RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Cave sottomarine e ripascimenti: modellazione morfologica e applicazioni

Università di riferimento

Università degli Studi di CATANIA - INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE - CATANIA(CT)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Enrico FOTI

Descrizione

Sulla base delle problematiche introdotte al paragrafo precedente, si avverte dunque l'esigenza di approfondire le conoscenze riguardanti la coltivazione delle cave sottomarine al fine di favorire uno sviluppo sostenibile di tale pratica. In particolare, appare necessario poter offrire agli Enti o alle Autorità con responsabilità di gestione del mare e della costa linee guida e strumenti idonei che consentano di capire il comportamento morfodinamico di lungo periodo delle cave di sabbie e di ghiaie e gli effetti sull'idrodinamica costiera legati all'apertura delle cave stesse.

A tal riguardo, appare evidente come la stima dell'evoluzione morfologica di lungo periodo richieda la conoscenza accurata della direzione e dell'intensità delle forzanti idrodinamiche (correnti e onde) e dei processi di trasporto solido che si realizzano in condizioni indisturbate in prossimità della cava; la determinazione delle modifiche del campo di moto e dei processi di trasporto solido indotte dalla presenza della cava stessa; nonché la modellazione di tali processi e di tali modificazioni tramite l'uso di modelli matematici adatti alla simulazione di scenari futuri.

In tale contesto bisogna pertanto inquadrare le attività della presente proposta, anche informate dall'esperienza maturata nell'ambito del progetto triennale di ricerca denominato "SandPit" (finanziato dalla EU), volte in particolare a perseguire i seguenti obiettivi specifici: (i) raccolta di dati di verità di campo sull'evoluzione morfodinamica di cave; (ii) campagna sperimentale di laboratorio per la modellazione di una cava tridimensionale in presenza di onde e di correnti; (iii) modellazione numerica dell'interazione di una trincea con l'idrodinamica costiera.

1. Raccolta di dati di campo sull'evoluzione di cave esistenti

Con riferimento a questa linea di ricerca, si è da più parti evidenziato come l'assenza di dati di verità raccolti in campo condizioni e limiti fortemente le attuali conoscenze nei riguardi dell'evoluzione morfologica di cave sottomarine e del loro ottimale sfruttamento. Ciò è tanto più vero se ci si riferisce alle cave di prestito di ghiaie. Pertanto una parte considerevole dell'impegno dell'Unità di Catania sarà votato all'acquisizione di dati di campo relativi all'evoluzione morfodinamica di una cava di ghiaia.
A tale scopo è opportuno ricordare che l'Unità di Catania ha recentemente ottenuto un finanziamento dall'Assessorato Regionale all'Industria per l'acquisto di un natante opportunamente attrezzato di sistema per la rilevazione dei fondali (gommone con ecoscandaglio, GPS, etc.). Nell'ambito del presente progetto di ricerca, pertanto, si pensa di potere utilizzare proficuamente tale attrezzatura, attualmente in via di acquisizione, insieme a una adeguata strumentazione di campo per il rilievo delle caratteristiche idrodinamiche fornita dall'Unità di Bologna. L'attività di monitoraggio verrà completata anche da informazioni sull'idrodinamica acquisibili tramite ondametri per bassi fondali.
E' opportuno segnalare che, nell'ambito degli interventi messi in atto per contrastare i forti fenomeni erosivi che si sono verificati lungo il litorale messinese, sono stati previsti numerosi interventi di ripascimento artificiale delle spiagge in erosione sfruttando materiale sabbioso e/o ghiaioso proveniente da cave sottomarine situate in zone prossime ai siti oggetto di intervento.
Nell'ambito del presente progetto di ricerca appare quindi di particolare interesse la possibilità di sfruttare le attrezzature disponibili sopra menzionate per eseguire le attività di monitoraggio di una delle citate cave sottomarine, seguendone l'evoluzione anche con particolare attenzione agli effetti della presenza della cava sulla morfologia della spiaggia antistante.
La tipologia di cava risulta di particolare interesse sia scientifico sia ingegneristico anche per altre ragioni. Infatti l'attuale attività di estrazione da cave sottomarine è stata principalmente indirizzata, soprattutto in Italia, all'acquisizione di materiale sabbioso (vedere, per esempio, il caso della laguna di Venezia, descritto in Cecconi e Ardone, 2000), di conseguenza le conoscenze disponibili per quanto riguarda l'utilizzo di materiale più grossolano (ghiaie), sono ancora modeste.
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 presenti 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. Tuttavia sembra che il riversamento di materiale anche più fine possa dare luogo a pendenze della zona di battigia maggiormente compatibili con l'uso ricreativo (Aminti et al. 2002).
In definitiva, per quanto concerne questo obiettivo specifico, la presente ricerca si propone di incrementare le conoscenze sull'evoluzione morfologica della cava e sugli effetti della sua presenza sulla costa.
Inoltre da tale attività si prevede anche di rielaborare per la coltivazione di cave di ghiaia le linee guida già proposte nell'ambito del progetto SandPit.

