Matteo Prosperi Porta LM-PRN - Collegio Didattico di Ingegneria

 Dipartimento di Ingegneria civile
Corso di laurea in Ingegneria per la protezione
del territorio dai rischi naturali
Relazione di fine tirocinio
Acquisizione di competenze numeriche e teoriche
finalizzate alla realizzazione della tesi riguardante la
propagazione ondosa in lagune
Tirocinante:
Tutor:
Matteo Prosperi Porta
Claudia Adduce
Sommario
Premessa………………………………………………………………………….1
Introduzione……………………………………………………………………...2
-Il Wadden Sea………...……………….………………………………………….2
-Perché Ameland?....…...……………….………………………………………….5
Descrizione del software Delft3D………………………………………………...8
Basi della modellazione………………………………………………………......16
-Il modello di partenza...……………….…………………………………………16
Analisi dati…………………………………………………………………….....19
Conclusioni……………………………………………………………………...30
Bibliografia……………………………………………………………………....31
Premessa
Il presente documento vuole illustrare le attività effettuate al fine di acquisire le
competenze necessarie per la realizzazione della tesi di laurea del corso di studio magistrale
‘Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali’ – indirizzo idraulica. Tale attività
è prevista dall’art. 10, co. 5 del DM 270/2004 e considerata equivalente al tirocinio. Questo
studio è stato svolto nel periodo compreso tra il 02/05/2016 ed il 10/06/2016 presso il
“Department of hydraulic engineering” della Università “TU Delft” (Delft, Olanda), per
un totale di 100 ore.
Obiettivo della tesi di laurea è stato quello di realizzare un modello per lo studio della
propagazione ondosa e del trasporto solido in un contesto lagunare quale quello del
Wadden Sea (e in particolare della zona di Ameland), pertanto si è scelto di utilizzare il
software Delft3D. E’ stato quindi necessario effettuare delle attività preliminari al lavoro
di tesi vero e proprio, per l’acquisizione della conoscenza del software e la realizzazione di
alcuni modelli preliminari.
La trattazione che segue vuole analizzare, dopo una fase introduttiva in cui viene illustrata
la zona in esame, le funzionalità del software e le modalità attraverso cui è stato possibile
utilizzare il programma per la realizzazione di una prima fase della tesi.
1 Introduzione
Il Wadden Sea
Il Wadden Sea è la zona mesotidale situata nella parte meridionale del Mare del Nord e
separata da esso dalle isole Frisone. È una vasta area che comprende diverse nazioni quali
Paesi Bassi, Germania e Danimarca.
Figura 1. Il Wadden Sea
2 Come si evince dalla Fig.1, il Wadden Sea è un’area complessa, caratterizzata dalla presenza
di diverse bocche di accesso (bocche di marea) situate tra le isole che connettono il Wadden
Sea ed il Mare del Nord.
È il più grande sistema di ‘interconnected intertidal flats’ al mondo ed è stato dichiarato
Patrimonio dell’Umanità dall’UNESCO nel 2009. È una zona di grande importanza sia da un
punto di vista biologico, è infatti presente un’elevata biodiversità, sia da un punto di vista
economico, vengono svolte diverse attività quali pesca ed estrazione di gas.
Nella parte Olandese del Wadden Sea, individuata tra la bocca di accesso situata più ad Ovest
(Texel Inlet) e l’estuario del Ems-Dollard, sono presenti cinque isole ciascuna delle quali
presenta uno spartiacque nella zona compresa tra l’isola e la costa.
Questi spartiacque dividono il Wadden Sea in una serie di ‘tidal basins’.
Nel Wadden Sea si verificano differenti processi fisici inerenti la propagazione delle onde
quali interazioni non lineari onda-onda, generazione di onde localmente, frangimento di onde
ed altro. Questi sono dominati principalmente dall’azione della marea. Infatti, come già detto,
il Wadden Sea è una zona mesotidale, ciò significa che è situato tra i livelli idrici di alta e bassa
marea: durante l’alta marea la zona risulterà essere interamente sommersa dal mare mentre
durante il periodo di bassa marea parte dell’area sarà emergente.
