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studio degli effetti sull'idrodinamica e sulla - Autorità di Bacino del ...

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Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Università <strong>di</strong> Genova<br />

STUDIO DEGLI EFFETTI SULL’IDRODINAMICA E SULLA DINAMICA<br />

DEL TRASPORTO SOLIDO DI OPERE DI LAMINAZIONE:<br />

MODELLAZIONE NUMERICA E FISICA<br />

Relatore<br />

Prof. Ing. M. Colombini


CONVENZIONI AdB-UNIGE<br />

1) Stu<strong>di</strong>o <strong>del</strong>l’evoluzione morfo<strong>di</strong>namica <strong>di</strong> un tratto <strong>del</strong><br />

Fiume Vara e analisi <strong>del</strong>l’efficacia e <strong>del</strong>l’impatto<br />

ambientale <strong>di</strong> alcuni interventi sistematori<br />

Ottobre 1999 – Luglio 2000<br />

2) Stu<strong>di</strong>o <strong>degli</strong> <strong>effetti</strong> sull’idro<strong>di</strong>namica e <strong>sulla</strong> <strong>di</strong>namica<br />

<strong>del</strong> trasporto solido <strong>di</strong> opere <strong>di</strong> laminazione da<br />

realizzarsi nel bacino montano <strong>del</strong> fiume Vara<br />

Gennaio 2003 – Ottobre 2005<br />

3) Approfon<strong>di</strong>menti sullo <strong>stu<strong>di</strong>o</strong> <strong>degli</strong> <strong>effetti</strong> ….<br />

Ottobre 2005 – Aprile 2006<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


GRUPPO DI LAVORO DIAM<br />

• Prof. Giovanni Seminara<br />

• Prof. Marco Colombini<br />

• Ing. Alessandro Stocchino<br />

• Ing. Annunziato Siviglia<br />

• Ing. Giampiero Nobile<br />

• Ing. Michele Bolla Pittaluga<br />

• Ing. Bianca Federici<br />

• Ing. Andrea Cesio<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


CONVENZIONI AdB-UNIGE<br />

1) Stu<strong>di</strong>o <strong>del</strong>l’evoluzione morfo<strong>di</strong>namica <strong>di</strong> un tratto <strong>del</strong><br />

Fiume Vara e analisi <strong>del</strong>l’efficacia e <strong>del</strong>l’impatto<br />

ambientale <strong>di</strong> alcuni interventi sistematori<br />

Ottobre 1999 – Luglio 2000<br />

2) Stu<strong>di</strong>o <strong>degli</strong> <strong>effetti</strong> sull’idro<strong>di</strong>namica e <strong>sulla</strong> <strong>di</strong>namica<br />

<strong>del</strong> trasporto solido <strong>di</strong> opere <strong>di</strong> laminazione da<br />

realizzarsi nel bacino montano <strong>del</strong> fiume Vara<br />

Gennaio 2003 – Ottobre 2005<br />

3) Approfon<strong>di</strong>menti sullo <strong>stu<strong>di</strong>o</strong> <strong>degli</strong> <strong>effetti</strong> …<br />

Ottobre 2005 – Aprile 2006<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


AREA DI STUDIO<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


TIPOLOGIE DI CASSE<br />

Opera <strong>di</strong> sbarramento<br />

(cassa in linea e mista)<br />

Argine longitu<strong>di</strong>nale<br />

(cassa mista)<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


OPERA DI SBARRAMENTO<br />

SCALA 1:62.5<br />

L<br />

H<br />

b<br />

d<br />

al vero (m)<br />

60<br />

7.5<br />

16<br />

2.8<br />

sul mo<strong>del</strong>lo<br />

(cm)<br />

96<br />

12<br />

25.5<br />

4.5<br />

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FUNZIONAMENTO IDRAULICO<br />

Cassa in linea<br />

Cassa mista<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


METODOLOGIE DI STUDIO<br />

1) Mo<strong>del</strong>lazione fisica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica e <strong>del</strong>la<br />

morfo<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>la Cassa VARA1<br />

2) Mo<strong>del</strong>lazione numerica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>le<br />

Casse VARA1 e VARA2 e <strong>del</strong>la morfo<strong>di</strong>namica<br />

per la cassa VARA1<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


METODOLOGIE DI STUDIO<br />

1) Mo<strong>del</strong>lazione fisica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica e <strong>del</strong>la<br />

morfo<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>la Cassa VARA1<br />

2) Mo<strong>del</strong>lazione numerica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>le<br />

