Stramazzi Crump Composti: La Mia Avventura nel Misurare Fiumi Carichi di Sedimenti!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di una sfida davvero affascinante che mi ha tenuto impegnato in laboratorio: come diavolo facciamo a misurare con precisione quanta acqua scorre nei fiumi, specialmente quando sono pieni zeppi di sedimenti? E non parlo di fiumi qualunque, ma di quelli che si trovano in zone aride o semi-aride, dove a volte c’è un filo d’acqua e altre volte arrivano piene improvvise che si portano via tutto.

Vedete, i metodi tradizionali, come i classici stramazzi Crump (una specie di “scalino” sagomato messo nel fiume per misurare il flusso), vanno un po’ in crisi in queste condizioni. Non gestiscono bene né il trasporto di sedimenti né quelle che chiamiamo condizioni di flusso “non modulare”, cioè quando il livello dell’acqua a valle influenza la misura a monte. Un bel pasticcio, insomma!

Una Nuova Idea: Unire le Forze!

Per cercare di risolvere questo rompicapo, abbiamo pensato: perché non combinare uno stramazzo Crump con una sorta di canale apposito, un “flume”? L’idea era di creare una struttura composta, un “Crump weir-flume”, che potesse darci una mano sia nella misurazione del flusso sia nell’analisi di come si muovono i sedimenti. E così, ci siamo messi al lavoro con modelli in laboratorio.

I risultati sono stati subito interessanti! Questa struttura combinata ha cambiato parecchio le carte in tavola, o meglio, i pattern di flusso. Abbiamo notato, ad esempio, che all’aumentare della portata d’acqua, la profondità di erosione (lo “scour depth”, cioè quanto il fiume scava il fondo) aumentava del 36%, e la lunghezza di questa zona erosa addirittura del 56%. Mica male, eh?

Un altro dato curioso: i coefficienti di scarico, che sono numeri fondamentali per calcolare quanta acqua passa, tendevano ad aumentare con portate maggiori e con creste dello stramazzo più alte. E quando il flusso diventava “sommerso” (cioè il livello a valle era alto), la profondità dell’acqua su un lato del canale era da 2 a 5 volte maggiore rispetto all’altro lato. Questo ci dice molto su come progettare le sponde!

Infine, come c’era da aspettarsi, i letti di sedimenti più fini venivano trasportati via molto più facilmente di quelli più grossolani. La cosa più importante, però, è che la nostra struttura composta si è dimostrata efficace nel gestire sia il flusso non modulare sia gli ambienti ricchi di sedimenti. Sembra proprio una soluzione robusta per misurare il flusso in tempo reale nei fiumi stagionali, quelli che a volte ci sono e a volte no.

Perché Tanta Fatica? L’Importanza dei Dati

Qualcuno potrebbe chiedersi: “Ma perché sbattersi tanto per misurare acqua e sedimenti?”. Beh, è cruciale! Questi dati servono per un sacco di cose:

• Controllare le catastrofi naturali, come le alluvioni.
• Progettare strutture protettive per rendere stabili i letti dei fiumi.
• Monitorare le risorse idriche, che sono sempre più preziose.

Tradizionalmente, per quantificare le proprietà idrauliche dei fiumi si usano metodi indiretti, tipo le immagini satellitari, o diretti, come le attrezzature delle stazioni idrometriche. Le tecniche indirette sono utili per zone remote, ma possono dare errori a causa di fattori ambientali, come l’angolo di misurazione o il meteo. Ecco perché migliorare gli approcci strutturali per il monitoraggio diretto è fondamentale.

Gli stramazzi sono usati da secoli per misurare il flusso, anche per prevedere le piene. Ne esistono di tantissime forme, e studi storici come quelli di Horton (1907) e Keller (1989) hanno fatto progredire la comprensione dei loro coefficienti di scarico. Tuttavia, come dicevo, gli stramazzi Crump, pur essendo efficaci in certe condizioni, hanno i loro limiti nei fiumi carichi di sedimenti, specialmente in condizioni di flusso non modulare. Alcuni ricercatori come Marion et al. (2004), Afzalimehr e Bagheri (2009), e Guan et al. (2015) hanno affrontato alcune di queste sfide, ma c’erano ancora dei vuoti, soprattutto nell’integrare gli stramazzi Crump con canali di trasporto (sluicing flumes) per migliorare la precisione delle misure in questi ambienti difficili.

