Effetti della distribuzione di velocità sul trasporto solido di fondo

Si esamina, attraverso il confronto tra misure di laboratorio e stime prodotte dal Conveyance Estimation System (CES), l’effetto della distribuzione di velocità nella sezione trasversale sul trasporto solido di fondo (TSF). Gli esperimenti sono stati svolti dall’EPSRC – Graded Sediment Research Group (University of Glasgow) presso i laboratori di HR Wallingford Ltd in un canale inclinabile lungo 16,7 m e largo 2,44 m, la cui sezione trasversale era composta da savanella a forma di trapezio e golene con pareti laterali verticali. Sul fondo della savanella, presso lo sbocco, erano installate tre trappole (feritoie) per la raccolta del TSF. Sono state eseguite 5 prove sperimentali con portata variabile, diametro mediano dei sedimenti d50=5,9 mm e deviazione standard geometrica della distribuzione granulometrica σg=3,24 (materiale disuniforme, con conseguente corazzamento). Per la stima del TSF sono stati utilizzati i metodi di Parker et al. (1982) – PKM – adatto a situazioni in cui è presente il corazzamento, e di Wilcock e Crowe (2003) – WC – sviluppato per caratteristiche granulometriche simili a quelle del sedimento adoperato. I parametri idrodinamici (velocità, V, sforzo tangenziale, τ, e velocità d’attrito, u*) sono stati ricavati mediante due differenti procedure: (a) applicazione delle formule dell’idraulica classica ai dati sperimentali; (b) utilizzo del CES, basato sull’integrazione delle equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANSE) estese, con il Metodo di Shino-Knight (SKM), ai canali prismatici (Fisher e Dawson, 2003), previa opportuna taratura della scabrezza di Manning, n, per la savanella. A sua volta, il CES è stato impiegato per il calcolo dei parametri idrodinamici in termini di: (b1) valori mediati su tutta la larghezza del canale centrale e (b2) valori corrispondenti alle singole aree di incidenza delle tre trappole, determinate suddividendo la savanella in tre porzioni: destra, centrale e sinistra. La Figura 1 mostra, come esempio, i grafici ottenuti nella prova n. 2, relativi alla stima della portata solida ponderale, GS, mediante le formule di WC e PKM, secondo le metodologie sopra descritte. Come si può notare, la GS calcolata con WC è confrontabile con quella misurata solo a breve termine (t=10 min) e, quindi, in una fase dove ancora non si è verificato il corazzamento del fondo. Con PKM, invece, la stima della τ al fondo attuale è inferiore al valore critico di Shields; pertanto, il TSF risulta nullo. In altre prove, con portate maggiori, PKM ha previsto un TSF non nullo, che ben si confrontava con quello misurato per le durate maggiori. Inoltre, si evince che non è necessario discretizzare la sezione di calcolo, in modo da distinguere tra zone laterali e centrale della savanella, poiché, altrimenti, il TSF verrebbe sovrastimato (v. Fig. 1a, metodo b2). Nella Figura 2 si mostra, invece, il confronto tra le distribuzioni della velocità e della GS misurata nella sezione trasversale terminale della canaletta, per vari istanti di tempo, tra cui l’intera durata della prova. Si nota che il TSF non sempre segue l’andamento della velocità. Infatti, per velocità più alte, si attenderebbe un trasporto maggiore, cosa che nella prova n. 2 non si verifica per t=10 min, nonostante che il confronto tra i dati sperimentali e i risultati di WC sia buono. Quindi, il fenomeno del TSF risulta essere fortemente influenzato da altri fattori, come, per esempio, le caratteristiche topografiche del letto e, quindi, il coefficiente di scabrezza locale. Difatti, tendenzialmente n cresce nei primi minuti dell’esperimento, a causa della rimozione della parte più fine dei sedimenti superficiali, che lascia, quindi, scoperti quelli più grandi, per poi decrescere leggermente. Tale comportamento è dovuto al rotolamento delle particelle più esposte, che vanno a occupare i vuoti lasciati dalla frazione fine precedente movimentata, con corazzamento del fondo. In conclusione, la distribuzione del TSF in una determinata sezione non segue l’andamento di quella della velocità (v. Fig. 2). Secondo le formule adoperate, più grandi sono V, τ e u*, più grande è il TSF calcolato (maggiore nella zona centrale della savanella rispetto a quelle laterali); si è osservato, invece, come la distribuzione di velocità non influenzi sensibilmente il TSF e come esso sia molto variabile nella sezione e nel tempo, a causa delle caratteristiche topografiche del letto anche esse variabili nel tempo, in presenza di sedimento non uniforme.