RICERCA ITALIANA     

Cave sottomarine e ripascimenti: modellazione morfologica e applicazioni

Università degli Studi di Genova

Abstract

Obiettivo del progetto di ricerca è contribuire allo sviluppo di metodologie affidabili per una migliore predizione dei processi morfologici che governano l'evoluzione temporale di cave sottomarine di grandi dimensioni e di versamenti sottomarini di sabbia, ad uso di ripascimento della spiaggia sommersa o di deposito temporaneo durante il trasporto.

In particolare, durante il presente progetto di ricerca si vuole :
a) formulare un modello tridimensionale, in grado di predire l'evoluzione del fondo marino forzata da correnti mareali e/o stazionarie interagenti con onde di gravità, basato su un nuovo approccio risolutivo che fa uso di metodi perturbativi e numerici;
b) confrontare i risultati ottenuti con il modello tridimensionale, appositamente formulato, con quelli derivanti dall'applicazione di modelli basati sull'approssimazione di onde su acqua bassa (modelli di Boussinesq e NonLinear Shallow Water Equations, NLSWE);
c) raccogliere dati di campo, disponibili in letteratura, sull'evoluzione di cave sottomarine e ripascimenti, per creare una sorta di banca dati da utilizzare per la validazione dei codici di calcolo numerici ed eseguire ulteriori accurati rilievi di campo, considerato che spesso i dati esistenti sono solo parziali e non forniscono una descrizione esaustiva sia dell'idrodinamica della regione considerata sia dello sviluppo morfologico del fondo;
d) eseguire degli esperimenti in laboratorio per la raccolta di dati in un ambiente controllato in cui è possibile avere una conoscenza dettagliata di tutte le grandezze che intervengono e che influenzano il fenomeno.

Il progetto di ricerca mira a migliorare le conoscenze attuali e in particolare a rispondere ai seguenti quesiti:
i) Quale è la geometria ottimale delle operazioni di scavo per l'estrazione di sabbia dal fondo marino ?
ii) Quale è la geometria ottimale per il mantenimento di un canale navigabile affidabile ?
iii) Quale efficacia ha un versamento di sabbia sulla spiaggia sommersa ?
iv) Quali sono gli effetti idrodinamici e morfodinamici che l'estrazione e/o il versamento di sabbia hanno sull'ambiente circostante ? <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Paolo BLONDEAUX Università degli Studi di GENOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo generale del progetto di ricerca è contribuire allo sviluppo di metodologie affidabili per una migliore comprensione e una migliore predizione dei processi morfologici che governano l'evoluzione di
1) cave sottomarine di grandi dimensioni, presenti su un fondo piano o realizzate su forme di fondo di larga scala, come ad esempio le sand banks osservate nel mare del Nord e/o le sand waves rilevate anche nella piattaforma continentale italiana, o derivanti dal dragaggio di canali di accesso ai porti;
2) versamenti sottomarini di sabbia di grandi dimensioni, ad uso di ripascimento della spiaggia sommersa o di deposito temporaneo durante il trasporto.

Infatti, la condizione delle spiaggie Italiane ed Europee e gli scenari di aggravamento delle condizioni meteorologiche, unite alla tendenza a crescere del livello del mare (Eurosion; Eisenreich, 2005), evidenziano come nei prossimi decenni sarà necessario dedicare grande cura alla difesa delle spiagge, ripristinandone il naturale bilancio sedimentario, cioè prelevando grandi quantità di sabbia da cave sottomarine, le sole che le possano fornire con un ragionevole impatto ambientale, e versandole in opportune posizioni lungo la costa. Ulteriori prelievi di sabbia potrenno essere necessari non solo per il ripascimento di spiagge e dune litoranee, di cui si prevede l'erosione, ma anche per la possibile realizzazione di grandi isole artificiali, sia per fini industriali sia per la costruzione di porti e aeroporti.