Con l’avanzare della ricerca nel XXI secolo, altri studi (Kerr et al., 2015; Azimi e Rajaratnam, 2009; Thornton et al., 2011) hanno esplorato ulteriormente l’idraulica degli stramazzi, come l’influenza della lunghezza della cresta sui coefficienti di scarico o l’impatto della pendenza a monte sulle portate. Tutti questi studi hanno arricchito la nostra comprensione, ma le sfide persistevano, specialmente nei fiumi “sporchi”. Wessels e Rooseboom (2009) avevano affrontato questi problemi, raccomandando gli stramazzi Crump per la loro semplice costruzione e facilità di calibrazione, soprattutto in ambienti ricchi di sedimenti. Però, l’integrazione con canali di trasporto per gestire il flusso non modulare e migliorare l’analisi del trasporto solido era ancora poco esplorata.

La Complessità del Flusso e dei Sedimenti

Misurare accuratamente il flusso nei fiumi carichi di sedimenti è una bella gatta da pelare a causa della natura dinamica del trasporto solido. Studi come quello di Qi et al. hanno evidenziato la complessità del comportamento dei sedimenti sia in condotte in pressione che in canali a pelo libero, mostrando come la deposizione di sedimenti possa compromettere gravemente l’accuratezza della misurazione del flusso. Le loro simulazioni numeriche sottolineano il ruolo di fattori chiave come la velocità del flusso e la concentrazione dei sedimenti, che complicano le misurazioni, in particolare in condizioni di bassa portata.

Anche i metodi tradizionali, come quelli che coinvolgono gli stramazzi Crump, hanno faticato in ambienti carichi di sedimenti. Studi come quello di Di Stefano et al. hanno mostrato come il trasporto di sedimenti influenzi significativamente la resistenza al flusso, rendendo difficile una stima accurata della portata. La relazione tra concentrazione di sedimenti e resistenza al flusso è stata ampiamente studiata, con ricerche come quella di Ferro et al. (2018) che esplorano i fattori di attrito e i profili di velocità nei canali carichi di sedimenti. Questi risultati sottolineano la necessità di tecniche di misurazione del flusso migliorate che possano adattarsi all’interazione dinamica tra trasporto di sedimenti e geometrie dei canali in evoluzione, in particolare nelle regioni con elevato trasporto di sedimenti, come le aree aride.

Le sfide diventano ancora più pronunciate nei fiumi carichi di sedimenti, dove alte concentrazioni di sedimenti e profili di flusso non uniformi, specialmente durante le piene, complicano la misurazione del flusso. He et al. hanno sviluppato un modello numerico 1D per simulare flussi iperconcentrati carichi di sedimenti nel Fiume Giallo, dimostrando come l’aumento della concentrazione di sedimenti riduca la velocità dell’onda di piena e impatti la portata di picco, evidenziando i limiti delle tecniche di misurazione tradizionali.

Nonostante i significativi progressi nell’idraulica degli stramazzi, in particolare con gli stramazzi Crump e i loro coefficienti di scarico associati, rimane una chiara lacuna di ricerca riguardo le prestazioni di queste strutture nei fiumi carichi di sedimenti. Mentre studi precedenti hanno esplorato componenti individuali, come stramazzi Crump e canali di trasporto, c’è una ricerca limitata sull’integrazione di queste strutture in un sistema combinato per gestire efficacemente le condizioni di flusso non modulare e accogliere i flussi sommersi nei fiumi soggetti a fluttuazioni estreme.

