza di materiale (overfill) che, dal punto di vista estetico, potrebbe risultare un inconveniente per la fruizione della spiaggia. Tale gradino scomparirà naturalmente oppure, per abbreviare i tempi, potrà essere appianato con l uso di mezzi meccanici. 2.2 Caratteristiche della forzante ondosa La forzante ondosa utilizzata nel modello di elaborazione della linea di costa GENESIS proviene dai dati della boa ondametrica di Ancona (boa anc1 in posizione 2, vedi Relazione meteo-marina ): 5

7 La time-history selezionata copre un arco temporale di due anni dal 15/7/2010 al 14/7/2012 con step temporale di 0,5 ore dei dati caratteristici (altezza, periodo e direzione) delle onde a largo (profondità 70 metri). La scelta di tale arco temporale è stata dettata dall affidabilità dei dati registrati nel periodo prescelto rispetto a quelli registrati fino al Di seguito si riportano alcune elaborazioni del moto ondoso effettuate con il modulo WSAV descritto precedentemente (software CEDAS): 6

8 La figura sopra riportata mostra una analisi statistica della time-history selezionata ed evidenzia il numero di eventi divisi per bande di appartenenza secondo le due variabili periodo e direzione di provenienza delle onde. Le bande selezionate per elaborare gli eventi sono di seguito riportate: La direzione delle onde è riferita al sistema di riferimento locale che considera 0 le onde perpendicolari alla costa. 7

9 Di seguito si riporta invece il diagramma a blocchi delle tre caratteristiche principali delle onde della time-history selezionata divise secondo i limiti delle bande pre-impostati. Anche in questo caso vengono presi in considerazione il numero di eventi: 8

10 L ultima figura desunta dalle elaborazioni statistiche effettuate dal modulo WSAV del CEDAS riguarda il conteggio degli eventi della time-history distribuiti secondo direzione e altezza in un diagramma a rosa (la direzione 0 è quella riferita alla perpendicolare alla linea di costa). Anche in questo caso si può notare la maggiore concentrazione degli eventi intorno alle due direzioni 320 e 70 : 9

11 Tramite le elaborazioni statistiche, il modulo WSAV è in grado di produrre una serie di permutazioni degli eventi significativi della time-history selezionata. Tali permutazioni vengono utilizzate dal modulo STWAVE per portare le onde sotto-costa calcolando nuovamente i parametri caratteristici H, T e Teta degli eventi ondosi. L elaborazione iniziale del modello viene eseguita con il modulo GRIDGEN che permette l acquisizione delle batimetrie e dei rilievi della spiaggia emersa. La batimetrica a largo è stata presa fino alla profondità di -20,00 m. Successivamente con lo stesso modulo sono state inserite alla batimetrica -7,00 le stazioni su cui verrà effettuato il calcolo della forzante ondosa trasportata in acqua bassa (utilizzata dal modulo GENESIS) ed infine verrà costruita la griglia per GENESIS (nel nostro caso è stata assegnata una griglia della lunghezza di metri con step pari a 20 m.): 10

12 Di seguito si riportano le immagini prodotte con il visualizzatore WMV del CEDAS alimentato dai files prodotti da STWAVE per il sito di Porto Recanati Lido delle Nazioni: 11

13 ZOOM Zona Pilocco In particolare le figure sopra riportate mettono in evidenza uno degli eventi ondosi selezionati come forzante (evento 18 Dir = -41,72, H = 2,47 m, T = 5,56 sec.) e mostrano gli effetti di shoaling e rifrazione sulla direzione delle onde provenienti da est sud-est per il sito di Porto Recanati. E da mettere in evidenza come i fenomeni di shoaling e rifrazione cambiano notevolmente la direzione delle onde sotto-costa (vedi particolare ZOOM Zona Pilocco). 12

14 2.3 Calibratura del modello Prima di simulare la situazione di progetto nel sito di analisi, deve essere effettuata la calibratura del modello che consiste nell effettuare la simulazione della variazione della linea di costa in un periodo noto, cioè un periodo in cui si conoscono sia la forzante ondosa sia come è effettivamente variata la linea di costa. Il periodo preso in considerazione per effettuare la calibratura del modello matematico del sito di Porto Recanati è quello che va dall estate 2010 all estate Infatti in questo periodo è nota la posizione planimetrica della linea di costa del 15 luglio 2010, desunta dalle immagini satellitari WorlView II e la linea di costa rilevata tramite Lidar nel mese di luglio Per quanto riguarda la forzante ondosa la time-history selezionata comprende l arco temporale 15/7/ /7/2012 (vedi paragrafo precedente) e viene ripetuta dal software di elaborazione per l intero ciclo di simulazione. La fase di calibratura eseguita con il software GENESIS è eseguita agendo sui dati di input che descrivono lo stato dei luoghi e dai coefficienti empirici denominati K1 e K2. Lo stato dei luoghi viene descritto dalla dimensione media dei grani di sabbia presenti in sito, dall altezza delle prima berma della parte emersa della spiaggia e dalla profondità di chiusura della spiaggia sommersa. Di seguito si riportano i tre parametri inseriti nel modello: I coefficienti empirici K1 e K2 provengono rispettivamente dall originaria formula del CERC - Coastal Engineering Research Center (Komar and Inman, 1970) descritta nello Shore Protection Manual SPM (1984) e da Ozasa and Brampton (1980). Il primo coefficiente K1 tiene conto del trasporto solido longitudinale prodotto dalla frangenza delle onde incidenti oblique rispetto alla linea di costa. Il secondo termine K2 descrive sempre meccanismi di trasporto solido longitudinale lungo-costa ma tiene conto del gradiente H b /x dell altezza dell onda nel punto di frangenza. Questo secondo termine K2 è molto meno influente di K1 nel trasporto solido longitudinale ma assume una certa importanza in corrispondenza di strutture rigide vicino alla linea di costa. I due coefficienti K1 e K2 vengono chiamati parametri di trasporto. Durante l operazione di calibratura del modello vengono inserite in GENESIS anche tutte le strutture che influenzano le onde sotto-costa e, in definitiva, il trasporto solido longitudinale. 13

