RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Cave sottomarine e ripascimenti: modellazione morfologica e applicazioni

Università di riferimento

Università degli Studi di GENOVA - INGEGNERIA AMBIENTALE - GENOVA(GE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Paolo BLONDEAUX

Descrizione

Lo scopo della presente ricerca è quello di predire l'evoluzione morfodinamica di una cava o di una trincea sottomarina o di un deposito di sabbia o di un ripascimento, quando nella regione costiera, oltre alle correnti mareali, sono presenti significative onde di mare. Infatti, nel modello sviluppato durante il progetto di ricerca europeo SANDPIT e descritto sinteticamente nella sezione "Base di partenza scientifica nazionale o internazionale", la presenza delle onde di mare è tenuta in considerazione in modo sommario, anche se è noto in letteratura che le onde di mare inducono forti processi di trasporto e di mescolamento sull'intera colonna fluida e in particolare in prossimità del fondo dove la turbolenza viene generata all'interno dello strato limite. Emerge quindi chiaramente la necessità di descrivere l'effetto delle onde in modo accurato e migliorare le relazioni che quantificano la viscosità turbolenta e il trasporto solido.
Naturalmente, a causa del carattere oscillante del moto indotto dalle onde di mare, la viscosità turbolenta associata alle onde di mare varia nel tempo. Esistono sofisticati approcci per tener conto del mescolamento indotto dal moto ondoso (si consulti ad esempio Sleath (1984), Nielsen (1992), Fredsoe & Deigaard (1992)). Tuttavia, in un modello di grande scala come quello considerato, è possibile assumere che la viscosità indotta dal moto ondoso sia indipendente dal tempo (Sleath (1984), Nielsen (1992), Fredsoe & Deigaard (1992)) . Questa ipotesi semplifica notevolmente il problema ed è noto come essa produca risultati accettabili. Diverse relazioni empiriche sono state proposte per descrivere il valore costante della viscosità turbolenta indotta dal moto ondoso. Siccome lo scopo della presente ricerca è quello di studiare anche i processi morfologici, si ha intenzione di utilizzare l'approccio di Van Rijn (1984a, 1984b, 1991) che ha fornito relazioni sia per la viscosità turbolenta sia per la diffusione turbolenta che compare nell'equazione della concentrazione di sedimenti quando le onde interagiscono con correnti lentamente variabili. Il modello di Van Rijn (1984a, 1984b, 1991) suddivide la colonna d'acqua in tre strati: uno strato di fondo, uno strato di superficie e uno intermedio. Come accade per il moto mareale, sarà poi necessario modificare le relazioni empiriche proposte da Van Rijn (1984a, 1984b, 1991) per tener conto della configurazione ondulata del fondo e della superficie libera. Per stimare tali variazioni sarà inoltre necessario valutare le alterazioni subite dal moto ondoso durante la sua propagazione sul fondo ondulato. Il problema è complesso e non esiste una soluzione analitica. Nel nostro caso, siccome le variazioni della profondità locale sono lente, sarà possibile ipotizzare che le onde adattino le loro caratteristiche alle condizioni locali. Quando le onde e correnti lentamente variabili sono simultaneamente presenti, gli effetti della turbolenza generata dalle correnti mareali si sovrappongono a quelli legati alla turbolenza generata dal moto ondoso. Ci sono pochi dati sperimentali su un tale fenomeno che non consentono di risolvere il problema in modo definitivo e quindi in letteratura sono presenti diversi approcci che differiscono non solo da un punto di vista quantitativo ma anche qualitativo. Per esempio, Van Rijn (1991) assume che la viscosità turbolenta della corrente mareale e quella associata al moto ondoso si sovrappongano in modo non lineare. Al contrario Sleath (1991) ha prosposto la loro sovrapposizione lineare. Infine, Nielsen (1992) ha ipotizzato che nello strato limite di fondo la turbolenza sia dominata da quella generata dal moto ondoso mentre nella rimanente parte della colonna fluida essa sia dominata dalla turbolenza associata alla marea. Non esistono misure di campo in grado di dimostrare che un modello sia migliore di un altro. Pertanto, nella presente ricerca si svilupperanno tutti gli approcci e, attraverso un confronto delle predizioni morfologiche con i dati di campo, si sceglierà il modello più affidabile da un punto di vista morfodinamico.