2. Campagna sperimentale di laboratorio per la modellazione di una cava tridimensionale in presenza di onde e correnti

Nell'ambito del progetto europeo SandPit, l'Unità di Ricerca di Catania si è dotata di una vasca per lo studio del campo di moto dovuto alla contemporanea presenza di onde e di correnti ortogonali. La vasca dispone anche della possibilità di essere utilizzata in presenza di un fondo erodibile. Pertanto, nell'ambito del presente progetto di ricerca, le attività saranno volte allo studio dell'interazione idro-morfodinamica di un campo di moto ondoso e di una corrente stazionaria in presenza di diverse configurazioni della geometria di una cava idealizzata (per dimensioni, forma, orientamento).
E' noto, infatti, come diversi orientamenti della zona di escavazione rispetto alla direzione principale di propagazione delle sole correnti o del solo moto ondoso prevalente diano luogo a fenomeni completamente differenti tra loro (van Rijn e Walstra, 2002). Per esempio, in caso di presenza di sola corrente, se essa ha una direzione di propagazione perpendicolare all'asse di orientamento principale della trincea, si realizza un deposito di materiale nella zona sopraflutto e una erosione della sponda sottoflutto, risultante in una propagazione della cava nella direzione di flusso; mentre se la direzione della corrente è parallela all'asse della cava, si ha un progressiva erosione di entrambe le sponde per effetto gravitazionale, con conseguente riempimento della cava (van Rijn e Walstra, 2002). Nel caso in cui siano presenti solo onde, a seconda della direzione di propagazione del moto ondoso, entrano in gioco fenomeni quali lo shoaling, la rifrazione, la diffrazione che danno luogo a una struttura complessa del campo di moto nella zona interessata dalla cava (van Rijn e Walstra, 2002).
In natura però la presenza di solo onde o di solo correnti è piuttosto rara; usualmente si ha infatti la sovrapposizione dei due moti. Nel caso di fondo fisso è stato dimostrato che la sovrapposizione di un campo di moto ondoso a una corrente stazionaria è in grado di indurre sostanziali modificazioni della struttura del campo di moto, in funzione non solo delle condizioni del moto ondoso rispetto a quelle della corrente ma anche delle caratteristiche di scabrezza del fondo (Kemp e Simons, 1982, Kemp e Simons, 1983, Lodahl et al., 1998, Cavallaro et al., 2004). Non altrettanto noti risultano gli effetti in presenza di uno scavo, su fondo erodibile, in condizioni di onde e di correnti sovrapposte.
L'Unità di Ricerca di Catania, pertanto, sfruttando le esperienze maturate nell'ambito del citato progetto europeo SandPit, prevede quindi di realizzare alcuni esperimenti di laboratorio per la comprensione dei meccanismi di interazione tra una cava sottomarina e l'idrodinamica indotta da un moto ondoso sovrapposto ortogonalmente a una corrente.
E' opportuno sottolineare che tale attività di ricerca sull'evoluzione morfologica di una cava idealizzata sarà strettamente condotta con l'Unità di ricerca di Bologna. Quest'ultima unità, infatti, intende procedere allo studio della morfodinamica delle "trench" in campo; pertanto, anche al fine di favorire una fertilizzazione incrociata tra gli studi condotti dalle diverse unità, sarà opportuno cercare di riprodurre in laboratorio, sebbene con tutte le approssimazioni del caso, le situazioni riscontrate nella realtà dalla citata unità di Bologna.
Al riguardo, si ricorda come le principali caratteristiche del trasporto solido e della morfologia costiera possono essere caratterizzate da parametri adimensionali (altezza d'onda relativa, numero di Froude, numero di mobilità dei sedimenti, etc). Pertanto condizioni rappresentative di situazioni di campo possono essere utilmente riprodotte in laboratorio anche al fine di individuare le caratteristiche progettuali ottimali della zona di estrazione. In particolare, si ipotizzeranno diverse condizioni geometriche della cava (dimensioni, profondità di scavo, orientamento dell'asse principale della cava rispetto alla corrente).
Al fine di considerare diverse condizioni idrodinamiche, saranno condotti esperimenti per diversi valori dei rapporti Uo/Uc (Uo essendo la velocità al fondo dovuta al moto ondoso e Uc quella dovuta alla corrente).
Misure dei profili di velocità al di fuori e all'interno della zona di scavo, volte a valutare le modifiche all'idrodinamica dovute alla presenza della cava, saranno effettuate tramite l'utilizzo di un misuratore acustico di velocità (micro ADV).