La necessità, in un prossimo futuro, di grandi volumi di sabbia da cave sottomarine è confermata da un'analisi dei dati relativi ai volumi di sabbia estratti recentemente dalla piattaforma continentale olandese. Tale analisi mostra che, fino alla fine degli anni ‘80, il volume medio di sabbia estratta annualmente dal fondo del mare si aggirava intorno a 2.5 milioni di metri cubi. Dagli anni ‘90 è possibile osservare una crescita quasi esponenziale dei volumi estratti fino a che, nel 2002, il volume prelevato dal fondo del mare è stato pari a circa 35 milioni di metri cubi. In Italia le prime cave sottomarine sono state identificate negli anni '80 (Preti, 2002). Più recentemente, per la salvaguardia della laguna di Venezia, sono stati dragati circa 10 milioni di metri cubi da antiche dune prospicienti il litorale di Lido (Cecconi & Ardone, 2000), 4 milioni di metri cubi sono stati utilizzati per ripascimenti nella regione Lazio ed alcuni milioni di metri cubi in un singolo appalto in Emilia-Romagna. Inoltre la regione Emilia Romagna ha previsto un fabbisogno di circa 2 milioni di metri cubi per anno per la conservazione del litorale regionale di propria competenza (AA.VV., 1996) e volumi confrontabili sono nei piani di altre Regioni Italiane.
Siccome la crescita non accenna a fermarsi e altri dati disponibili in letteratura mostrano come i dati olandesi e quelli italiani precedentemente descritti siano rappresentativi di ciò che accade in quasi tutte le nazione europee, una stima effettuata nell'ambito del progetto di ricerca europeo SANDPIT, riferita ai prossimi 50 anni, porta a valutare in 60 milioni di metri cubi il volume richiesto mediamente e annualmente in ogni singola nazione europea che si affaccia sul mare, con costi pari a circa 600 miloni di euro per anno.
Per soddisfare queste richieste, sarà necessario estendere considerevolmente le attuali cave sottomarine e individuare nuove possibili aree adatte all'estrazione di sabbia.
Grandi prelievi/versamenti di sabbia dal/sul fondo del mare hanno un significativo impatto sia sulla morfologia locale sia sulla morfologia del fondo lontano dalla cava o dal luogo di sversamento e in certe circostanze possono influenzare anche la costa che può essere soggetta a fenomeni di erosione. Per esempio, studi recenti effettuati nell'ambito del progetto di ricerca europeo HUMOR, hanno mostrato che l'estrazione di sabbia da ‘shore-face connected ridges', può causare l'erosione della spiaggia e l'arretramento della linea di costa.
Pertanto, considerando le elevate quantità di sabbia che verranno estratte nel prossimo futuro, sarà necessario posizionare le cave sottomarine lontano dalla costa per minimizzare l'impatto sulla costa dell'intervento umano. D'altro canto, l'estrazione su profondità elevate sarà sempre più costosa. Sarà quindi necessario offrire maggior spazio ad una progettazione accurata, attenta alla riduzione degli impatti ambientali negativi, cercando di determinare la soluzione ottimale. Ne segue la necessità di intensificare le attività di ricerca nel settore della morfodinamica costiera in generale e, in particolare, di intesificare gli studi dell'evoluzione di cave, trincee e versamenti sottomarini. Infatti, la valutazione dell'impatto della movimentazione di grandi quantitativi di sabbia sull'ambiente costiero richiede conoscenze approfondite sui processi morfologici di base e sul budget complessivo di sedimenti in aree di geometria complessa sia in prossimità della costa sia in zone caratterizzate da elevate profondità. Spesso l'accuratezza delle valutazioni attuali non è sufficiente a causa dell'utilizzo di modelli non sufficientemente attendibili. Inoltre, in molti casi, è del tutto mancante la verifica e la validazione dei modelli applicati. Il principale motivo di questa carenza è la mancanza di dati di campo accurati sul trasporto solido e sull'evoluzione morfologica di cave, trincee o depositi sottomarini.

Durante il presente progetto di ricerca si vuole fare quanto segue.

a) Formulare un modello tridimensionale, in grado di predire l'evoluzione del fondo marino forzata da correnti mareali e/o stazionarie interagenti con onde di gravità. Il progetto prevede quindi di tener conto 1) del moto oscillante e lentamente variabile indotto dalle correnti mareali, 2) delle correnti stazionarie (correnti residue o correnti litoranee) che spesso sono presenti in un ambiente mareale o costiero e che giocano un ruolo chiave nella quantificazione del trasporto solido e nell'indurre la migrazione delle cave e delle forme di fondo, 3) delle onde di mare che, pur inducendo un moto essenzialmente oscillante, a causa degli effetti non lineari producono un flusso netto di sedimenti e quindi contribuiscono all'evoluzione delle cave sottomarine e/o dei ripascimenti.