Per valutare il trasporto solido, esso è usualmente suddiviso in due parti. Una parte è costituita dai sedimenti che si muovono in prossimità del fondo ed è definita come trasporto solido di fondo. L'altra è dovuta ai sedimenti che vengono trascinati dal moto lontano dal fondo ed è denominata trasporto solido in sospensione. Usualmente formule empiriche vengono utilizzate per determinare il trasporto solido di fondo mentre il trasporto solido in sospensione è valutato calcolando dapprima il profilo verticale della concentrazione e quindi integrando sulla profondità il flusso di sedimenti. Al fine di ottenere la distribuzione di concentrazione si considera usualmente un'equazione di convezione-diffusione. Tuttavia la maggior parte dei sedimenti trasportati dal moto ondoso sono confinati in una regione prossima al fondo e di spessore pari a 3-5 volte l'altezza dei ripples o pari a 3-5 volte lo spessore dello strato di fondo in cui si realizza il moto noto in letteratura anglosassone come "sheet flow", in funzione delle condizioni locali. Pertanto sembra logico valutare il trasporto solido dovuto al moto ondoso con una formula empirica che tenga conto contemporaneamente sia del trasporto solido di fondo sia di quello in sospensione. Infatti una distinzione fra trasporto solido di fondo e in sospensione, per quanto riguarda il trasporto solido legato al moto ondoso, è solo di interesse accademico. Van Rijn (1991) ha proposto di deteminare il trasporto solido dovuto al moto ondoso mediato su un semiciclo utilizzando una formula empirica che richiede solo la valutazione della tensione esercitata sul fondo dal moto ondoso, anche se la presenza della corrente è tenuta in conto in modo parametrico. Per quanto riguarda il trasporto solido dovuto a correnti stazionarie o lentamente variabili (correnti mareali), è opportuno considerare separatamente il trasporto solido al fondo e quello in sospensione. Il primo può essere facilmente valutato utilizzando formule empiriche che si basano sulla conoscenza delle tensioni al fondo. La letteratura esistente fornisce numerosi approcci euristici per la valutazione del trasporto solido al fondo. Tuttavia, pochi approcci considerano l'effetto delle onde di mare. Siccome, l'obiettivo della ricerca è quello di considerare la simultanea presenza di onde e correnti, è necessario prestare molta attenzione alla scelta del modello. Per esempio, per tener conto delle onde di mare, Van Rijn (1991) ha proposto di calcolare il trasporto solido di fondo con una formula che tiene conto delle tensioni dovute alla corrente e influenzate dalla presenza del moto ondoso. Come discusso da Van Rijn (1991) l'azione del moto ondoso su un fondo costituito da materiale incoerente tende a portare in sospensione notevoli quantità di materiale solido. Quando le correnti mareali si sovrappongono alle onde, ulteriori quantità di materiale solido vengono sollevate dal fondo e trascinate verso l'alto e spesso valori rilevanti di concentrazione possono essere osservati anche in prossimità della superficie libera. Il meccanismo che conduce quindi a valori significativi del trasporto solido in sospensione quando le onde di mare si sovrappongono alle correnti è costituito dal sollevamento dei sedimenti da parte delle onde e il loro trasporto da parte delle correnti. Nel caso presente, non essendo interessati a studiare il fenomeno sulle scale temporali del moto ondoso, è possibile e ragionevole considerare il trasporto solido in sospensione mediato sul periodo del moto ondoso. In questo approccio, il trasporto netto di sedimenti è caratterizzato da due contributi: il primo è proporzionale al prodotto della velocità media per la concentrazione media sul ciclo dell'onda; il secondo è indotto dalla media sul periodo dell'onda del prodotto delle componenti oscillanti della velocità e della concentrazione. Nonostante siano stati compiuti notevoli progressi negli ultimi anni nello studio dei processi che hanno luogo durante il periodo dell'onda, come sottolineato da Ribberink & Al-Salem (1994), le conoscenze attuali sono ancora incomplete a causa della complessa dinamica dei sedimenti. Pertanto, nell'ambito della presente ricerca verrà utilizzato un approcio più semplice ma più affidabile e il trasporto dei sedimenti in sospensione verrà determinato direttamente dalle conoscenza delle quantità medie. La valutazione del contributo legato al trasporto solido in sospensione richiede quindi, in primo luogo, il calcolo della distribuzione della concentrazione dei sedimenti, in altre parole è necessario per prima cosa risolvere l'equazione di diffusione-convezione per la concentrazione c che necessita di opportune condizioni al contorno. Van Rijn (1984), per esempio, ha proposto una semplice relazione per valutare la concentrazione al fondo per un moto lentamente variabile, relazione che può essere utilizzata anche in questo caso. Quando onde di mare sono presenti, è sufficiente conoscere la tensione dovuta al moto ondoso per applicare questa relazione. Una volta nota la concentrazione, il flusso di sedimenti può essere facilmente calcolato valutando l'integrale sulla profondità locale del prodotto fra concentrazione e velocità. Considerando infine che il fondo non è piano, è necessario poi tener conto nel modello del trasporto solido dovuto alla pendenza locale. Semplici argomentazioni dimensionali e l'ipotesi di linearità del fenomeno (Talmon et al., 1995) consentono di valutare il contributo al trasporto solido dovuto alla pendenza del fondo. Quanto sopra sintetizzato verrà utilizzato per modificare il modello già disponibile. L' affidabilità del nuovo modello sarà quindi testata nell'ambito del progetto, confrontando le predizioni teoriche/numeriche con i dati di campo presenti in letteratura e quelli resi disponibili dalle altre unità operative.

