3A. VARIAZIONI MORFOLOGICHE DI ALVEI FLUVIALI

3A. VARIAZIONI
MORFOLOGICHE DI
ALVEI FLUVIALI
SCALA SPAZIALE: SISTEMA FLUVIALE
(da Schumm, 1977)
1
SCALA TEMPORALE
Il ciclo di erosione di Davis (1899)
SCALA TEMPORALE
Pendenza
Cyclic time
Tempo
Progressiva riduzione della pendenza durante un
ciclo di erosione
2
SCALA TEMPORALE
TEORIA DEL REGIME (Lacey, 1939; Inglis,
1949; Blench, 1957). Fiume “a regime”: fiume
che mantiene invariate le sue dimensioni.
CONCEPT OF THE GRADED RIVER (dynamic
equilibrium) (Mackin, 1948).
“A graded stream is one in which, over a period
of years, slope is delicately adjusted to provide,
with available discharge and with prevailing
channel characteristics, just the velocity required
for the transportation of the load supplied from
the drainage basin”.
SCALA TEMPORALE
Pendenza
Cyclic time
Graded time
Tempo
Da “Time, space and casuality in Geomorphology”
(Schumm & Lichty, 1965)
3
SCALA TEMPORALE
Pendenza
Graded time
Steady time
Tempo
Da “Time, space and casuality in Geomorphology”
(Schumm & Lichty, 1965)
SCALA TEMPORALE
Non esistono termini e limiti temporali definitivi.
Per i nostri scopi possiamo adoperare i seguenti termini:
¾ SCALA GEOLOGICA: orizzonte temporale
dell’ordine dei milioni d’anni
¾ SCALA STORICA: orizzonte temporale dell’ordine
del migliaio d’anni
¾ MEDIA SCALA TEMPORALE (GRADED TIME) o
SCALA “GESTIONALE”: orizzonte temporale
dell’ordine dei 100 anni
9 Per definire le attuali tendenze evolutive (fiume
instabile o in equilibrio dinamico), è opportuno
ulteriormente restringerci ad un intervallo di 10-20
anni, cioè un passo temporale della media scala
temporale
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FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO: fiume che, nella scala
temporale dei 10-20 di anni, pur modificandosi e
variando il tracciato, mantiene mediamente invariata la
sua forma (pendenza, larghezza, profondità, sinuosità,
ecc.) (forma in equilibrio dinamico)
w
w
FIUME INSTABILE: fiume che, nella scala temporale dei
10-20 anni, varia sensibilmente la sua forma (pendenza,
larghezza, profondità, sinuosità, ecc.)
distanze
quote
quote
variazione di sezione
(w, d)
variazione di pendenza (S)
distanze
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CAUSE DI INSTABILITA’
FATTORI NATURALI
¾Variazioni climatiche
¾Variazioni idrologiche
¾Variazioni del livello del
mare
¾Movimenti tettonici
¾Fenomeni vulcanici
¾ Variazioni copertura
vegetale (a scala di
bacino)
¾ Variazioni intensità
processi di versante
FATTORI ANTROPICI
INTERVENTI IN ALVEO
¾Tagli di meandro
¾Restringimenti
¾Dighe
¾Estrazione di inerti
INTERVENTI A SCALA DI
BACINO
¾Disboscamenti
¾Rimboschimenti
¾Sistemazioni idraulicoforestali
¾Urbanizzazione
CAUSE DI INSTABILITA’
DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI:
principalmente di scala temporale
¾FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in
maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla
scala della vita umana
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CAUSE DI INSTABILITA’
ECCEZIONI: eventi catastrofici (es. eruzione vulcanica)
possono causare improvvisi riaggiustamenti del sistema
fluviale
Toutle River system, Washington (USA): sistema
catastroficamente alterato a seguito della eruzione del
Mount St.Helens (18 Maggio 1980) (da Simon, 1992)
CAUSE DI INSTABILITA’
VARIAZIONI CLIMATICHE: ricerche recenti (Knox, 1983;
Macklin and Lewin, 1989; Rumsby and Macklin, 1994)
hanno messo in evidenza che variazioni nella frequenza
ed intensità di eventi di piena legate a oscillazioni
climatiche relativamente improvvise di breve termine
(10-30 anni) possono avere un importante controllo su
instabilità nel sistema fluviale
In genere tali fenomeni di instabilità sono identificabili in
sistemi fluviali naturali, nei quali non c’è
sovrapposizione con fattori di tipo antropico
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CAUSE DI INSTABILITA’
DIFFERENZE FATTORI NATURALI E ANTROPICI:
principalmente di scala temporale
¾FATTORI NATURALI: agiscono generalmente in
maniera lenta, causando variazioni impercettibili alla
scala delle decine di anni
¾FATTORI ANTROPICI: agiscono generalmente in
maniera rapida, causando modifiche dirette o inducendo
variazioni ben percettibili alla scala delle decine di anni