b) Confrontare i risultati ottenuti con il modello tridimensionale appositamente formulato con quelli derivanti dall'applicazione di modelli basati sull'approssimazione di onde su acqua bassa (modello di Boussinesq e NLSWE). A tal fine si intendono sviluppare appositi codici di calcolo, per eseguire un dettagliato confronto di tutte le grandezze fisiche che influenzano il fenomeno, e utilizzare codici di calcolo reperibili sul mercato (MIKE21).

c) Raccogliere alcuni dati di campo, disponibili in letteratura, sull'evoluzione di cave sottomarine e ripascimenti per creare una sorta di banca dati da utilizzare per la validazione dei codici di calcolo numerici ed eseguire ulteriori accurati rilievi di campo, considerato che spesso i dati esistenti sono solo parziali e non forniscono una descrizione esaustiva sia dell'idrodinamica della regione considerata sia dello sviluppo morfologico del fondo.

d) Eseguire degli esperimenti in laboratorio per la raccolta di dati in un ambiente controllato in cui è possibile avere una conoscenza dettagliata di tutte le grandezze che intervengono e che influenzano il fenomeno.

Il progetto di ricerca mira a migliorare le conoscenze attuali e in particolare a rispondere ai seguenti quesiti.
i) Quale è la geometria ottimale delle operazioni di scavo per l'estrazione di sabbia dal fondo marino ?
ii) Quale è la geometria ottimale per il mantenimento di un canale navigabile affidabile ?
iii) Quale efficacia ha un versamento di sabbia sulla spiaggia sommersa ?
iv) Quali sono gli effetti idrodinamici e morfodinamici che l'estrazione e/o il versamento di sabbia hanno sull'ambiente circostante ? <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il progetto di ricerca proposto è la continuazione ideale delle attività di ricerca condotte dall'Università di Genova nell'ambito dei progetti di ricerca Europei HUMOR e SANDPIT, terminati rispettivamente nel febbraio 2004 e nel marzo del 2005, dall'Università di Catania nell'ambito del progetto di ricerca Europeo SANDPIT e dall'Univeristà di Bologna nell'ambito dei progetti di ricerca Europei DELOS e COASTVIEW, terminati nel febbraio 2004 e nel marzo 2005 rispettivamente. Questi ultimi e il progetto HUMOR erano rivolti allo studio e al monitoraggio dei processi costieri ed alla difesa sostenibile della costa mentre il progetto SANPIT era proprio rivolto allo studio delle problematiche delle cave sottomarine e dei versamenti di sabbia costieri.

Il progetto avrà quindi come base di partenza proprio i risultati ottenuti durante i citati progetti di ricerca Europei sia nella ricerca di base (formule per la valutazione del trasporto solido, modelli per la predizione delle caratteristiche delle forme di fondo di piccola scala, modelli per la valutazione delle correnti mareali, …) sia nella ricerca applicata che è consistita prevalentemente nella formulazione di modelli per la valutazione dell'evoluzione morfologica di una cava sottomarina e nella validazione di quelli esistenti. Una descrizione dettagliata dei risultati disponibili è presente, per esempio, negli atti dell'incontro finale del progetto di ricerca SANDPIT (Van Rijn et al., 2005).

In particolare, per quanto riguarda la base di partenza della parte teorica-numerica del progetto di ricerca, sarà possibile utilizzare il modello morfodinamico sviluppato nell'ambito del progetto di ricerca SANDPIT dall'unità di ricerca di Genova (Blondeaux & Vittori, 2005a, 2005b). Il modello considera un'ampia regione costiera (dell'ordine di qualche decina di chilometri) di pronfondità h*. Utilizzando l'approssimazione ‘f-plane', il problema di determinare il moto del fluido risulta posto dall'equazione di continuità e dall'equazione della quantità di moto dove compaiono i termini di Coriolis legati alla rotazione terrestre che influenzano la propagazione della marea e la struttura del campo di moto associato alle correnti mareali. Il regime di moto è supposto turbolento e le tensioni di Reynolds sono modellate utilizzando l'ipotesi di Boussinesq e introducendo la viscosità dinamica turbolenta m*T che non e' assunta costante, come in altri modelli, ma dipende dalla coordinata verticale, cioè dalla distanza dal fondo. L'evoluzione temporale del fondo è descritta per mezzo dell'equazione di Exner (equazione di continuità dei sedimenti) che lega i processi di erosione/deposito al valore della divergenza del trasporto solido. Per chiudere il problema è quindi necessario specificare i valori della viscosità turbolenta e scegliere una formula per la quantificazione del trasporto solido. La versione attuale del modello considera in dettaglio e in modo accurato solo la turbolenza e il trasporto solido indotti dalle correnti mareali lentamente variabili nel tempo e da un'eventuale corrente stazionaria. Durante il presente progetto di ricerca, il modello sarà ampliato e migliorato, considerando diversi schemi per la descrizione delle tensioni di Reynolds, introducendo una migliore descrizione dei processi di mescolamento e di trasporto indotti dalle onde di mare e utilizzando diversi approcci per la determinazione del trasporto solido. Infatti i risultati ottenuti fino ad oggi suggeriscono che la descrizione dei processi di mescolamento indotti dalle tensioni turbolente deve essere migliorata per poter ottenere risultati in buon accordo quantitativo con i rilievi di campo. Inoltre deve essere anche migliorata la predizione e la quantificazione del trasporto solido che alcune valutazioni preliminari mostrano essere in alcuni casi non accurata. Infine, confronti con dati di laboratorio, hanno mostrato che è necessario migliorare la descrizione degli effetti indotti dal moto ondoso che spesso in campo risulta assai rilevante. Una volta che questi miglioramenti saranno introdotti nel modello, sarà necessario verificare le capacità del modello stesso confrontando le predizioni teoriche/numeriche con i dati di campo e di laboratorio.

