Aspects of riverine hydro-morpho-biodynamics at watershed scale

L’integrazione di varie discipline scientifiche sta diventando sempre più importante nel definire in maniera compiuta l’evoluzione di un intero sistema fluviale, sia dal punto di vista spaziale che temporale. Questo lavoro di tesi si prefigge lo scopo di analizzare l’evolversi di un fiume sottoposto ad interazioni idrologiche, morfologiche e biologiche. Tale analisi viene fatta a scala di bacino, adottando un modello numerico 1-D integrato con un sottomodello quasi 2-D. Entrambi i modelli sono capaci di utilizzare ed integrare i dati reperibili lungo un corso d’acqua, che spesso risultano carenti sia qualitativamente che quantitativamente, soprattutto nel caso di grandi fiumi non strumentati, tipici dei paesi in via di sviluppo. Tale approccio permette quindi di studiare l’evolversi di un complesso sistema fluviale a grande scala e a lungo termine, in quanto i tempi computazionali richiesti dal codice semplificato risultano piuttosto contenuti. I risultati ottenuti sono indicativi di una tendenza evolutiva del fiume a media risoluzione, che può essere utile in differenti studi, anche come dato di input per successive modellizzazioni di maggior dettaglio. Nel primo capitolo si evidenziano tutti i meccanismi di formazione e trasporto dei sedimenti, in modo tale da fornire una panoramica sui vari modelli che si possono adottare per descrivere l’evoluzione morfologica di un sistema fluviale. Oltre a tale descrizione, in questo capitolo vengono messe in evidenza anche le differenti conformazioni fluviali presenti in natura, suddivise sulla base della loro morfologia dominante. La mancanza di dati specifici, sia dal punto di vista dell’idrologia che della morfologia e della biologia, comporta l’applicazione di un modello, sia pure non di dettaglio, capace di descrivere i principali processi dell’idrodinamica, della morfodinamica e della crescita della vegetazione riparia lungo il corso del fiume. Questo modello, sostanzialmente 1-D, si basa sulle semplificazioni connesse all’imposizione del moto localmente uniforme. Al modello 1-D viene associato un sottomodello quasi 2-D, capace di fornire una descrizione sintetica della sezione trasversale del fiume. Tale sottomodello si rende necessario per l’analisi di grandi sistemi fluviali, dei quali spesso non si dispone di un rilievo batimetrico di dettaglio. Nel secondo e nel terzo capitolo viene quindi fatta un’analisi di tali modelli, evidenziando i pregi ed i difetti delle varie semplificazioni effettuate. Lo sviluppo della vegetazione riparia è fortemente influenzato dalle forzanti agenti su di essa, sia quelle idrologiche che quelle morfologiche. Allo stadio attuale, esistono solo alcuni studi sito-specifici o di carattere puramente qualitativo che analizzano compiutamente l’interazione tra le forzanti fluviali e la vegetazione riparia. In questa tesi si è quindi voluto provare a descrivere l’influenza dell’idrologia e della morfologia sullo sviluppo della vegetazione, semplificando il più possibile i meccanismi coinvolti. Viene quindi proposta tale analisi, evidenziandone i limiti legati all’assenza di dati sperimentali tali da permettere una buona taratura del modello. Nei successivi due capitoli vengono riportate due differenti applicazioni del modello completo: la prima al fiume Paranà e la seconda al fiume Zambezi. L’applicazione al fiume Paranà viene fatta per mettere in evidenza la bontà del modello nel descrivere l’evoluzione fluviale, anche mediante un raffronto con un modello commerciale unidimensionale quale Hec-Ras. Tale applicazione è stata fatta anche per verificare l’impostazione generale e le formulazioni adottate nella descrizione della sezione sintetica e dell’interazione tra le forzanti fluviali e lo sviluppo della vegetazione riparia. Lo studio del fiume Zambezi vuole invece verificare come l’alterazione delle portate a causa degli sbarramenti idroelettrici presenti lungo il corso d’acqua influenzi fortemente sia la morfologia che la biologia dell’ambiente fluviale, con effetti sia a medio che a lungo termine. Questa analisi è stata fatta con l’intento di analizzare le variazioni planimetriche e batimetriche susseguenti all’alterazione del regime idrologico naturale di un corso d’acqua causata dalla costruzione di sbarramenti idroelettrici. Nell’ultimo capitolo vengono discussi i risultati generali ed introdotti i possibili sviluppi futuri, sottolineando come tutti i modelli semplificati analizzati in questo lavoro di tesi necessitino di ulteriori verifiche e validazioni, anche attraverso l’analisi di ulteriori dati sperimentali.