QS
PORTATA LIQUIDA x PENDENZA
~
~ Qs D50
~
~ PORTATA SOLIDA x
DIAMETRO SEDIMENTI
(da Lane, 1955)
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DISBOSCAMENTI
AUMENTO
PRODUZIONE
SEDIMENTI (Qs+)
QS
Qs + D50
AGGRADATION
VARIAZIONI DI LARGHEZZA
ALLARGAMENTO (widening)
w
w
9
RESTRINGIMENTO (narrowing)
w
w
SCHUMM (1977)
Q
w, d, λ
S
Qs
w, λ, S
d, P
Q = portata liquida
w = larghezza
Qs = portata solida
d = profondità
λ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità
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SCHUMM (1977)
Q+
w +, d +, λ +, S -
Q-
w -, d -, λ -, S +
Qs +
w +, d -, λ +, S +, P -
Qs -
w -, d +, λ -, S -, P +
allargamento
restringimento
Q = portata liquida
w = larghezza
Qs = portata solida
d = profondità
λ = lunghezza d’onda meandri P = sinuosità
VARIAZIONI DI TRACCIATO
IN FIUMI MEANDRIFORMI
¾ Numerose classificazioni e modelli di
variazioni o di sviluppo di meandri proposte in
letteratura
¾ Non si riferiscono necessariamente a fiumi
instabili: molto spesso si tratta di comuni
variazioni in fiumi in equilibrio dinamico
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Modello di Keller (1972) di formazione di un meandro
Classificazione delle variazioni di meandri (Hooke, 1977)
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Types of change
Proportion
on River Dane
Migration
14 %
Confined
migration
11 %
Growth
15 %
Lobing
5%
Double heading
New bends
5%
Retraction
Cut off
5%
Complex changes, island
formation, abandonment and
small irregular movements
18 %
Stable bends,
no changes
24 %
Tipi principali di variazioni (Hooke & Harvey, 1983)
Modello di variazioni di
meandri (Hooke, 1990)
ricavato dalla sequenza di
variazioni più
comunemente osservata
di sviluppo di meandri
lungo il River Dane
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PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI
MEANDRI
1) MIGRAZIONE (migration)
9 Tipo più comune di movimento
di fiumi meandriformi
9 E’ stato mostrato, in molti fiumi ed esperimenti di
laboratorio, che in condizioni non confinate un
meandro tende generalmente a migrare verso valle
2) MIGRAZIONE CONFINATA (confined migration)
9 Molto spesso il fiume non
è libero di migrare, ma è
parzialmente confinato
PRINCIPALI TIPI DI VARIAZIONI DI
MEANDRI
3) CRESCITA E SVILUPPO COMPOSITO
(growth and compound development )
9 Crescita: indica un progressivo aumento
dell’ampiezza del meandro
9 E’ stato mostrato che la crescita in
genere è seguita da uno sviluppo di
asimmetria e di forme composite
4) TAGLIO (cutoff)
9 Accorciamento del percorso
9 Vari tipi: taglio di collo (improvviso) e
taglio di chute (graduale)
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VARIAZIONI DI TRACCIATO
IN FIUMI A CANALI INTRECCIATI
¾ Maggiori problemi nel documentare variazioni in
fiumi a canali intrecciati rispetto a fiumi
meandriformi, specialmente alla scala degli anni e
decine di anni
¾ Questo a causa della natura più dinamica di tali
fiumi, con variazioni forti che hanno luogo anche
durante singoli eventi di piena, e a causa del fatto
che la morfologia ed i relativi parametri sono molto
più difficoltosi da definire e misurare (es. indice di
intrecciamento percepito dipende dal livello del
fiume)
IL CONCETTO DI EQUILIBRIO
¾ Il concetto di equilibrio ha una lunga storia nella
letteratura della geomorfologia e idraulica fluviale
9Ingegneri idraulici: più interessati alla
progettazione di alvei stabili
9Geomorfologi fluviali: più interessati al
comportamento di fiumi naturali e a quando e perché
si avvicinano ad una condizione di equilibrio
¾ Vale la pena ripartire dalle definizioni di equilibrio
(Chorley & Kennedy, 1971) e come esse sono state
poi applicate a sistemi fluviali naturali
15
5
1
2
3
4
A: Rappresentazione schematica dei vari tipi di equilibrio. B:
Stabilità ed instabilità in un sistema soggetto ad una
perturbazione (da Chorley & Kennedy, 1971)
TIPI DI EQUILIBRIO
1) EQUILIBRIO STATICO: bilancio tra forze opposte
che porta ad una condizione stabile. Raramente
applicabile a fiumi naturali (concetto usato per la
progettazione di strutture)
2) EQUILIBRIO STAZIONARIO: condizione di un
sistema aperto in cui le macro-proprietà sono
invariabili in una data scala temporale, cioè non ci
sono trend, cicli o altri pattern di variazioni temporali.