Casse VARA1 e VARA2 e <strong>del</strong>la morfo<strong>di</strong>namica<br />

per la cassa VARA1<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

• Similitu<strong>di</strong>ne <strong>di</strong><br />

Froude<br />

• Scala 1:62.5<br />

• Prove a fondo fisso e<br />

mobile<br />

OTTOBRE 2003<br />

• Riproduzione in scala<br />

<strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica e<br />

<strong>del</strong> trasporto solido<br />

al fondo<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE FISICA<br />

9 Dicembre 2003<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


METODOLOGIE DI STUDIO<br />

1) Mo<strong>del</strong>lazione fisica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica e <strong>del</strong>la<br />

morfo<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>la Cassa VARA1<br />

2) Mo<strong>del</strong>lazione numerica <strong>del</strong>l’idro<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>le<br />

Casse VARA1 e VARA2 e <strong>del</strong>la morfo<strong>di</strong>namica<br />

per la cassa VARA1<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE NUMERICA<br />

Mo<strong>del</strong>lo 1D a fondo fisso e mobile:<br />

Variazioni spaziali e temporali <strong>del</strong>le caratteristiche<br />

idro<strong>di</strong>namiche molto graduali<br />

INCOGNITE<br />

Q = portata liquida<br />

Ω = area <strong>del</strong>la sezione liquida<br />

η = quota minima <strong>del</strong>la fondo<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


MODELLAZIONE NUMERICA<br />

∂Ω<br />

∂t<br />

+<br />

∂Q<br />

∂x<br />

=<br />

q l<br />

Continuità <strong>del</strong>la fase liquida<br />

∂Q<br />

∂t<br />

+<br />

2<br />

∂ ⎛ Q ⎞<br />

gI gI<br />

x<br />

⎜β +<br />

⎟<br />

∂<br />

= 1 2<br />

⎝ Ω ⎠<br />

+<br />

gΩ<br />

( i j)<br />

f −<br />

Equazione <strong>del</strong> moto<br />

∂η<br />

∂t<br />

+<br />

∂Q<br />

∂x<br />

s<br />

=<br />

q<br />

s<br />

Continuità <strong>del</strong>la fase solida<br />

I<br />

1<br />

=<br />

∫<br />

Y ( x,<br />

t)<br />

0<br />

∂σ<br />

( x,<br />

η)<br />

∂x<br />

Y ( x,<br />

t)<br />

( h −η) σ ( x,<br />

η)<br />

dη<br />

I = ( h −η) dη<br />

2<br />

∫<br />

0<br />

Mo<strong>del</strong>lo <strong>di</strong> Engelund per valutare le<br />

per<strong>di</strong>te <strong>di</strong> carico <strong>di</strong>stribuite<br />

j<br />

=<br />

g<br />

2<br />

( )<br />

3/2<br />

C(<br />

y)<br />

Y dy<br />

2<br />

∫<br />

b<br />

Q<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


SCALA DI DEFLUSSO DELL’OPERA<br />

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LAMINAZIONE DI UNA PIENA<br />

Cassa in linea<br />

Tr = 30 anni<br />

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LAMINAZIONE DI UNA PIENA<br />

Cassa mista<br />

Tr = 30 anni<br />

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EFFICIENZA DI LAMINAZIONE<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

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EFFICIENZA DI LAMINAZIONE<br />

• L’efficienza è massima<br />

per la portata <strong>di</strong> progetto<br />

e <strong>di</strong>minuisce per portate<br />

sia inferiori sia superiori<br />

• La cassa in linea produce<br />

efficienze superiori per<br />

portate inferiori alla<br />

portata <strong>di</strong> progetto<br />

• Le efficienze sono<br />

confrontabili per portate<br />

eguali o superiori alla<br />

portata <strong>di</strong> progetto<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


EFFICIENZA DI LAMINAZIONE<br />

• Nel caso <strong>di</strong> cassa mista<br />

(invaso statico) le prove<br />

numeriche mostrano un<br />

buon accordo con le misure<br />

sperimentali<br />

• Nel caso <strong>di</strong> cassa in linea<br />

(invaso <strong>di</strong>namico) il<br />

confronto è buono per<br />

portate inferiori alla<br />

portata <strong>di</strong> progetto mentre<br />

l’efficienza è sottostimata<br />

dal mo<strong>del</strong>lo numerico per<br />

portate superiori: forte<br />

bi<strong>di</strong>mensionalità <strong>del</strong> moto<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