Proprio per questo gran parte della letteratura e modellistica esistente tende a marcare l’effetto
della marea a discapito degli altri processi di propagazione, soprattutto in merito al trasporto
solido.
In particolare si sottolinea il lavoro svolto da Groeneweg1 (2007) che ha mostrato come
l’utilizzo di software quali SWAN e Delft3d per la modellazione di un ‘tidal inlet system’
come il Wadden Sea, per stati di mare mosso, risulti efficiente (in particolare per l’inlet di
3 Ameland). Nello stesso studio vengono anche messi in luce i limiti di una simulazione in tal
senso (principalmente legati ad una sottostima dell’onda significativa dovuta al non modellare
a pieno il fenomeno del frangimento delle onde in acque basse).
Recenti studi cercano di superare il problema legato alle difficoltà di simulare il frangimento
delle onde in acqua bassa per modellazioni svolte con programmi che operano come SWAN
e gettano importanti basi per sviluppi futuri della modellazione costiera. (Salmon et al.2
(2015)).
Inoltre come analizzato nello studio di van der Westhuysen e De Waal3 (2008) l’utilizzo del
software Delft3d risulta ottimale in quanto sopperisce alle limitazioni delle attrezzature (boe
ondametriche) adibite alle misurazioni. Infatti questo tipo di boe non sono lo strumento
ideale ad evidenziare piccole onde di vento in un contesto lagunare.
In realtà recenti studi, come quello svolto da Duran-Matute4 (2014), hanno mostrato come
seppur l’azione della marea abbia un ruolo centrale nella determinazione del trasporto solido
della zona non è possibile prescindere dal considerare l’interazione tra la stessa e gli altri
fenomeni di propagazione ondosa.
In particolare Duran-Matute ha evidenziato come l’azione del vento imponga una grande
variabilità nella magnitudine e nella direzione (durante venti intensi provenienti da sud-ovest)
del trasporto.
La realizzazione di questo lavoro si inserisce in un progetto ampio che vuole andare a studiare
il trasporto solido all’interno del Wadden Sea in modo tale da poter prevenire i problemi ad
esso relativi (pertanto non deve essere considerato come una monade a se stante ma come il
punto di partenza per uno studio a grande scala). Infatti, come indicato da Letterman5 (2009),
osservazioni sedimentologiche documentano che, per lunghi periodi di tempo, frazioni dei
sedimenti più fini scompaiono dalle regioni del Wadden Sea.
Lo studio di Letterman mostra anche che per condizioni climatiche moderate, con velocità
del vento fino a 7,5 m/s e onde di piccola altezza, si ha trasporto di sedimenti verso la parte
4 Est del Wadden Sea mentre, per condizioni di tempesta, si ha forte erosione dei pressi delle
isole Frisone con trasporto di sedimenti nelle zone anteriori alle isole stesse.
L’obiettivo è quindi quello di realizzare un modello in grado di analizzare il fenomeno nella
sua completezza e che superi la modellistica esistente, che considera unicamente stati di mare
mosso (questo perché le finalità degli studi precedenti sono quelle di realizzare opere di
ingegneria idraulica e sono quindi interessati alle condizioni più gravose), andando quindi a
valutare differenti stati di mare.
Questa scelta è stata effettuata per poter effettuare un’analisi totale dei processi che
avvengono della zona, prescindendo dal considerare quelli dominanti come gli unici presenti
e per evidenziare e dimostrare quanto sia fondamentale il considerare l’azione delle onde
generate dal vento negli studi sul trasporto solido anche per basse velocità del vento.
Il fine ultimo di questo studio è quindi comprendere come avvenga il trasporto solido nella
zona. Infatti a causa dell’innalzamento del livello medio marino e dell’attività antropica è
possibile che la zona diventi soggetta a fenomeni erosivi o che, in generale, subisca delle forti
trasformazioni.
Perché Ameland?