Il programma di ricerca prevede, oltre al miglioramento del modello tridimensionale formulato durante il programma di ricerca Europeo SANDPIT, anche la formulazione di un nuovo modello bidimensionale basato sull'approssimazione di onde su acqua bassa. Infatti molto spesso le dimensioni della cava sottomarina nelle direzioni orizzontali sono molto maggiori della profondità locale e l'accelerazione verticale può essere trascurata rispetto all'accelerazione di gravità e si possono utilizzare come incognite le variabili mediate sulla profondità. Quindi, come nel caso tridimensionale, si assumerà che la configurazione del fondo del mare differisca da quella piana di una quantità piccola rispetto alla profondità e la soluzione del problema sarà quindi sviluppata in serie di potenze del piccolo parametro epsilon. E' presumibile che verranno ottenute delle equazioni simili a quelle risolte da Hulscher et al. (1993), equazioni che nel presente progetto di ricerca verranno risolte con una nuova procedura che consentirà di determinare il campo di moto non solo per maree unidirezionali e/o circolari, come in Hulscher et al. (1993), ma anche per maree ellittiche caratterizzate da valori arbitrari del rapporto fra il semiasse minore e il semiaase maggiore dell'ellisse di marea.

Quindi, sia il modello bidimensionale sia il modello tridimensionale rielaborato verranno utilizzati per migliorare le attuali conoscenze sulla dinamica di cave sottomarine di grandi dimensioni. In particolare si cercherà di rispondere alle seguenti domande:
i) Qual è la forma migliore della cava ?
ii) Quali sono gli effetti mofodinamici della cava sull'ambiente circostante ?
iii) Quali sono i tempi di riempimento della cava ?
iv) Può una cava innescare la formazione di forme di fondo di larga scala (sand waves e/o sand banks) ?
Per l'indagine della forma ottimale da dare alla cava sottomarina si prenderanno in considerazione sia la posizione, la dimensione, la forma geometrica e il suo orientamento. L'ordine di grandezza degli scavi che verranno considerati sarà di 10 milioni di metri cubi o inferiori.