Il Nostro Obiettivo e la Novità della Ricerca

Per colmare questa lacuna, la nostra ricerca si è proposta di sviluppare e valutare una struttura composta stramazzo Crump-canale come soluzione innovativa per la misurazione del flusso nei fiumi carichi di sedimenti. L’obiettivo primario di questo studio è stato quello di migliorare l’accuratezza della misurazione del flusso nei fiumi con elevati carichi di sedimenti integrando gli stramazzi Crump con i canali di trasporto. Questo lavoro esplora le dinamiche idrauliche e di trasporto dei sedimenti del sistema combinato, specificamente in condizioni di bassa portata tipiche delle regioni aride e semi-aride.

La novità di questa ricerca risiede nella progettazione e valutazione sperimentale di una struttura composta stramazzo Crump-canale che affronta le sfide del flusso non modulare e dei letti di sedimenti mobili – condizioni che impattano significativamente i metodi di misurazione del flusso tradizionali. Attraverso lo sviluppo di modelli di laboratorio, questo studio offre uno strumento pratico per migliorare l’accuratezza della misurazione in queste condizioni difficili, fornendo un approccio più affidabile per applicazioni reali nei sistemi fluviali naturali. Questo studio rappresenta un significativo avanzamento nelle tecniche di misurazione del flusso, in particolare in ambienti fluviali carichi di sedimenti e a bassa portata, e offre spunti preziosi per la progettazione di stazioni idrometriche in regioni che affrontano estrema variabilità stagionale e di flusso.

Cosa Abbiamo Fatto in Laboratorio (Materiali e Metodi)

La nostra ricerca si è svolta nei laboratori dell’Università Ferdowsi di Mashhad. Avevamo un canale lungo 20 metri, largo 1,2 metri e alto 0,7 metri. La portata d’acqua in ingresso variava tra 3,4 e 99 litri al secondo. Il modello fisico comprendeva vetro e due stramazzi Crump triangolari su entrambi i lati di un canale di monitoraggio del flusso. Questo canale aveva un fondo piatto largo 0,2 metri e una sezione trasversale trapezoidale.

Per misurare le velocità istantanee tridimensionali (u, v, w) e le loro fluttuazioni (u’, v’, w’), abbiamo usato un Velocimetro Acustico Doppler (ADV), campionando a 25 Hz per 60 secondi. Abbiamo anche misurato la topografia del letto di sedimenti con un misuratore di punti digitale. Abbiamo usato sedimenti uniformi con tre diametri mediani (d50) di 1,19, 1,93 e 2,64 mm. Un cancello finale ci permetteva di controllare il livello dell’acqua.

È importante sottolineare alcune assunzioni alla base della nostra ricerca:

• Le condizioni di flusso negli esperimenti di laboratorio erano stazionarie (portate e velocità costanti).
• Il sedimento utilizzato aveva una distribuzione granulometrica uniforme, tipica dei fiumi carichi di sedimenti nelle regioni aride e semi-aride.
• La geometria dello stramazzo Crump replicava gli stramazzi tipici utilizzati nei sistemi fluviali reali.
• Fattori ambientali come temperatura dell’acqua e pressione atmosferica sono rimasti costanti e non hanno influenzato significativamente le dinamiche di trasporto dei sedimenti o del flusso.

Abbiamo poi usato l’analisi dimensionale, attraverso una serie di equazioni (dalla 1 alla 6 del paper originale, per chi fosse curioso!), per capire meglio l’idraulica del flusso e i pattern di erosione a valle dello stramazzo Crump. Usando il metodo di Buckingham, abbiamo convertito le complesse variabili che influenzano l’idraulica del flusso e l’erosione del letto in parametri adimensionali, fornendo spunti chiave sia per lo stato libero che sommerso dello stramazzo Crump.

Come Funziona il Flusso nella Struttura Composta

Quando il flusso è basso (inferiore a circa 7 l/s nel nostro caso), tutta l’acqua passa attraverso il canale di misurazione. Man mano che il livello dell’acqua aumenta e il flusso diventa considerevole, anche lo stramazzo Crump inizia a contribuire al trasporto e alla misurazione del flusso, creando una struttura che combina stramazzo e canale. Chiamiamo “soglia di flusso” questo flusso critico intermedio.