Data la morfologia del paese, da sempre l’Olanda è stata interessata a studiare ed analizzare i
fenomeni legati al rischio idrogeologico ed alla realizzazione di opere che possano
contrastarlo al meglio. Tra i principali problemi che la nazione dovrà fronteggiare c’è
l’innalzamento del livello marino: nell’ultimo secolo si è registrato un innalzamento di 20 cm
e per il futuro, l’Istituto Meteorologico Nazionale (Knmi), ha ipotizzato che tale valore
5 arriverà a circa 1.3 m (stima effettuata nel 2008). Di conseguenza gran parte del territorio si
ritrova soggetta a rischio inondazione.
Al fine di superare queste problematiche il paese ha stanziato ingenti fondi per effettuare
campagne di misurazioni del livello idrico e dei principali parametri legati al fenomeno.
In particolare, nel 2002 sono state disposte nell’inlet di Ameland una serie di boe
ondametriche. Le boe inserite sono in totale 12 e sono suddivise in due transetti come
illustrato nella seguente figura.
Figura 2. Disposizione delle boe ondametriche nell’inlet di Ameland
Da quanto detto emerge l’importanza di realizzare dei modelli che possano schematizzare ed
evidenziare l’andamento del trasporto solido della zona: conoscendo tale andamento sarà
possibile intervenire e cercare di limitare al meglio l’erosione delle coste.
6 La scelta di focalizzare l’attenzione su Ameland è dovuta a differenti motivazioni.
Principalmente grazie alla campagna di misurazioni citata precedentemente si ha una grande
disponibilità di dati, forniti dalle boe ondametriche.
Secondariamente va ricorda che la zona limitrofa alla bocca di accesso di Ameland è quella,
all’interno del Wadden Sea, in cui è meno presente l’attività antropica e che quindi si è
preservata in maniera più naturale. Questo è un vantaggio per la modellazione in quanto è
possibile schematizzare il fenomeno come tale, senza interferenze legate all’azione umana.
7 Descrizione del software Delft3d
L’utilizzo del software Delft3D è stato fondamentale al fine della realizzazione del modello e pertanto in
questo capitolo se ne richiamano le principali caratteristiche. Va comunque ricordato che per l’ingresso
di dati utili all’utilizzo di Delft3D si sono realizzati file specifici con il software Matlab (ad esempio nella
realizzazione della batimetria della zona).
Si rimanda ai manuali6 del software per ulteriori approfondimenti.
Figura 3. Delft3D
Il software Delft3d è stato sviluppato dalla società Deltares con lo scopo di analizzare ed
effettuare modellazione numerica per coste, fiumi, laghi e zone di estuario attraverso un
approccio multidisciplinare. Tra i possibili utilizzi del software si citano:
- studio di flussi causati dalla marea, dal vento, da gradienti di densità
- interazioni tra correnti ed onde su di una batimetria irregolare
- studio del trasporto di sedimenti coesivi e non coesivi
- studio di fenomeni di qualità delle acque
8 Delft3d si compone di diversi moduli, ciascuno relativo al proprio dominio di interesse:
- Flow/Mor
- Wave
- Water Quality
- Ecology
- Particles/Oil
Per la realizzazione del modello trattato in questa relazione si sono utilizzate
prevalentemente le componenti Flow e Wave, pertanto su di esse si concentrerà la
seguente trattazione.
La modellazione della zona esaminata viene realizzata attraverso un iter a fasi che segue
l’interfaccia grafica del software. Nel dettaglio la procedura utilizzata consiste nel
realizzare la griglia e la batimetria ad essa connessa attraverso il modulo GRID, si segue
quindi con il modulo FLOW che consente di effettuare simulazioni senza prendere in
considerazione l’azione di onde di vento. Queste ultime saranno introdotte con l’utilizzo
del modulo WAVE.
Figura 4. Interfaccia grafica del software Delft3D
9 La prima fase di qualsiasi tipo di studio effettuato con il software Delft3d consiste nella
generazione della griglia e la specifica delle sue caratteristiche. Per poter portare a
compimento questa prima fase si utilizza il modulo GRID. In particolare il sotto-modulo
RGFGRID viene impiegato per la generazione e la manipolazione della griglia mentre il
modulo QUICKIN consente di realizzare la batimetria associata ad una griglia.