Per quanto riguarda la modellazione dell'evoluzione morfologica di aree costiere caratterizzate da basse profondità, l'unità di ricerca di Bologna ha a disposizione il modello CAMS (Coastal Area Morphological Modelling Shell) che è stato sviluppato come parte del MIKE 21 da DHI Water & Environment ed è composto da diversi moduli finalizzati a descrivere il moto ondoso, le correnti e il trasporto solido in un modello morfologico complessivo per la rappresentazione della evoluzione nel tempo del fondale in una assegnata area costiera. In particolare, in CAMS, i moduli NSW (Near-shore Spectral Wave) o PMS (Parabolic Mild Slope) possono essere adottati per simulare le onde, il primo in genere al largo ed il secondo vicino alle opere. Il modulo HD (Hydodynamic) è usato per rappresentare le correnti; il modulo ST-Q3 (Sediment Transport Quasi 3D) rappresenta i flussi sedimentari e la variazione del fondale. In maggior dettaglio, NSW è un modello di generazione delle onde da vento, che descrive la crescita, il decadimento e la trasformazione di onde da vento e mare lungo in zone costiere. Il modello è stazionario, direzionalmente disaccoppiato e parametrico; rappresenta gli effetti del ridursi del fondale e della rifrazione, della generazione locale da parte del vento, della dissipazione di energia per attito al fondo e frangimento, della interazione fra onde e correnti. Le equazioni di base sono derivate dalla conservazione della densità spettrale di azione ondosa e sono risolte con una tecnica alle differenze finite di tipo Euleriano. Il modulo PMS si basa sulla approssimazione parabolica della equazione della debole pendenza (mild-slope) di Kirby (1986), che assume una direzione dominante delle onde, e trascura la diffrazione lungo le linee di propagazione e la riflessione delle onde. Rappresenta il ridursi del fondale e la rifrazione, la diffrazione lungo le ortogonali alla direzione dominante di propagazione (fronti d'onda circa), dissipazione di energia per attrito al fondo e frangimento, ed inoltre gli effetti della dispersione in frequenza e direzione dell'ondazione. Il modulo HD risolve le equazioni di bilancio di massa e quantità di moto, rappresentando tutta la variabilità nel tempo dei coefficienti e la non linearità delle equazioni. La soluzione è ottenuta con un metodo alle differenze finite ADI (Alternate Direction Implicit) accurato al secondo ordine di approssimazione; per i dettagli si veda Abbott & al. (1973). Il modulo ST-Q3 valuta il trasporto solido di sedimenti non coesivi in condizioni di onde e correnti combinate. Il modulo implementa un algoritmo deterministico basato sul modello di Engelund & Fredsoe (1976) valutando separatamente il trasporto al fondo e in sospensione.