15 Di seguito si riporta la planimetria del modello di calibrazione nell anno 2010 del sito di Portorecanati, con le strutture presenti: Campo di penneli Foce Potenza Ferran NORD Pilocco Le condizioni al contorno stabilite per la simulazione del modello sono: - B.C. lato sinistro: tipo pinned ; si considera fisso in quanto non si hanno variazioni significative della linea di costa nel biennio ; - B.C. lato destro: tipo moving con arretramento di 12,00 metri nel periodo di simulazione dal 2010 al La condizione al contorno sul lato sinistro tiene conto delle strutture di difesa rigide (scogliere sommerse e emerse) che bloccano solitamente il trasporto solido lungo costa. La condizione al contorno sul lato destro tiene conto dell effettivo arretramento della linea di costa nel punto di chiusura del modello (zona Pilocco) che si è registrata dal 2010 al Di seguito si riporta la stessa immagine con inserita la linea di costa del 2010 che rappresenta il target della simulazione. 14

16 Dopo vari tentativi di modifica dei parametri di trasporto K1 e K2 sotto la forzante ondosa agente nel periodo di 2 anni dal 2010 al 2012, si è trovata una configurazione accettabile di simulazione che si riporta di seguito con i tre relativi ZOOM (zona nord, centro, sud): Si può notare il buon grado di sovrapposizione tra la linea di costa del 2010 (in giallo) ed il risultato della simulazione (anno 2012). Il comportamento tendenziale è infatti coerente con le varie zone di accrezione e di erosione anche se i valori di avanzamento e arretramento della linea di costa nei vari tratti sono inferiori a fine periodo di simulazione. Si può comunque affermare che tale comportamento risulta a vantaggio della sicurezza del modello in quanto nelle zone di accrezione (avanzamento della linea di costa) si registrano, a fine simulazione, valori inferiori rispetto alla situazione reale. Questo fatto 15

17 indica che nella realtà un surplus di materiale entra nel paraggio e migliora la situazione (maggior apporto del fiume Potenza, forti mareggiate che fanno saltare l ostacolo del Pilocco, ). Di seguito si riporta un grafico esemplificativo che mette a confronto le due linee di costa e la differenza in avanzamento ed arretramento tra le due: 16

18 2.4 Simulazione dello stato di progetto Una volta effettuata la calibratura del modello con gli stessi parametri di trasporto K1 e K2 viene effettuata la simulazione dello stato di progetto con una proiezione temporale di 4 anni (l arco temporale di 4 anni è stato scelto in base alle norme Federali statunitensi che fissano con questa cadenza il ciclo degli interventi di ripascimento nello stesso sito Evaluating a Prefabricated Submerged Breakwater and Double-T Sill for Beach Erosion Prevention, Cape May Point, NJ, 2003). Nel caso in esame sarà effettuata una simulazione nell arco temporale che va dal 1/1/2014 al 1/2/2019 che copre un periodo di circa 5 anni in quanto la fine dei lavori di ripascimento della 2 a fase è prevista per fine gennaio L unico elemento introdotto nella simulazione dello stato di progetto sono le due fasi di ripascimento che saranno effettuati tra febbraio e maggio 2014 e tra ottobre 2014 e gennaio 2015 (interruzione dei lavori durante il periodo estivo). Di seguito si riporta la tabella Genesis di descrizione dei due ripascimenti: L inserimento del Beach fill nel modello di simulazione è stato effettuato considerando il D 50 del materiale da ripascimento. Nel nostro caso, pur essendo il D 50fill superiore al D 50native, si considera D 50native = D 50fill = 1,20 mm, a vantaggio di sicurezza. Di seguito la tabella dei dati di input di Genesis: Per quanto riguarda invece l avanzamento della linea di costa inserita tra i parametri del Beach fill nel modello GENESIS, si deve far riferimento non al profilo di sversamento ma direttamente all avanzamento previsto dopo il raggiungimento del profilo di equilibrio della 17