Va evidenziato che il sistema di riferimento col quale si genera la griglia può essere o a
coordinate cartesiane o sferiche.
Figura 5. Esempio di griglia realizzata con il modulo GRID
D’altro lato il modulo idrodinamico Delft3d-FLOW consente simulazioni per il calcolo di
flussi non costanti e fenomeni di trasporto risultanti da forzanti mareali o meteorologiche
su griglie curvilinee. Il software è anche in grado di operare simulazioni in 3D.
10 Come il modulo GRID anche FLOW si struttura in una serie di sotto-moduli. Attraverso
il sotto-modulo FLOW INPUT è possibile realizzare un file di estensione ‘.mdf’ che
costituisce l’input della modellazione. In questo file, infatti, vengono specificate le
caratteristiche del modello, vengono inseriti i file relativi alla griglia e alla batimetria (creati
nel precedente modulo), viene definito l’intervallo temporale della simulazione, le
condizioni iniziali e al contorno, i parametri numerici e fisici e vengono individuati i punti
di osservazione (utili per le successive fasi di calibrazione del modello).
Il file così generato viene inserito all’interno di un altro sotto-modulo denominato START.
Esso è in grado di effettuare la simulazione del file che gli è stato definito in ingresso.
I risultati così ottenuti verranno poi visualizzati attraverso un nuovo sotto-modulo,
QUICKPLOT.
La componente FLOW opera risolvendo le equazioni di Navier-Stokes per fluido
incomprimibile, comprensive delle approssimazioni di Boussinesq e di ‘shallow water’.
Il programma dà la possibilità di lavorare sotto l’ipotesi di distribuzione di pressione
idrostatica, in questo caso le equazioni con cui opera Delft3D sono:
1
1
1
1
Dove i termini:
-
u(x, y, σ ,t), v(x, y, σ, t) e w(x, y, σ, t) sono le componenti del vettore velocità rispettivamente
lungo gli assi x, y e z
-
ξ(x, y) rappresenta l’elevazione della superficie libera rispetto al livello medio marino
11 -
d(x, y) rappresenta la profondità
-
H(x, y) rappresenta l’altezza totale, ξ(x, y) + d(x, y)
-
f è il parametro di Coriolis
-
t è il tempo
-
g è l’accelerazione di gravità
-
vv è il coefficiente di viscosità
-
ρ è la densità del fluido
-
qin e qout sono i termini sorgente e pozzo nel bilancio idrico, rispettivamente P è un termine di
precipitazione e E di evaporazione
-
Pu e Pv sono le componenti di pressione rispettivamente lungo gli assi x e y
In caso di densità costante sono calcolabili attraverso le relazioni seguenti
1
1
In caso contrario le componenti di pressione vengono valutate attraverso le relazioni
1
1
-
σ
σ
σ
σ
σ
σ
Fu e Fv sono le componenti degli sforzi di Reynolds rispettivamente lungo gli assi x e y
12 -
σ è una particolare coordinata verticale utilizzata dal programma ed esprimibile come
σ
Delft3D offre anche la possibilità di realizzare un modello per casi non idrostatici. In
queste situazioni le equazione che vengono risolte sono:
1
1
1
1
1
1
Nelle quali il termine Fw viene espresso come
In entrambi i casi per la risoluzione delle equazioni che governano il moto risulta
necessario definire, per la griglia in esame, delle condizioni iniziali ed al contorno.
13 All’interno del sotto -modulo TOOLS, invece, sono presenti tutta una serie di operazioni
accessorie alla modellazione. In particolare nello studio che si è svolto sono state utilizzate le
funzioni NESTING(1) e NESTING(2). Queste operazioni consentono di unire due griglie,
una a risoluzione più grande denominata ‘overall’ e l’altra a risoluzione più piccola nota come
‘nested’, in una. Senza perdere di continuità è possibile quindi ottenere una griglia a celle di
diversa grandezza e che, in particolare, andranno ad infittirsi in una precisa zona. La griglia
esterna fungerà da condizione al contorno per la griglia interna.
