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WATER MOTION AND ENVIRONMENTAL TRANSFORMATIONS

A study on sediment transport in rivers and torrents by the University Centre for Advanced Studies on Hydrogeological Risk in Mountain Areas

11 febbraio 2016
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by Luigi Fraccarollo
Associate Professor at the Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering of the University of Trento.

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The flow of water in rivers and torrents is among the most gorgeous natural phenomena, and is essential to human life as we know it. It is the source of continuous environmental modifications that, in the short term, only concern the streambed and surrounding areas, forming bars, meanders, steps and pools, etc.. In the long term though, these modifications affect the landscape, as they enhance the effects of weathering and orogenesis. This happens because the volumes of water released by atmospheric events, at least in part, are going to move as a surface flow; this mass of water creates forces and energy that cause an exchange of liquid and solid mass at the flow bed. The formation of a river bed and its evolution are a direct consequence of these processes. 

When the solid phase in the flowing mixture has a non-negligible concentration, it participates, with the liquid phase, in the generation of stress mechanisms (stress means force per unit of area) that necessarily take place within a flow domain to counteract gravitational and inertial forces. The solid and liquid phases develop different and independent rheological behaviors, which nonetheless influence each other, making the entire process, and its understanding, extremely complex. Let’s remind that rheology is the science devoted to the study of the relation between stresses and deformations for a given fluid or matter. These important aspects are often dealt with in simplified or heuristic approaches, even in scientific analyses. Sediment transport processes depend on the physical parameters and conditions (i.e., bed slope, sediment type, liquid discharge, river cross-section) and may differ significantly. 

The University of Trento achieved outstanding results in the experimental and theoretical analysis of these processes. In particular, research studies started at the beginning of the 2000s led to collocated measurements of velocity, concentration and granular-temperature (that is, kinetic energy associated to collision-induced velocity fluctuations) profiles in laboratory simulations of debris flows. These results have been, and still are, unique in terms of quality and variety of the measurements. More recently, an experimental research study on a laboratory flume investigated the case of intense bed-load, a common event in rivers and streams at medium or mild longitudinal bed slope (Capart and Fraccarollo, Geophysical Research Letter, 2011). Figure 1 shows a representation of the flow, where you can see a sediment layer flowing above the riverbed and another upper clear-water layer running over it:

The role of the solid and liquid phases in these flows has been subsequently investigated and described in a paper (Berzi and Fraccarollo, Physics of Fluids, 2013, 2016 Physical Review Letter, 2015) that highlighted the mutual interactions between the two phases of motion. The presence of solid particles affects and reduces the spatial length and the intensity of turbulent eddies; the collisional motion of the grains occurs with lubrication and energy dissipation phenomena due to the presence of interstitial liquid. 

I have not mentioned some other fundamental issues associated to sediment transport, such as the ecological ones, yet it is clear that the intimate mechanical connection between water and grain motion is crucial to the development of macroscopic phenomena around us, which we can observe with either wonder or terror. Sediment transport is, therefore, much closer to us than generally believed, as it concerns the world in which we live. At the University Centre for Advanced Studies on Hydrogeological Risk in Mountain Areas (CUDAM), which is acknowledged by the Italian ministry of University and research as Excellence Centre and has competence in civil protection matters, we have been studying these issues for years.


IL MOTO DELL’ACQUA E LE TRASFORMAZIONI AMBIENTALI
Uno studio sul trasporto solido in fiumi e torrenti portato avanti presso il Centro Universitario per la Difesa Idrogeologica nell’Ambiente Montano

Il moto dell’acqua nei fiumi e torrenti rappresenta un fenomeno naturale tra i più spettacolari e necessari alla vita dell’uomo nelle forme attuali. Esso è responsabile di modifiche continue del territorio che, su scale temporali brevi, riguardano essenzialmente il corso d’acqua e le aree pertinenti con formazione di meandri, barre, salti e pozze, ecc. Su scale temporali lunghe, invece, tali modifiche riguardano il paesaggio, concorrendo agli effetti delle azioni disgregatrici atmosferiche e di quelle orogenetiche. Tutto questo si deve al fatto che i volumi idrici messi in gioco dagli eventi pluviometrici sono, almeno in parte, destinati a scorrere al di sopra di una superficie granulare (il terreno, un alveo), alla quale trasmettono forza ed energia, causando scambi di massa liquida e solida fra le varie parti del campo di moto. Sono questi fenomeni che determinano la formazione stessa degli alvei e la loro evoluzione. 

Laddove i valori locali di concentrazione solida non siano trascurabili, la fase solida partecipa, assieme alla fase liquida, alla formazione dei meccanismi di generazione di sforzi (ovvero forze per unità di superficie) che all’interno del dominio fisico bilanciano le forze gravitazionali e quelle inerziali. Le particelle solide e l’acqua sviluppano modalità reologiche del tutto diverse, che tuttavia si influenzano, rendendo la descrizione e la comprensione del fenomeno estremamente complesse. Ricordiamo che la reologia è la scienza che studia le relazione fra gli sforzi e le deformazioni per una data entità materiale. Questi aspetti sono spesso trattati, anche in ambito scientifico, in modo approssimato ed euristico. I processi di trasporto solido dipendono dalle condizioni fisiche in cui si sviluppano (pendenza del fondo, tipologia di sedimento, intensità della portata liquida, forma della sezione trasversale) e possono essere molto diversi l’uno dall’altro. 

L’Università di Trento si è spesso distinta nell’analisi sperimentale e teorica di questi processi. In particolare, alcune ricerche sviluppate agli inizi del 2000 hanno condotto alla misura di profili di velocità, concentrazione solida e temperatura granulare (ovvero l’energia cinetica associata alle fluttuazioni collisionali) in simulazioni di laboratorio di colate detritiche. Tali risultati rappresentano un unicum nel panorama scientifico per varietà e qualità delle misure. Più recentemente, si è svolta una campagna di misure su modello fisico dedicata ai fenomeni di trasporto solido intenso, che sono assai comuni nei fiumi e nei torrenti, a pendenze medie e basse (Capart and Fraccarollo, Geophysical Research Letter, 2011). Un’immagine del campo di moto è riportata in Figura 1, in cui si apprezza la presenza di uno strato di sedimento in moto al di sopra dell’alveo e uno strato superiore di sola acqua:

Il ruolo delle fasi solida e liquida è stato investigato e descritto successivamente (Berzi and Fraccarollo, Physics of Fluids, 2013, 2016 Physical Review Letter, 2015), evidenziando le interazioni reciproche fra le due fasi in moto. La presenza di particelle solide influenza, riducendole, le scale spaziali e l’intensità del moto turbolento; il moto collisionale dei granuli si associa a fenomeni di lubrificazione e di dissipazione energetica causati dalla presenza del liquido interstiziale. 

Pur avendo tralasciato di menzionare altri fondamentali aspetti legati al trasporto solido, quali quelli ecologici, risulta evidente che l’intima connessione meccanica fra il moto delle particelle e quello dell’acqua è fondamentale per lo sviluppo di fenomeni macroscopici che avvengono attorno a noi e di cui ci accorgiamo talora con stupore o terrore. Il trasporto solido, dunque, è molto più vicino a noi di quello che sembra poiché riguarda tutti noi e il mondo in cui viviamo. Di queste ricerche ci occupiamo da anni presso il Centro Universitario per la Difesa Idrogeologica nell’Ambiente Montano (CUDAM), accreditato come Centro di eccellenza dal MIUR, che è inoltre Centro di competenza della Protezione Civile Nazionale.