19 spiaggia. Si sono quindi seguite le indicazioni riportate nel Report 1 Technical Reference del Technical Report CERC del dicembre 1989 (ristampa agosto 1991), in cui l avanzamento Y add della linea di costa viene desunto dalla seguente uguaglianza: V TOT = (D c + D B ) x L x Y add in cui V TOT rappresenta il volume totale di sabbia previsto per l intervento di ripascimento, D c è la profondità di chiusura, D B l altezza della berma della spiaggia emersa, L la lunghezza del tratto di litorale su cui viene sversato il materiale. Quindi Y add è uguale a: Anno 2014: Y add = V TOT / (D c + D B ) / L = m 3 / (5,5 + 1,5) m / 1650 m = 8,60 m Anno : Y add = V TOT / (D c + D B ) / L = m 3 / (5,5 + 1,5) m / 1650 m = 8,60 m In totale, a seguito dell intervento di ripascimento, si prevede un avanzamento della linea di costa di circa 17 ml. L effettiva quantità di materiale che sarà sversato nel sito di Porto Recanati Lido delle Nazioni è di m 3 circa. Il primo sversamento di materiale è previsto tra il 1/2/2014 ed il 31/5/2014 per un quantitativo di m 3 su un paraggio di ml. Il secondo sversamento è previsto per pari quantità tra il 1/10/2014 e il 31/1/2015. Di seguito si riporta l immagine fornita da Genesis con uno zoom della zona di sversamento: Tratto di sversamento (al centro le Ferran) al 28/5/2014 (primo sversamento iniziato il 1/2/2014) 18

20 Tratto di sversamento (al centro le Ferran) al 29/1/2015 (secondo sversamento iniziato il 1/10/2014) Come già detto il periodo di simulazione copre un arco temporale di circa 4 anni dalla fine dei lavori di ripascimento (31/1/2015) fino al 1/2/2019. Dopo tale periodo si ammette che la perdita di sabbia sia tale da considerare la possibilità di effettuare un nuovo ripascimento. Ovviamente la simulazione di lungo periodo effettuata dal software GENESIS non tiene conto degli eventi estremi che potrebbero provocare seri danni al tratto di litorale oggetto di intervento. Le immagini riportate di seguito mostrano una buona stabilità della linea di costa al termine del periodo di simulazione con un avanzamento medio di circa 15 metri in condizioni di equilibrio. Di seguito si riportano i tre ZOOM del paraggio considerato al termine della simulazione: 19

21 Paraggio a nord del fiume Potenza Arretramenti tra un massimo di 20 ml ad un minimo di 7ml Paraggio di sversamento (a nord delle Ferran) Avanzamenti tra un massimo di 19ml ed un minimo 10ml Paraggio di sversamento (a sud delle Ferran) Avanzamento medio di circa 11ml 20

22 Paraggio sud Zona Pilocco Avanzamenti tra un massimo di 35ml ed un minimo 10ml In linea generale, potrà essere necessario prevedere negli anni successivi all intervento di ripascimento una ordinaria manutenzione della spiaggia emersa con trasferimento di materiale dalle zone di accumulo a quelle di maggior erosione. Nella figura seguente si riporta un grafico esemplificativo che mette a confronto le due linee di costa prese a confronto dalla simulazione relative agli anni 2014 e 2019 e la differenza in avanzamento ed arretramento tra le due: 21

23 3 MANUTENZIONE PERIODICA La manutenzione periodica dei ripascimenti (periodic renourishment, CEM V-4-47) è uno dei principali aspetti che va considerato in questo tipo di interventi (ogni opera necessita di manutenzione). Immediatamente terminati i lavori di ripascimento il materiale immesso sulla spiaggia inizierà a subire l idrodinamismo generato dalle onde ed inizierà a disperdersi soprattutto lateralmente in direzione longitudinale rispetto alla linea di riva (lateral spreading). La manutenzione periodica del ripascimento si rende quindi necessaria per mantenere le sezioni di equilibrio previste in progetto considerato che la variazione di volume dei sedimenti in un determinato sito può variare di molto a seconda dell intensità e della direzione prevalente degli eventi meteomarini. Tale fenomeno di variazione del volume dei sedimenti di spiaggia risulta molto accentuato nel tratto oggetto di ripascimento anche per singoli eventi meteomarini. Si ritiene quindi giustificabile e necessario, anche interventi di manutenzione annuale al termine dei periodi invernali di maggior intensità meteo-marina. 22

24 BIBLIOGRAFIA Regione Marche (2005) Piano di Gestione Integrata delle Aree Costiere, legge regionale 14 luglio 2004 n.15 Deliberazione Amministrativa del Consiglio Regionale della Regione Marche n.169 del 2/2/2005. Coastal and Hydraulics Laboratory - Engineer Research and Development Center Waterways Experiment Station (update 1 June 2006). The Coastal Engineering Manual (CEM), Vicksburg, Mississippi. Andrew D. Short (1999). Handbook of Beach and Shoreface morphodynamics, John Wiley and Sons, LTD, West Sussex, England. Donald K. Stauble and Michael A. Giovannozzi (2003). Evaluating a Prefabricated Submerged Breakwater and Double-T Sill for Beach Erosion Prevention, Cape May Point, NJ, Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory, 3909 Halls Ferry Road, Vicksburg, MS, USA 23