Questo particolare tool è stato molto utile per la realizzazione del modello esaminato in
questa trattazione. Si è infatti interessati a studiare nel dettaglio ciò che accade all’inlet di
Ameland senza però perdere in continuità con la zona esterna.
Attraverso il modulo Delft3d – WAVE, invece, è possibile simulare l’evoluzione di onde di
vento in un modello.
Ad esempio è possibile calcolare la propagazione ondosa, la
generazione delle onde a causa del vento, l’interazione onda-onda.
In particolare per simulare l’evoluzione di processi di propagazione ondosa il modulo WAVE
sfrutta il ‘third-generation SWAN model’ (SWAN è l’acronimo di Simulating WAves
Nearshores). Poiché gran parte delle informazioni relative alla propagazione ondosa sono
contenute negli spettri direzionali (distribuzione dell’energia rispetto alla frequenza e alla
direzione), il modello SWAN si basa sul bilancio di equazioni relative all’azione spettrale (è
completamente spettrale lungo tutte le direzioni e frequenze).
σ, θ; x, y, t
σ, θ; x, y, t
θ
,
σ, θ; x, y, t
σ, θ; x, y, t
σ
,
σ, θ; x, y, t
σ, θ; x, y, t
σ
14 Dove i termini:
-
N(σ, θ) = E(σ, θ)/ σ rappresenta la ‘action density’
-
E rappresenta la densità di energia
-
σ rappresenta la pulsazione
-
θ rappresenta la direzione spettrale
-
i termini ci rappresentano le velocità di propagazione lungo la specifica direzione i
-
S rappresenta un termine sorgente e pozzo per l’ ‘action density’ che tiene conto della generazione
di onde dal vento, interazioni non lineari tra onde, formazione di schiuma, frangimento e attrito
al fondo.
L’equazione descrive quindi la variazione e la propagazione del parametro N lungo le varie
direzioni e secondo diverse velocità di propagazione.
Inoltre il software è in grado di effettuare un calcolo combinato tra quanto analizzato con i
moduli FLOW e WAVE e può realizzarlo attraverso tre diverse possibili modalità.
- Una prima possibilità è che l’utente definisca, volta per volta, le proprietà necessarie
all’accoppiare i due moduli
- Un accoppiamento offline: la simulazione effettuata nel modulo WAVE deriva dai
risultati della fase di FLOW precedentemente simulata
- Un accoppiamento online, ossia un’interazione dinamica tra i moduli FLOW e WAVE:
in questo caso la modellazione tiene conto del fatto che non solo le onde risentiranno
della simulazione Flow ma anche quest’ultima sarà influenzata dal WAVE.
La componente WAVE lavora in maniera analoga al FLOW: è possibile definire un WAVE
INPUT, effettuare una computazione attraverso il sotto-modulo START e valutarne i
risultati con il QUICKPLOT.
15 Basi della modellazione
Il modello di partenza
Come già accennato nel corso di questa trattazione a base della modellazione è stato
utilizzato un modello fornito dalla società Deltares e realizzato attraverso il software
Delft3d. Questo modello è stato utilizzato da Groeneweg per lo studio che è stato citato
nella parte introduttiva del presente elaborato.
Tale modello utilizza una griglia a celle quadrate di dimensioni 200m * 200m e comprende
un’area coincidente con la parte Olandese del Wadden Sea. È strutturato, quindi, in modo
tale da analizzare l’area nel suo insieme senza focalizzarsi su ciò che accade puntualmente
all’interno di ciascuna cella della zona (di conseguenza non possiede un dettaglio di scala
tale da poter calcolare il trasporto solido).
Figura 6. Delft3d, Griglia del modello di partenza
16 Oltre alla griglia, il modello è comprensivo di tutta una serie di elementi utilizzati per la
realizzazione del file di input per il modulo FLOW. Tra di essi ad esempio se ne hanno
alcuni contenenti la batimetria dettagliata della zona o file che specificano le posizioni dei
punti di osservazione o le cross sections, utilizzati per il monitoraggio.