Abbiamo osservato che la contrazione laterale causa un cambiamento significativo nel profilo longitudinale del livello dell’acqua nella linea centrale del canale quando l’acqua passa contemporaneamente attraverso il canale di misurazione e gli stramazzi. Il livello dell’acqua diminuisce costantemente man mano che entra nel canale, per poi calare drasticamente nella zona di restringimento, raggiungendo una profondità critica. Una cosa interessante è che lo stramazzo con una larghezza minore ha sempre una profondità d’acqua maggiore a causa dell’ostruzione causata dal getto d’acqua che esce dal canale. Questo è un dettaglio importante per la progettazione delle pareti costiere!

La velocità del flusso aumenta ovviamente lungo il canale, raggiungendo il suo massimo nella sezione finale trapezoidale, dove avviene il passaggio da flusso subcritico a supercritico. L’installazione di uno stramazzo Crump che occupa una parte significativa della sezione del canale porta a una drastica riduzione dell’energia cinetica e a un aumento dell’energia potenziale a monte della struttura.

Il numero di Froude (Fr) è la metrica più cruciale per determinare la posizione della profondità critica e le condizioni di flusso nei canali aperti. Abbiamo visto che il numero di Froude, inizialmente basso (circa 0.1), aumenta significativamente (fino a circa 0.4) quando il flusso entra nel canale a causa dell’improvviso restringimento della sezione.

Coefficienti di Scarico e Flusso Sommerso

Abbiamo sviluppato una relazione di regressione (con una correlazione del 98.8%!) per la curva tirante-portata della nostra struttura composta. Questo ci aiuta a capire dove installare al meglio lo strumento per misurare la profondità del flusso.

Le variazioni del coefficiente di portata (Cd) della struttura composta sono influenzate dalle sue caratteristiche geometriche. Abbiamo scoperto che il valore del coefficiente di flusso Cd in uno stramazzo Crump è maggiore di quello di uno stramazzo a soglia larga, probabilmente a causa della curvatura dello stramazzo che crea una forte suzione a valle. In generale, il coefficiente di flusso aumenta con l’aumentare della portata, similarmente a uno stramazzo Ogee.

Per esplorare l’impatto delle diverse portate sulla soglia di assorbimento (cioè quando il flusso diventa sommerso), abbiamo creato profili del livello dell’acqua. Questi hanno mostrato che all’aumentare della portata, la condizione di soglia di assorbimento si verificava più a valle. Quando la soglia di assorbimento viene raggiunta, e il rapporto tra profondità a valle e a monte (h2/h1) aumenta, si verifica un salto idraulico. È emerso che il coefficiente di scarico è sempre minore nel flusso sommerso rispetto al flusso libero.

L’Erosione a Valle: Cosa Succede ai Sedimenti?

Abbiamo usato tre tipi di sabbia per analizzare il trasporto di sedimenti. Le dimensioni geometriche delle fosse di erosione e delle colline di sedimenti sono principalmente influenzate dalla portata (numero di Froude sulla cresta dello stramazzo), dalla profondità dell’acqua a valle (tail-water depth) e dal diametro delle particelle di sedimento.

Con una profondità a valle costante, l’aumento delle portate ha potenziato significativamente la capacità di trasporto dei sedimenti. Portate più basse producevano fosse di erosione più lunghe e meno profonde, mentre portate maggiori formavano fosse più continue vicino alla platea di fondazione. Un aumento del 36% della portata ha intensificato gli effetti di erosione, aumentando la profondità massima di erosione del 56% e la lunghezza della fossa del 47%. Questa portata maggiore ha anche ridotto l’altezza della collina di sedimenti del 51%.

La profondità dell’acqua a valle è cruciale perché determina la posizione del salto idraulico, influenzando significativamente sia la geometria della fossa che le dimensioni della collina di sedimenti a valle. Una diminuzione del 33% della profondità a valle ha portato a un aumento della profondità massima di erosione del 20%.

