RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Cave sottomarine e ripascimenti: modellazione morfologica e applicazioni

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - INGEGNERIA DELLE STRUTTURE,TRASPORTI ,ACQUE,RILEVAMENTO DEL TERRITORIO - BOLOGNA(BO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Alberto LAMBERTI

Descrizione

OBIETTIVI

L'Unità di Ricerca (UR) di Bologna concentra la propria attività nella fascia litorale, in cui avviene il trasporto di sedimenti indotto dal frangimento delle onde. In passato, nell'ambito di vari programmi italiani ed Europei, il gruppo di ricerca ha eseguito una serie di osservazioni di campo in corrispondenza di opere di difesa: le barriere di Lido di Dante sono in continua osservazione dal 1996, ed occasionalmente sono stati esaminati altre zone litorali della regione (Gabicce, Igea Marina, Cervia, Milano Marittima).

Le opere, studiate in passato come date ed immodificabili, inducono sì effetti sull'idrodinamica (onde e correnti), ma, non modificadosi queste ed avendo i fondali circostanti un effetto secondario sulla idrodinamica, il ciclo della interazione non è stato rappresentato completamente (come chiuso), precludendosi così la possibilità di riprodurre fenomeni importanti, quali ad es. l'instabilità dell'opera a seguito di erosione al piede della stessa (problema insorto a Igea Marina), o il raggiungimento di una configurazione di regime dei fondali al termine della erosione (problema generale).

La UR vuole quindi, nell'ambito di questo progetto, portare un contributo applicativo all'analisi del ciclo chiuso di interazione fra onde, correnti e fondale, evidenziando in particolar modo come la modifica dei fondali influisca sulle condizioni di trasporto e sulla evoluzione ulteriore del fondale.

La ricerca si propone operativamente di definire e valutare strumenti che consentano di prevedere l'evoluzione di una perturbazione del fondale nella zona dei frangenti o in prossimità di questa. Le perturbazioni si pensano indotte sia da un dragaggio a sezione non larga, tipicamente un canale di accesso ad un porto (o una trincea per la posa di condotte), che da un ripascimento della spiaggia sommersa.

Stante le condizioni che caratterizzano il Nord Adriatico la ricerca è rivolta in particolare allo studio del trasporto di sabbie medie e fini.

Ci si propone infine di fornire suggerimenti alla progettazione quali:
· definire, in relazione alle condizioni di trasporto dei sedimenti, i migliori rapporti larghezza/lunghezza/profondità dello scavo che, a parità di volume dragato, garantiscano più a lungo il mantenimento della sezione necessaria per l'accessibilità al porto;
· definire il fondale di posa e la forma del deposito che meglio consenta alla linea di riva di beneficiare del ripascimento, senza accumulare sulla spiaggia emersa le sabbie fini e anossiche (scure), che spesso provengono dal dragaggio, minimizzando nel contempo i costi di intervento.

METODI

1. Rilievi in prototipo e laboratorio

Lo studio dei processi si avvarrà di un ben documentato e geometricamente semplice caso di riferimento olandese, di rilievi sperimentali condotti nel laboratorio di Catania, nonché di rilievi esistenti e nuove osservazioni relative ad interventi di dragaggio e ripascimenti su spiagge dell'Emilia Romagna (effettuati in gran parte ed alcuni pianificati).

Il caso di letteratura preso a riferimento è lo scavo di una trincea per accogliere una tubazione realizzato nel Marzo 1964 a Scheveningen (NL); la trincea si sviluppava perpendicolarmente ad una linea di costa pressoché rettilinea ed è evoluta in modo non dissimile da un canale di accesso ad un porto. Il caso è ben documentato e già analizzato utilizzando vari modelli (Walstra et al., 2004, Blondeaux et al., 2004). Esso costituisce un caso standard su cui confrontare modelli numerici del trasporto solido in mare.

Le prove di laboratorio sono descritte dalla UR di Catania.