Figura 7. Delft3d, Dettaglio della batimetria del modello di partenza
Questo modello è stato realizzato per simulazioni tridimensionali e pertanto è strutturato in
dieci layer sovrapposti. Inoltre poiché è stato utilizzato per simulazioni relative a istanti di
tempesta non è utilizzabile anche per lo studio che ci si prepone di svolgere in quanto è tarato
per elementi differenti.
È stato quindi necessario effettuare tutta una serie di operazioni atte a modificare ed
implementare tale modello al fine di ottenerne uno consono con l’obiettivo preposto.
17 Ad esempio, una prima importante differenza con il modello di partenza risiede nel fatto che
quello che si vuole realizzare sarà un modello a due dimensioni. Si è infatti interessati a
valutare la propagazione del fluido, delle onde e del trasporto solido nella zona senza curarsi
di ciò che accade lungo la dimensione verticale.
In questo modo si ottiene un modello completamente differente da quello di partenza e che
necessita quindi di essere opportunamente calibrato, validato e verificato.
18 Analisi dati
Durante il periodo di tirocinio è stato necessario implementare le conoscenze del software ‘Matlab’. In
questo capitolo si riporta un’analisi dati, utile alla calibrazione del modello, che è stata svolta interamente
con Matlab.
Come evidenziato nei capitoli precedenti, il modello necessita di una fase di calibrazione.
Obiettivo di tale procedura è quello di confrontare i risultati ottenuti dall’utilizzo del
modello con dati realmente misurati, pertanto tale simulazione dovrà essere effettuata per
un anno passato.
Nel caso in esame si è scelto di realizzare questo studio per l’anno 2009. Il motivo di tale
scelta risiede nel fatto che lo studio svolto da Groeneweg è relativo al 2009: scegliendo lo
stesso anno è stato possibile effettuare un confronto tra i risultati ottenuti attraverso i due
differenti modelli.
In questo capitolo si vogliono illustrare le modalità attraverso le quali è stato possibile
effettuare la scelta degli istanti di calibrazione, ossia di dati rappresentativi di stati di mare
caratteristici. Si è interessati ad avere un’idea complessiva di ciò che accade nel Wadden
Sea presso la zona di Ameland, pertanto gli istanti scelti non sono relativi unicamente a
stati di mare grosso ma indicativi di tutte le condizioni di mare verificatesi.
I dati su cui si è effettuata l’analisi sono disponibili online e forniti da un dipartimento del
Ministero dell’Ambiente e delle Infrastrutture Olandese denominato Rijkswaterstaat. Nel
Wadden Sea sono presenti diverse stazioni per il monitoraggio e l’acquisizione di dati:
alcune operano al fine di ottenere misurazioni del livello idrico, altre misurano intensità e
direzione del vento.
19 Questi sono i parametri sui quali è stata effettuata l’analisi.
Tra le varie stazioni presenti nella zona ne sono state scelte alcune, disposte in modo tale
da coprire l’intera superficie di interesse:
- Den Oever ( A )
- Den Helder ( B )
- Vlieland haven ( C )
- Terschelling Noordzee ( D )
- Lauwersoog ( E )
Figura 8. Selezione delle stazioni di misura
Da un primo confronto tra i dati relativi alle diverse stazioni per i primi mesi (Gennaio –
Aprile) del 2009 si evince come non ci siano delle forti differenze nei valori misurati tra le
varie stazioni. Tale considerazione permette di validare l’ipotesi per cui l’utilizzo dei dati
misurati in un’unica zona sia ben rappresentativa dell’intera area.
20 Si è scelta quindi la stazione di Terschelling Noordzee poiché è la più vicina alla zona di
Ameland (obiettivo centrale del presente studio).
Altro passo decisivo in questa fase è l’individuazione dei settori angolari dai quali
provengono i venti prevalenti, ossia quelli più frequenti ed intensi.
Attraverso il comando ‘wind_rose’ del software ‘matlab’ è possibile realizzare dei grafici a
cannocchiale che evidenziano la direzione e l’intensità dei venti.