3. Modellazione numerica dell'interazione di una cava con l'idrodinamica costiera

In questo contesto l'Unità di Ricerca di Catania si propone di studiare l'effetto che la presenza di una cava ha sull'idrodinamica di larga scala, in particolare all'interno della zona dei frangenti (surf zone, nella letteratura anglosassone).
Come si è precedentemente evidenziato, infatti, l'ubicazione ottimale delle cave sottomarine deve avvenire a profondità tali da non influenzare l'idrodinamica in prossimità della costa. Alcuni lavori dell'US Army Corps of Engineering del 1958, 1965, 1967, avevano evidenziato come su profondità dell'ordine della decina di metri non vi fosse influenza della cava sulla costa antistante e pertanto nella pratica tali indicazioni sono ampiamente adottate. Tuttavia, esperienze di campo e di laboratorio più recenti (tra gli altri Migniot e Viguier, 1980, Uda et al., 1995, Hilton, 1996, Hsu e Chang, 1999, SandPit Endbook, 2005) hanno messo in evidenza come anche su profondità di quest'ordine di grandezza non sia possibile escludere sostanziali modificazioni del clima ondoso in prossimità della costa e, di conseguenza, del regime di trasporto solido, non solo in prossimità della cava stessa, ma anche in aree sufficientemente lontane da essa.
Per lo studio dell'idrodinamica nella zona dei frangenti, l'Unità di Ricerca di Catania prevede di utilizzare un approccio basato sull'implementazione e sullo sviluppo di originali modelli numerici alla Boussinesq, ossia modelli totalmente non-lineari per lo studio del moto ondoso basati su equazioni integrate sulla verticale. La scelta di sviluppare tali modelli, rispetto ad altre metodologie di descrizione del campo di moto anche più accurate, deriva dal fatto che essi risultano di notevole interesse applicativo poiché sono ad un tempo sufficientemente accurati, nonché efficienti dal punto di vista computazionale e, pertanto, applicabili a problemi di larga scala di interesse ingegneristico.
In questo ambito, negli anni passati l'unità ha già sviluppato un modello alla Boussinesq in grado di fornire un'accurata descrizione delle caratteristiche del moto ondoso all'interno della zona dei frangenti, basato sull'inclusione di vorticità all'interno del campo di moto dovuta al processo di frangimento (Musumeci et al., 2005).
In particolare, tale modello ben si presta a una accurata simulazione del processo di propagazione del moto ondoso da condizioni di acque intermedie, in cui spesso sono ubicate le cave sottomarine, a condizioni di acque basse, ovvero all'interno della zona dei frangenti.
Inoltre si sottolinea come la totale nonlinearità delle equazioni che governano il modello consenta di ottenere una modellazione più accurata anche dei processi di interazione con variazioni topografiche del fondo. Tale maggiore precisione è essenziale per una corretta predizione delle caratteristiche del moto ondoso quando iniziano a frangere (per esempio, previsione corretta dell'altezza e della lunghezza d'onda, della skewness e dell'asimmetria del profilo del pelo libero).