Per quanto riguarda la raccolta di dati di campo, relativi all'evoluzione di cave o trincee sottomarine e/o ripascimenti, l'esperienza acquisita dalle unità di ricerca di Catania e Bologna, durante i citati progetti di ricerca Europei, sia nei monitoraggi in campo, sia sia nel condurre accurati esperimenti di laboratorio, sia nella gestione di banche dati, costituisce un'ottima base di partenza. L'unità di ricerca di Bologna ha nel passato concentrato la sua attenzione e le proprie attività nella fascia litorale, in cui avviene il trasporto di sedimenti indotto dal frangimento delle onde. In particolare, il gruppo di ricerca ha eseguito una serie di osservazioni di campo in corrispondenza di opere di difesa quali le barriere di Lido di Dante, che sono in continua osservazione dal 1996, e occasionalmente in corrispondenza di altri litorali della stessa regione costiera (Gabicce, Igea Marina, Cervia, Milano Marittima). Durante il presente progetto di ricerca si cercherà di raccogliere ulteriori dati in diversi siti e possibilmente nella regione al largo della laguna di Venezia, da dove in futuro sarà probabilmente necessario prelevare grandi volumi di sabbia per procedere ad ulteriori ripascimenti della lingua di costa che separa la laguna dal mare aperto, e nella regione di fronte alla costa della regione Emilia-Romagna. Infatti, dall'inizio del Novecento ad oggi, l'abbassamento locale del suolo dovuto a cause naturali e antropiche (subsidenza) e l'innalzamento del livello del mare (eustatismo) hanno determinato a Venezia e in zone limitrofe una perdita di quota, rispetto al livello del mare, di circa 23 cm. I litorali, che separano la laguna dal mare Adriatico (da Nord a Sud, i litorali di Jesolo, Cavallino, Lido, Pellestrina, Sottomarina e Isola Verde per complessivi 60 km) e altre spiagge vicine hanno quindi parzialmente perduto, nel corso del tempo, la loro funzione di difesa dalle mareggiate della laguna e degli abitati prossimi al mare. Infatti, onde e correnti hanno progressivamente eroso le citate spiagge riducendone l'ampiezza o addirittura cancellandole. Nel caso della laguna di Venezia, questi problemi sono stati affrontati con un articolato piano di interventi che ha compreso, a seconda delle condizioni locali, la creazione di nuove spiagge protette da pennelli in roccia o l'ampliamento di quelle erose e il ripristino, ove possibile, del cordone di dune. Alcuni significativi prelievi di sabbia sono quindi già stati effettuati di fronte alla laguna di Venezia in un recente passato e altri se ne dovranno probabilmente effettuare. Dati sulla morfologia delle cave utilizzate sono già disponibili e il progetto prevede la loro raccolta, la loro sistematizzazione e il loro utilizzo.
Infine, si considereranno anche alcune zone del litorale siciliano dove si prevede di effettuare ripascimenti utilizzando materiale grossolano. Questa particolare tipologia di cava risulta di particolare interesse sia scientifico sia ingegneristico perchè l'attuale attività di estrazione da cave sottomarine è stata principalmente indirizzata, soprattutto in Italia, all'acquisizione di materiale sabbioso (vedi per esempio il caso della laguna di Venezia, descritto in Cecconi e Ardone, 2000) e di conseguenza poche sono le conoscenze disponibili per quanto riguarda l'utilizzo di materiale più grossolano (sabbie grossolane e ghiaia). Un'esperienza precedente effettuata con materiale ghiaioso sul litorale settentrionale della Toscana (Aminti et al., 2002) ha mostrato come interventi con materiale più grossolano possano dare luogo a una morfologia della spiaggia che presenta problemi dal punto di vista della fruizione a fini turistico-balneari della spiaggia stessa, a causa della notevole altezza della cresta della berma raggiunta durante le mareggiate.
L'unità di ricerca di Catania si è recentemente dotata di un natante opportunamente attrezzato di sistema per la rilevazione dei fondali (gommone con ecoscandaglio e GPS) che quindi potrà essere utilizzato per il riperimento dei dati di campo.
Rimane infine da sottolineare che l'unità di Catania si è recentemente dotata di una vasca per lo studio della struttura del campo di moto dovuto alla contemporanea presenza di moto ondoso e di una corrente stazionaria ad esso ortogonale. La vasca dispone anche della possibilità di essere utilizzata in presenza di un fondo erodibile. Pertanto, nell'ambito del presente progetto di ricerca, alcune attività sperimentali volte al reperimento di dati sull'interazione idro-morfodinamica fra onde e correnti in presenza di diverse configurazioni della geometria di una cava idealizzata (dimensioni, forma, orientamento) verranno condotte in laboratorio con il vantaggio di operare in un ambiente estremamente controllato. <<<