Si riportano di seguito le wind_rose relative alle stazioni considerate.
to NORTH
to WEST
to EAST
2%
4%
6%
to SOUTH
25 - 30
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 10
0-5
Figura 9. Terschelling Noordzee
21 to NORTH
6%
4%
2%
to WEST
to EAST
25 - 30
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 10
0-5
to SOUTH
Figura 10. Den Oever
to NORTH
6%
4%
2%
to WEST
to EAST
to SOUTH
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 10
0-5
Figura 11. Den Helder
22 to NORTH
to WEST
to EAST
2%
4%
25 - 30
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 10
0-5
6%
to SOUTH
Figura 12. Vlieland haven
to NORTH
to WEST
to EAST
2%
4%
6%
to SOUTH
25 - 30
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 10
0-5
Figura 13. Lauwersoog
23 Come è possibile evincere dai grafici, la direzione in cui si posizionano i venti più frequenti
ed intensi è quella Sud-Ovest anche se in direzione Nord-Est sono comunque presenti dei
venti di intensità e frequenze rilevanti.
Per la scelta degli istanti di calibrazione si sceglieranno momenti sia relativi ai settori
contenenti i venti più frequenti, sia per gli altri.
Studiando le intensità del vento, relative a questo intervallo di tempo, è emerso che si ha
una velocità media di 6.39 m/s. In accordo con la scala Beaufort, attraverso la quale è
possibile classificare i venti in funzione dell’intensità, a questo valore corrisponde un vento
moderato.
Figura 14. Scala Beaufort
24 Sempre secondo tale scala è possibile considerare come tempesta venti con intensità
superiori ai 13,8 m/s. Elementi con intensità superiori a tale valore non sono stati presi in
considerazione in tale studio date le finalità della realizzazione del modello.
Anche in questo caso nella scelta degli istanti di calibrazione si è cercato di ottenere
momenti relativi ad intensità del vento sia alte (superiori al valore medio) sia basse
(inferiori al valore medio).
Altro aspetto da tenere in considerazione è l’azione della marea, ovvero delle variazioni
del livello marino dovute all’attrazione gravitazionale Luna-Terra e Terra-Sole. Inoltre,
poiché la Terra orbita attorno al Sole e la Luna attorno alla Terra, cambiano le direzioni
su cui agiscono le due rispettive forze di attrazione gravitazionale. Nel caso in cui le due
forze agiscono lungo la stessa direzione si ha marea sigiziale e si hanno le più alte variazioni
del livello marino, nel caso in cui le due forze agiscono lungo direzioni perpendicolari si
ha marea di quadratura e si hanno basse variazioni del livello marino.
Nella presente analisi si è tenuto conto di questo fattore in modo tale da selezionare sia
istanti relativi a marea sigiziale che a marea di quadratura.
Tutto ciò è stato effettuato poiché per profondità sufficientemente basse il livello idrico
influenza significativamente la propagazione e le caratteristiche delle onde.
Poiché l’azione delle onde ha un ruolo fondamentale nel verificarsi del trasporto solido, il
livello idrico è un parametro fondamentale per l’analisi del trasporto solido.
Tutti i fattori che sono stati fin qui descritti (ed in particolare, data la morfologia del
Wadden Sea, l’azione delle maree) possono apportare variazioni al livello idrico e proprio
per questo si effettua la calibrazione per istanti.
Scegliendo opportunamente gli istanti di calibrazione è possibile, infatti, considerare sia
situazioni in cui il livello idrico è sufficientemente basso, e quindi influenza il
25 comportamento delle onde, sia in cui è alto, e quindi la propagazione ondosa non risente
del livello idrico stesso.
I dati utilizzati per la calibrazione devono essere indipendenti, pertanto si sono scelti istanti
di calibrazione relativi a mareggiate differenti. L’appartenenza di due dati a due differenti
mareggiate è garantita se tra due massimi relativi del grafico ‘livello idrico – tempo’ sono
trascorse 48 ore. In caso contrario non vi è la certezza che i due dati non siano relativi allo
stesso evento.
Di seguito vengono riportati i risultati relativi all’analisi dei dati per la scelta degli istanti di
calibrazione.