L’aumento del numero di Froude del flusso sulla cresta dello stramazzo, a parità di particelle di sedimento, significa che viene applicata una maggiore forza di momento alle particelle del letto; quindi, vediamo svilupparsi una fossa di erosione con una maggiore estensione longitudinale e una geometria più profonda. Di conseguenza, l’aumento del numero di Froude ha causato un aumento dei parametri adimensionali della profondità massima (ds/hw), della lunghezza della fossa di erosione (Lo/hw) e della posizione della massima profondità erosa (Ls/hw). Il parametro adimensionale dell’altezza della collina di sedimenti a valle (hd/hw) è diminuito, mentre la posizione dell’altezza massima della collina di sedimenti (Ld/hw) è aumentata.

Come previsto, il trasporto di sedimenti aumenta nei letti a particelle fini rispetto a quelli a particelle grossolane. Un aumento del 121% del diametro dei sedimenti riduce la profondità di erosione del 50%. È fondamentale considerare che l’erosione a valle può raggiungere tre volte l’altezza della struttura durante le piene massime, un fattore che i progettisti devono tenere in conto per la stabilità.

Cosa Abbiamo Imparato e Dove Andiamo da Qui

Questo studio ha esaminato le caratteristiche idrauliche e le dinamiche di trasporto dei sedimenti di una struttura composta stramazzo Crump-canale attraverso la sperimentazione fisica. Ecco i risultati chiave:

• All’aumentare della portata, aumentavano proporzionalmente sia il carico idraulico (hw) sia il differenziale di altezza tra i livelli a monte (h1) e a valle (h2).
• La soglia critica di flusso si è verificata a h1/P = 0.9.
• L’asimmetria nella distribuzione della profondità dell’acqua attraverso lo stramazzo Crump suggerisce che la corona dello stramazzo più stretta induce maggiori variazioni di profondità tra i lati.
• Il coefficiente di scarico (Cd) era correlato positivamente sia con la portata volumetrica (Q) sia con il carico idraulico adimensionale (hw/P).
• Nelle condizioni di flusso sommerso, il rapporto tra i coefficienti di scarico del flusso sommerso e libero (Cds/Cdf) diminuiva all’aumentare della profondità di sommersione.
• L’analisi del trasporto dei sedimenti ha rivelato che fattori come la portata, la profondità dell’acqua a valle e il diametro delle particelle di sedimento del letto influenzavano significativamente la geometria delle fosse di erosione e delle colline di sedimenti.

Il nostro studio colma una lacuna integrando lo stramazzo Crump e il canale di trasporto, dimostrando il loro potenziale combinato per migliorare l’accuratezza della misurazione del flusso in condizioni cariche di sedimenti, specialmente durante il flusso non modulare e con alti carichi di sedimenti. Mentre studi precedenti avevano identificato gli impatti del trasporto di sedimenti, la nostra ricerca fa un passo avanti mostrando che i canali di trasporto aiutano a ridurre gli errori di misurazione del flusso nei fiumi ricchi di sedimenti, specialmente dove i metodi tradizionali falliscono.

I risultati saranno cruciali per progettare stazioni idrometriche in grado di gestire condizioni di flusso non modulare e alti carichi di sedimenti. Le applicazioni reali per gli ingegneri includono la progettazione di stazioni di misurazione del flusso e la comprensione delle dinamiche dei sedimenti nei fiumi carichi di sedimenti. Tuttavia, i risultati dello studio dovrebbero essere interpretati con cautela a causa della mancanza di validazione e calibrazione sul campo.

Per applicare pienamente questi risultati, la ricerca futura dovrà concentrarsi su:

• Validazione sul campo dei risultati di laboratorio.
• Studi di calibrazione per migliorare l’affidabilità delle misurazioni.
• Valutazione delle prestazioni a lungo termine in diverse condizioni ambientali e stagionali.

Spero che questo viaggio nel mondo degli stramazzi e dei sedimenti vi sia piaciuto! È un campo di ricerca che, sebbene possa sembrare di nicchia, ha implicazioni enormi per la gestione sostenibile delle nostre preziose risorse idriche.

Fonte: Springer