Analisi sperimentale delle scabrezze di superficie e di fondo per la modellazione dinamica dei flussi torrentizi e della caduta massi

Questa ricerca è finalizzata allo studio dei meccanismi di resistenza al moto nei corsi d’acqua montani e sui versanti per comprendere meglio le dinamiche di esplicazione dei diversi processi naturali. In particolare il ruolo svolto dalla topografia locale e gli effetti della presenza della vegetazione arborea. Gli intenti scientifici sono quindi quelli di analizzare in modo approfondito le interazioni tra i singoli processi naturali, la superficie di scorrimento e il soprassuolo arboreo nella definizione delle resistenza al moto. L’indagine è stata condotta attraverso osservazioni e rilievi di campo relativi a due eventi reali di debris flow ed un evento di rockfall; inoltre, sono stati condotti test in scala ridotta di debris flow e in scala reale di caduta massi e correnti idrauliche. Gli obiettivi del progetto sono stati strutturati su tre tematiche principali: 1.fornire una revisione critica delle procedure utilizzate in letteratura per la stima della resistenza al moto nei confronti dei singoli processi consideranti; 2. esaminare le possibili interrelazioni tra il processo e gli elementi di scabrezza, in particolare la morfologia e la topografia del terreno e la vegetazione arborea ed arbustiva; 3. definire una nuova metodologia per la quantificazione della scabrezza superficiale spazialmente distribuita, in grado di rappresentare gli effetti dell’irregolarità del terreno e implementarla all'interno di un programma di modellazione numerica. Scopo finale della ricerca è quello di approfondire le conoscenze riguardanti la cinematica dei processi naturali analizzati e giungere alla definizione di indicazioni per la gestione dei boschi di protezione. Le aree di studio scelte sono state le seguenti: a) una porzione di versante del Monte Antelao (Vodo di Cadore, Belluno) recentemente oggetto di un crollo di roccia che ha interessato il popolamento forestale posto a valle; b) un canale da valanga presente nel massiccio di Belledonne, nella foresta comunale di Vaujany (Francia) in cui sono state condotte prove a scala reale di caduta massi; c) il deposito detritico di due eventi di debris flow e la componente forestale coinvolta lungo i rii Somprade (Auronzo di Cadore, Belluno) ed Senago (Val di Vizze, Bolzano); d) due tratti di una scala di rimonta per pesci collocata a lato del Torrente Vanoi (Canal San Bovo, Trento), costruite con una morfologia a step-pool, assimilabili ad un modello fisico a scala reale. Inoltre, a supporto del lavoro di campo, lo studio dei debris flow e le relazioni con la componente forestale sono state approfondite conducendo test di laboratorio in scala ridotta su reometro a piano inclinato presso la Facoltà di Agraria dell’Università di Milano. Lo studio delle mutue relazioni del crollo di roccia e delle colate detritiche con la foresta è stato condotto a diversa scala: attraverso indagini di campo post-evento, prove di laboratorio a scala ridotta (limitatamente per il processo di colata detritica) ed infine eseguendo alcune modellazioni numeriche. La campagna di rilievi ha permesso di approfondire le conoscenze sui danni prodotti dall’impatto dei massi e dei flussi detritici sugli alberi e come questi reagiscono, nonché il modo in cui possono fornire, con la loro presenza, un’effettiva azione di contenimento delle runout. I test di laboratorio hanno consentito di esaminare l’effetto complessivo del popolamento forestale in conoide sui depositi dei debris flow e come questo cambia in funzione del tipo di governo (a fustaia o a ceduo). Le modellazioni numeriche hanno invece permesso di esplorare più in dettaglio le modalità e le limitazioni dell’implementazione della componente arborea ed arbustiva all'interno del modelli stessi e come cambia il potere di protezione offerto da un soprassuolo forestale nei confronti del crollo di roccia durante il suo ciclo di sviluppo, cioè nel medio/lungo periodo. I software impiegati sono stati RockyFOR-3D per la caduta massi e il crollo di roccia e FLO-2D per le colate detritiche. Le evidenze di campo e le simulazioni in laboratorio hanno messo in luce come l’effetto della vegetazione arborea ed arbustiva influenzi i processi deposizionali del crollo di roccia e dei debris flow. In particolare, l’importanza di accoppiare modelli di crescita del popolamento forestale a modelli di simulazione numerica del processo del crollo di roccia e della caduta massi e il confronto tra lo scenario non boscato con gli scenari boscati. Per le colate detritiche è emerso che il diverso regime di deflusso influenza il modo in cui gli alberi concorrono alla soppressione del movimento, ovvero quando domina il regime collisionale, alberi di grandi dimensioni e bassa densità producono spessori di deposito più elevati, direttamente proporzionali al diametro stesso, mentre, quando domina il regime frizionale, il deposito del materiale è favorito dall'aumento della superficie di scorrimento, perciò una foresta densa composta da alberi di piccole dimensioni o arbusti forniscono una migliore capacità di ritenzione. Inoltre, una gestione a ceduo sembra capace di contribuire sempre alla deposizione delle colate detritiche su distanze che diminuiscono all’aumentare della concentrazione solida. Per quanto riguarda lo studio cinematico delle correnti idrauliche condotto eseguendo prove di diversa portata sui tratti a step-pool hanno confermato precedenti studi che affermano che la deviazione standard fornisce una misura più affidabile di scabrezza nelle diverse morfologie di canale, al contrario della granulometria; che la maggior parte della perdita di energia, soprattutto per le portate basse, è dovuta alla "spill resistance"; e che, in queste morfologie, la sommergenza relativa diminuendo e la pendenza aumentando cooperano nel favorire la dissipazione di energia. Il tentativo di proporre un nuovo metodo automatizzato per la definizione del parametro di scabrezza da impiegare nel modello numerico di simulazione tridimensionale della caduta massi ha prodotto una generale sovrastima delle variabili analizzate. Ciononostante, la buona approssimazione dei valori massimi ne indicano un potenziale di sviluppo.