Direzione Settore Velocità (m/s) 04‐gen 80 1 7,8 ‐0,22 q 07‐gen 260 3 4,9 0,28 q 10‐gen 150 2 2,9 0,45 q 13‐gen 200 3 5,8 1,25 s 20‐gen 210 3 7,6 ‐0,27 q 25‐gen 130 2 7,7 ‐0,51 s 30‐gen 120 2 4,7 0,63 s 03‐feb 80 1 2,1 ‐0,81 q 07‐feb 260 3 4,1 ‐0,2 s 12‐feb 340 4 5,5 1,12 s 16‐feb 330 4 5,2 0,35 q 20‐feb 240 3 6,8 0,56 q 28‐feb 260 3 6,4 1,14 s 04‐mar 340 4 7,7 ‐0,37 q 10‐mar 260 3 9,3 1,03 q 15‐mar 330 4 7,1 ‐0,36 s 22‐mar 20 1 5,3 ‐0,71 s 02‐apr 50 1 6,9 0,08 s 05‐apr 160 2 7,1 0,8 q Elev. Sup. libera (m) Marea Tabella 1. Scelta istanti di calibrazione 2009
26 Nella colonna settore angolare si è individuato il quadrante di appartenenza della direzione
del vento (seguendo la numerazione Cartesiana).
Per completezza vengono anche riportati gli andamenti mese per mese di velocità del
vento, direzione del vento e livello idrico.
January 2009
wind speed (m/s)
15
10
5
0
12/29
01/05
01/12
01/19
01/26
02/02
01/19
01/26
02/02
01/19
01/26
02/02
wind direction (°)
t (day)
400
200
0
12/29
01/05
01/12
t (day)
h (m)
2
0
-2
12/29
01/05
01/12
t (day)
27 February 2009
wind speed (m/s)
15
10
5
0
01/26
02/02
02/09
02/16
02/23
03/02
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t (day)
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Mar
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28 April 2009
wind speed (m/s)
15
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03/30
04/06
04/13
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05/04
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29 Conclusioni
Nel presente elaborato sono stati trattati gli argomenti necessari allo svolgimento di una
tesi magistrale, relativa alla realizzazione di un modello numerico per lo studio della
propagazione ondosa in un contesto lagunare quale quello del Wadden Sea.
Per la realizzazione della tesi è stato infatti necessario acquisire delle competenze che non
sono state fornite durante il percorso di laurea triennale e magistrale quali, ad esempio,
l’utilizzo approfondito dei software ‘Matlab’ e ‘Delft3D’.
Dopo aver elencato le principali caratteristiche della zona esaminata (principale peculiarità
del Wadden Sea è l’essere una zona intertidale) e le motivazioni che hanno portato alla
realizzazione del presente studio (necessità di comprendere il trasporto solido al fine di
prevenire fenomeni erosivi e possibili danni) si è passato ad analizzare il software Delft3D
(in particolare le sue funzionalità e le equazioni che va a risolvere) e ad individuare le basi
per la realizzazione del modello.
In conclusione, quanto acquisito durante il periodo di tirocinio è risultato idoneo al
successivo lavoro di realizzazione del modello numerico relativo alla propagazione ondosa
nel Wadden Sea.
Si rimanda alla relativa relazione di tesi magistrale per la visione complessiva della
calibrazione e validazione del modello stesso.
30 Bibliografia
1
Groeneweg et al. (2007) Wave modelling in a tidal inlet performance of SWAN in the Wadden Sea
2
Salmon et al. (2015) Scaling depth-induced wave-breaking in two-dimensional spectral wave
models
3
van der Westhuysen, De Waal, (2008) Observed finite depth wave growth limit in the Wadden Sea
4
M.Duran-Matute et al. (2014) Residual circulation and freshwater transport in the Dutch Wadden
Sea: a numerical modelling study
5
Karsten A. Lettermann et al. (2009) Modeling the impact of wind and waves on suspended
particulate matter fluxes in the East Frisian Wadden Sea (southern North Sea)
6
Delft3D-Flow (2011) Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport
phenomena, including sediments – User manual
H. Gerritsen et al. (2008) Validation Document Delft3D-FLOW, A software system for 3D flow
simulations
Delft3D-Wave (2014) Simulation of short-crested waves with SWAN – User manual
31