E’ l’equilibrio della Teoria del Regime, con scala
temporale 101 – 102 anni
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TIPI DI EQUILIBRIO
3) EQUILIBRIO DINAMICO: a rigore è un equilibrio con
aggiustamenti dinamici intorno ad un trend di
variazione
¾ Sebbene in questo grafico è indicato come steady
state, l’ EQUILIBRIO DINAMICO o QUASI-EQUILIBRIO
di fiumi naturali è proprio di questo tipo (2), che può
essere visto come uno zoom ad una scala temporale
dell’ordine dei 101 – 102 anni di quello che ad una scala
temporale più ampia ci appare come tipo 3.
TIPI DI EQUILIBRIO
4) EQUILIBRIO DINAMICO METASTABILE: altro tipo di
equilibrio in cui si verificano bruschi episodi di
aggiustamento morfologico dovuti generalmente al
superamento di qualche soglia geomorfologica
5) STABILITA’ ED INSTABILITA’
9 Un FIUME NATURALE non è mai completamente
stabile, ma cambia continuamente la sua posizione
essendo soggetto ad un range di portate liquide e
solide
9 Tuttavia, il fiume si può considerare relativamente
stabile nel senso che, se disturbato, tende a ritornare
approssimativamente al suo precedente stato e la
perturbazione è smorzata
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… RIEPILOGANDO
¾ FIUME IN EQUILIBRIO DINAMICO:
è in grado di assorbire piccole variazioni (delle
variabili guida e/o delle condizioni al contorno)
attraverso processi di autoregolazione, cioè variando
leggermente e riadattandosi in maniera quasi
impercettibile alle nuove condizioni imposte dal
sistema
¾ FIUME INSTABILE:
se invece tali variazioni superano determinati limiti
(soglie), la morfologia del fiume può evolvere in una
condizione instabile, cioè l’alveo tende a variare
drasticamente e repentinamente
REAZIONE AL DISTURBO
¾ REACTION TIME: tempo impiegato dal sistema per
reagire ad una variazione (disturbo)
¾ RELAXATION TIME tempo impiegato dal sistema
per raggiungere una nuova condizione di equilibrio
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SOGLIA GEOMORFOLOGICA
¾ Schumm (1979) introdusse il concetto di
GEOMORPHIC THRESHOLD (soglia geomorfologica):
‘a threshold of landform stability that is exceeded
either by intrinsic change of the landscape itself, or
by a progressive change of an external variable’
DEFINIZIONE
ESEMPIO
Soglia estrinseca
(extrinsic threshold)
soglia superata a causa
dell’applicazione di una
forza o di un processo
esterno al sistema
Variazioni climatiche;
variazioni di uso del suolo;
variazione livello di base
Soglia intrinseca
(extrinsic threshold)
soglia superata senza
variazioni in variabili
esterne
Taglio di meandro;
variazione di pendenza;
superamento altezza
critica sponda
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FATTORI CLIMATICI
¾ EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa
frequenza e alta magnitudine
9 La sequenza temporale
degli eventi di piena ha
estrema importanza nelle
modificazioni della
morfologia dell’alveo
9 In fiumi di clima arido (SW
USA), gli eventi catastrofici
sembrano essere
determinanti ed il concetto di
Wolman & Miller sembra
essere meno applicabile
Variazioni di larghezza in
relazione alle maggiori
piene (Gila R., Arizona)
FATTORI CLIMATICI
¾ EPISODICI (impulsivi): eventi di piena di bassa
frequenza e alta magnitudine
¾ PROLUNGATI (progressivi): fluttuazioni climatiche
di medio-lungo termine, che possono a loro volta
influenzare regime idrologico, vegetazione, livello di
base, ecc.
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TETTONICA
¾ EPISODICI (impulsivi):
terremoti indotti da faglie
e brusche variazioni
topografiche
¾ PROLUNGATI (progressivi): subsidenza o
progressivo innalzamento della superficie, con effetti
sul livello di base
VARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’ALVEO
O DI PATTERN
¾ In numerosi casi si sono osservate variazioni
(graduali o improvvise) di morfologia di un fiume
¾ Schumm (1977) introdusse il concetto di ‘river
metamorphosis’
¾ Variazioni improvvise di morfologia d’alveo
possono proprio essere dovute al superamento di
una soglia geomorfologica
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VARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’ALVEO
O DI PATTERN
E’ tuttavia accettato che la differenza tra meandriforme
a canali intrecciati (o viceversa) avviene attraverso un
continuum di forme intermedie
Sinuosity
VARIAZIONI DI MORFOLOGIA D’ALVEO
O DI PATTERN
Channel gradient
Soglia geomorfologica tra fiumi a canale singolo e a
canali intrecciati in termini di pendenza – sinuosità
definita sulla base di esperimenti di laboratorio
(Schumm & Khan, 1972)
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