Sarà possibile quindi verificare per diverse condizioni del moto ondoso (onde regolari e onde irregolari) e per diverse configurazioni geometriche della zona di scavo gli effetti della presenza della zona di scavo sull'idrodinamica della surf zone, quali variazioni dell'altezza d'onda, del profilo d'onda, dei profili di velocità, dell'ampiezza della zona di frangimento e generazione di eventuali onde di lungo periodo dovute all'interazione con la cava.
Poiché il fine ultimo di tali studi è quello di avere a disposizione strumenti idonei allo studio idro-morfodinamico delle regioni costiere, l'ulteriore sviluppo della ricerca prevederà l'inserimento nel modello "de quo" di un modulo morfologico, avvantaggiandosi in questo caso, rispetto agli studi precendenti, di una più accurata descrizione del processo di frangimento.
La scelta potrebbe ricadere sul modello morfologico inizialmente introdotto da Roelvink e Stive (1989), che prevede come forzanti sia le maree che le onde vive e che, soprattutto, prevede l'inserimento in forma parametrica degli effetti del frangimento. Detto modello è stato progettato per lo studio della morfodinamica costiera e pertanto prevede sia trasporto al fondo sia trasporto in sospensione. Recentemente detto modello è stato modificato (Roelvink et al. 1995), per tenere anche in conto ulteriori dettagli del fenomeno di frangimento anche ai fini di una migliore descrizione della migrazione delle barre costiere.
L'attività di modellazione numerica sarà svolta in stretta collaborazione con l'Unità di Genova, che prevede di sviluppare un modello basato sull'integrazione delle equazioni non lineari del moto ondoso in acque basse per lo studio dell'idrodinamica costiera in presenza di una cava sottomarina.
In definitiva si ritiene interessante la possibilità di confrontare e integrare i risultati dei differenti approcci considerati dalle due Unità di Ricerca, validando i modelli numerici sulle serie di dati ottenuti in campo e in laboratorio dalle Unità di Catania e di Bologna.

Risultati

I risultati scientifici che si presume di ottenere dalla ricerca sono:
- dati di campo provenienti dal monitoraggio di una cava di materiale grossolano;
- dati di laboratorio sull'evoluzione di una cava (o di un "trench") soggetta alla contemporanea presenza di onde e correnti;
- modello numerico alla Boussinesq per lo studio dell'idrodinamica costiera in presenza di un "trench";
- linee guida per l'estrazione di materiale sabbioso e ghiaioso da cave sottomarine.
La disseminazione dei risultati ottenuti avverrà attraverso pubblicazioni su riviste e/o in atti di convegni nazionali ed internazionali.

Ricadute

I risultati della ricerca potranno essere utilizzati per ottimizzare le attività estrattive da cave sottomarine ai fini del ripascimento delle spiagge. Inoltre saranno fornite linee guida operative a carattere regionale per l'apertura e la gestione di tali cave, con particolare riguardo a quelle di materiale grossolano.