Il caso prototipico che si intende analizzare in campo si riferisce al comune di Cervia. Qui sono stati effettuati ripetuti urgenti interventi di dragaggio per mantenere la accessibilità al porto; è stato inoltre pianificato un importante intervento di dragaggio, dell'ordine di 0.1÷0.3 milioni di mc, in via di migliore definizione, abbinato al versamento del sedime sulla spiaggia di Milano Marittima, che, posta alcuni km a Nord del porto, manifesta chiari segni di tendenza erosiva.
A seguito dei numerosi interventi di manutenzione, sono disponibili per il recente passato diverse batimetrie all'anno, e si presume lo saranno ancora nel prossimo futuro. Seppure di estensione limitata ed eseguite fuori dal controllo della UR, queste costituiscono una utile base per approfondimenti. Non sono state rilevate e non lo sarannno presumibilmente nel futuro le aree di ripascimento. Saranno pertanto eseguite delle batimetrie aggiuntive con tecnica multibeam, che consente di valutare nel dettaglio la forma del fondale anche in prossimità di scarpate.

Per il monitoraggio idrodinamico sono disponibili due misuratori acustici del profilo verticale di velocità 3D (ADCP della ditta RDI). Lo strumento è dotato di un sensore di pressione e di 4 fasci divergenti lungo i quali si misura la frequenza e potenza Doppler. Sono progettati per fornire la pressione media (livello di marea), lo spettro direzionale d'onda e profili verticali delle 3 componenti della velocità della corrente e la potenza Doppler (indicatrice della concentrazione di sedimenti). A seguito di una calibrazione la concentrazione effettiva dei sedimenti può essere determinata. Sono disponibili anche due trappole per sedimenti caratterizzate da un insieme di luci diversamente orientate per la misura della distribuzione direzionale del trasporto solido al fondo.

Altra strumentazione della UR sarà impiegata nelle prove di laboratorio.

2. Simulazioni numeriche

Esistono diversi codici commerciali atti a rappresentare la evoluzione morfologica del fondale marino: MIKE21, TELEMAC, Delft3D; di questi il primo è disponibile alla UR.

Un modello morfologico di area costiera, come il CAMS (Coastal Area Morphological Modelling Shell) sviluppato come parte del MIKE 21 da DHI Water & Environment, integra modelli di onda, di corrente e di 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 dell'onda lunga in zone costiere. Il modello è stazionario, direzionalmente disaccoppiato e parametrico; rappresenta gli effetti del ridursi del fondale e la 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 (prossima ai fronti d'onda), la dissipazione di energia per attrito al fondo e frangimento e, 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.

I codici di tipo onda e corrente (o mediati sull'onda), i più frequentemente impiegati nell'analisi morfologica, risolvono dapprima la propagazione ondosa, poi il campo delle correnti e dei trasporti; infine dalla divergenza dei trasporti ricavano l'effetto di deposito o erosione del fondale; aggiornando la configurazione del fondale e rivalutando la forzante idrodinamica ed il trasporto, sono così in grado di determinare l'evoluzione della perturbazione iniziale, fino all'eventuale raggiungimento di un nuovo equilibrio.

Con l'aumento della capacità computazionali, è divenuto tecnicamente possibile simulare con tali modelli per alcuni aspetti l'intera area fisiografica interessata dai potenziali interventi di Cervia (complessivamente 7 km lungo riva) con una risoluzione idonea a descrivere l'effetto delle opere e delle variazioni del fondo.
L'aggiornamento della batimetria nelle simulazioni sarà però limitato a zone più ristrette su cui si concentra la reale influenza e l'interesse del tecnico; le condizioni al contorno di queste aree saranno invece desunte dalla descrizione del processo nell'area più estesa.

I modelli di calcolo commerciali hanno però struttura rigida ed è impossibile modificare quanto non è da questi esplicitamente previsto.
Si intende quindi implementare, in un solutore agli elementi finiti di applicazione generale (FEMLAB: Kremer, 2005; van Schijndel, 2003, Cohen & al. 2005), le equazioni che descrivono la idrodinamica e l'evoluzione dello scavo o ripascimento, seguendone sia gli spostamenti che il riempimento, in similitudine a quanto è fattibile con codici commerciali ed è ad esempio descritto in Hervouet (2000).
In prima istanza si implementeranno le equazioni non lineari delle acque basse (Pironneau, 1989), il trasporto solido con le equazioni di Bijker (Bijker, 1971) o Engelund & Fredsoe (1976), con risoluzione temporale della oscillazione ondosa; tali equazioni trascurano gli effetti dispersivi dando invece piena rappresentazione della non linearità dei fenomeni. Sarà modellata un'area di limitata estensione, prossima agli interventi, al fine di limitare l'impegno di calcolo; la spaziatura fra i nodi deve essere una piccola frazione della lunghezza d'onda e similmente il passo temporale una piccola frazione del periodo; tale dettaglio è di fatto paragonabile a quello necessario per descrivere gli interventi ed in particolare le opere. Ci si riserva di introdurre poi gli effetti della accelerazione verticale (equazioni di Boussinesq; Perwgrine, 1967; Madsen & al. 1999), o implementare separatamente la dinamica delle onde e delle correnti (modello mediati sull'onda).

