Hydrological-hydraulic modelling of the bench terraces in hilly and mountain areas

I sistemi terrazzati si sono diffusi nel diciannovesimo secolo a seguito della crescente pressione demografica e della conseguente necessità di estendere le coltivazioni anche su terreni ad elevata pendenza. Oltre che dal punto di vista agrario tali sistemi sono importanti ai fini della regolazione della risposta idrogeologica di un versante. Infatti essi riducono la pendenza e la lunghezza dello scorrimento superficiale, controllando quindi quantitativamente la velocità del deflusso superficiale, facilitando il drenaggio e contribuendo in questo modo alla riduzione dei fenomeni erosivi. Lo studio della funzione idrologico-idraulica dei versanti terrazzati è essenziale per valutarne il possibile utilizzo come misure di mitigazione del rischio idraulico capaci anche di preservare il valore paesaggistico dei territori su cui essi insistono. In letteratura sono disponibili pochi studi inerenti la risposta idrologica di versanti terrazzati; l’avanzamento della ricerca in tale ambito è l’obiettivo principale di questo lavoro. In particolare vengono affrontate le seguenti tematiche: - la valutazione degli effetti di mitigazione della pericolosità idraulica (riduzione del picco di piena e suo ritardo temporale) a scala di versante indotti dalla presenza di sistemi terrazzati; - lo studio dei meccanismi di trasformazione afflussi-deflussi e dei processi di propagazione degli stessi in sistemi terrazzati; Al fine di raggiungere tali obiettivi è stato implementato un approccio integrato basato su attività sperimentali e modellistiche. Nella prima parte del lavoro è stato utilizzato il modello idraulico FLO-2D per analizzare i processi di propagazione in atto in un versante terrazzato (composto da una sequenza di muri a secco) al variare del numero e della disposizione spaziale dei terrazzi e assumendo due diversi scenari di saturazione del suolo rappresentati da diversi valori di umidità iniziale antecedente l'evento, come previsto dal metodo Soil Conservation Service - Curve Number. L'analisi modellistica mostra che la riduzione del deflusso alla base del sistema terrazzato dipende maggiormente dalle modifiche topografiche piuttosto che dalle variazioni della capacità di infiltrazione del suolo adiacente il muro. Le simulazioni eseguite su di un versante con una pendenza di 20° e alimentato da un evento di precipitazione intensa, mostrano che il picco di piena alla sezione di chiusura si riduce in funzione della percentuale di area terrazzata. Tale riduzione può essere valutata attraverso una specifica funzione logaritmica (per esempio, al crescere dell'area terrazzata da 10% a 30% la riduzione del picco di piena può essere quasi del 45%). Questa informazione può aiutare a individuare il corretto inserimento dei terrazzi per una maggiore efficace in termini di benefici idrologici. La seconda parte del lavoro riguarda lo studio della risposta idrologica di un’unità terrazzata con un muro a secco attraverso attività sperimentali e modellistiche. In particolare è stato costruito un modello fisico a scala reale per riprodurre il comportamento di un terrazzo al variare della sua pendenza (3%, 6% e 9%) e del tipo di copertura del suolo (suolo nodo o inerbito). Il modello consiste in un box metallico (1 metro di larghezza, 3.3 metri di lunghezza e 0.8 m di altezza) che contiene al suo interno un terrazzo composto da un versante delimitato a valle da un muro a secco. Tale versante è stato strumentato con 9 sensori TDR per la misura del contenuto di umidità del suolo, uno sfioratore delle portate liquidi in ingresso al versante a monte dello stesso, due bilance per la misura del deflusso, una posizionata alla base del muro per la misura del deflusso sotterraneo e una in corrispondenza della parte superiore del muro per la misura del deflusso superficiale. Gli esperimenti sono stati caratterizzati da differenti condizioni di umidità iniziale (ad alto e basso grado di saturazione) e da portate liquide in ingresso costanti e pari a 19.5, 12 e 5 l/minuto. Ogni esperimento è stato replicato per un totale di 35 esperimenti eseguiti. L'esame delle misure dei 9 sensori TDR ha fornito una soddisfacente rappresentazione dell'andamento dell'umidità globale del suolo nel corso di ogni esperimento. Sono stati poi misurati diversi tempi caratteristici della risposta idrologica alla sezione di chiusura sia per il deflusso superficiale che per il deflusso sotterraneo. I risultati ottenuti aiutano a comprendere la cinematica dei processi idrologici che caratterizzano l’unità terrazzata. E’ stato calcolato uno specifico Curve Number (Soil Conservation Service) associato all’unità terrazzata che assume valori piuttosto alti se comparati a quelli riportati in letteratura. Questo comportamento è probabilmente legato alle alte portate in ingresso, alla limitata sezione idraulica (1m), alla crescente compattazione del suolo causata dal susseguirsi delle prove e al fatto che il terrazzo è confinato all'interno di una struttura metallica impermeabile. Un innovativo modello idrologico è stato implementato e calibrato sui dati sperimentali. I risultati modellistici riproducono in modo soddisfacente le misure soprattutto per quanto riguarda il deflusso superficiale che è la componente prevalente di deflusso. In generale il deflusso sotterraneo non risulta invece essere propriamente simulato in quanto il modello non tiene conto di particolari fenomeni di infiltrazione impulsiva presenti in alcune prove. Infatti, i risultati sperimentali indicano che il suolo all'interno del terrazzo è altamente eterogeneo, con la presenza di discontinuità e sistemi di canali sotterranei che facilitano una rapida infiltrazione e lo sviluppo di deflusso sub-superficiale impulsivo che va a sommarsi al deflusso profondo (generalmente di modesta entità) alimentato dall’infiltrazione connessa agli strati superficiali del suolo. La sperimentazione effettuata risulta innovativa e fornisce nuove conoscenze sulla funzione idrologica-idraulica di un sistema terrazzato che possono servire per indirizzare in modo più efficiente la gestione e la manutenzione di queste importanti sistemazioni agrarie.