Il solutore approntato sarà verificato/convalidato in base alle prove di laboratorio eseguite a Catania, in base al caso di Scheveningen ed alle risultanze di altri codici utilizzati nel progetto; esso sarà poi calibrato e confrontato, per il caso di prototipo sopra delineato, sia con i rilievi di campo sia con le risultanze di un codice commerciale (MIKE21).

ATTIVITA'

Le attività previste sono di seguito elencate.
1. Implementare i codici agli elementi finiti per i diversi moduli (onde, correnti, trasporto solido, evoluzione del fondale).
2. Simulare il caso di letteratura, Scheveningen (NL), con il MIKE21 e con il codice sviluppato.
3. Raccogliere, per il tratto di spiaggia compreso fra il limite nord di Milano Marittima ed il Porto di Cervia, le informazioni batimetriche, sedimentologiche, le foto aeree, le informazioni meteomarine e gli interventi recenti di natura antropica (dragaggi e ripascimenti).
4. Raccogliere organicamente le batimetrie eseguite nell'area del porto di Cervia per i progetti ed il controllo dei lavori di dragaggio effettuati.
5. Condurre in due siti, compresi fra Milano Marittima e Cervia, una campagna di monitoraggio, ciascuna di durata circa mensile, mediante l'impiego di 2 ADCP e di 2 trappole per sedimento, per la misura di onde, correnti e trasporto solido, documentando così uno scenario atto alla calibrazione del modello di trasporto solido.
6. Collaborare nella conduzione delle prove di laboratorio di Catania.
7. Integrare le attività di monitoraggio condotte dagli Uffici competenti con due batimetrie mirate agli scopi dello studio ed un'analisi della tessitura del fondale.
8. Calibrare il modello commerciale e quello predisposto sulla base dei dati ottenuti dalla campagna di monitoraggio. Sarà simulata la serie di condizioni di onda e corrente effettivamente misurata dall'ADCP.
9. Ricostruire, su un arco di tempo di circa un anno, l'evoluzione dell'intervento di dragaggio e versamento a Cervia basata su un clima meteomarino semplificato, rappresentato da un numero limitato di condizioni; confrontare il risultato con le batimetrie e le osservazioni disponibili.
10. Ricercare, grazie ai modelli predisposti, suggerimenti per:
· definire criteri per la scelta del fondale di ripascimento ove versare le sabbie provenienti da cave sottomarine;
· definire i criteri che legano la geometria del dragaggio alla capacità di mantenere l'officiosità del canale di accesso, con applicazione al porto di Cervia (a beneficio dei futuri interventi);
· analizzare le tecnologie possibili, suggerendo quelle più adatte.
11. Partecipare agli incontri del progetto.

TEMPI

Le attività 1, 2, 3 e 4 saranno portate a termine nel primo anno del progetto.
Le attività 5, 6, 7 e 11 saranno attuate del primo e secondo anno.
Le attività 8, 9 e 10 saranno svolte durante il secondo anno.

RISULTATI

I risultati scientifici che si presume di ottenere dalla ricerca sono:
· monitoraggio mensile delle due aree analizzate;
· due rilievi batimetrici di dettaglio ed uno sedimentologico;
· moduli da utilizzare nel solutore generale agli elementi finiti per la simulazione idro-morfodinamica:
-solutore delle equazioni idrodinamiche (onde e correnti),
-modulo di valutazione del trasporto dei sedimenti,
-modulo di rappresentazione della evoluzione morfologica;
· convalida e calibrazione dei modelli utilizzati;
· suggerimenti per l'esecuzione dei dragaggi e ripascimenti sottomarini.

Tali risultati saranno documentati come segue:
· 2 report interni, uno sul monitoraggio ed uno sulla modellazione;
· 2 pubblicazioni a convegno;
· 2 pubblicazioni su rivista.

BENEFICI

I risultati della ricerca potranno essere utilizzati per migliorare l'efficienza delle operazioni di dragaggio e la ufficiosità del porto di Cervia e costituiranno una base di esperienza per la gestione di altri porti simili dell'area.