EFFICIENZA DI LAMINAZIONE<br />

1−ε<br />

( QIN<br />

)<br />

Rappresenta la risposta<br />

idro<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>la cassa ad<br />

un dato evento <strong>di</strong> piena<br />

(min 80% Q MAX IN )<br />

∆Q 50<br />

Rappresenta l’intervallo <strong>di</strong><br />

portate per cui l’efficienza<br />

<strong>di</strong> laminazione è superiore al<br />

50% <strong>del</strong>l’efficienza massima<br />

(ca 30% Q MAX IN )<br />

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SISTEMA DI CASSE IN SERIE<br />

Q=420 m 3 /s Q=360 m 3 /s Q=310 m 3 /s<br />

VARA1<br />

ε MAX =0.14<br />

VARA2<br />

ε MAX =0.14<br />

ε ( 1 −2<br />

= ε1<br />

+ ε<br />

2<br />

1−ε1)<br />

=<br />

0.26<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI MORFODINAMICA<br />

L’effetto <strong>di</strong> laminazione è ottenuto attraverso un forte<br />

innalzamento <strong>del</strong>la superficie libera necessario per ottenere<br />

volumi <strong>di</strong> invaso consistenti con piccole aree a <strong>di</strong>sposizione: la<br />

profon<strong>di</strong>tà passa dai 2-3 metri (alveo torrentizio) ai 10 m in<br />

corrispondenza <strong>del</strong>l’opera <strong>di</strong> sbarramento<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI MORFODINAMICA<br />

Il rallentamento <strong>del</strong>la corrente che produce la laminazione<br />

induce la formazione <strong>di</strong> aree <strong>di</strong> deposito nella cassa: la<br />

capacità <strong>di</strong> trasporto <strong>del</strong>la corrente in corrispondenza <strong>del</strong>lo<br />

sbarramento è, inizialmente, quasi nulla.<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A SCALA DI EVENTO<br />

Si propone <strong>di</strong> valutare:<br />

• l’effetto <strong>del</strong> trasporto solido<br />

sull’efficienza idro<strong>di</strong>namica <strong>del</strong>la cassa<br />

• L’entità dei depositi e la loro<br />

<strong>di</strong>stribuzione planimetrica<br />

∆V<br />

=<br />

V<br />

IN<br />

−V<br />

V<br />

IN<br />

OUT<br />

È la percentuale <strong>del</strong> complessivo<br />

volume entrante durante un singolo<br />

evento <strong>di</strong> piena che viene depositato<br />

all’interno <strong>del</strong>la cassa<br />

1− ∆V Rappresenta la risposta morfo<strong>di</strong>namica<br />

<strong>del</strong>la cassa ad un singolo evento <strong>di</strong> piena<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A SCALA DI EVENTO<br />

Cassa mista<br />

1 evento T=30 anni<br />

Mo<strong>del</strong>lo fisico<br />

∆V=100%<br />

Cassa mista<br />

1 evento T=30 anni<br />

Mo<strong>del</strong>lo numerico<br />

∆V=100%<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A SCALA DI EVENTO<br />

Fondo me<strong>di</strong>o: Me<strong>di</strong>a <strong>sulla</strong> sezione <strong>del</strong>l’entità <strong>del</strong><br />

deposito/erosione<br />

Cassa mista<br />

1 evento T=30 anni<br />

Cassa mista<br />

2 eventi T=30 anni<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A SCALA DI EVENTO<br />

Le efficienze <strong>di</strong><br />

laminazione risultano<br />

poco alterate<br />

dall’effetto <strong>del</strong><br />

deposito (<strong>di</strong>minuito<br />

volume <strong>di</strong>sponibile<br />

all’invaso)<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A LUNGO TERMINE<br />

Cassa mista: T = 30 anni<br />

1 2<br />

3 4<br />

5 6<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A LUNGO TERMINE<br />

Cassa in linea<br />

5 eventi<br />

T = 30 anni<br />

∆V=100%<br />

Cassa mista<br />

5 eventi<br />

T = 30 anni<br />

∆V=48%<br />

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Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A LUNGO TERMINE<br />

Percentuali volumi<br />

depositati durante<br />

successioni <strong>di</strong><br />

eventi<br />

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Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A LUNGO TERMINE<br />

Prova stazionaria con portata T=5 anni costante<br />

(ca 50 h al vero)<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


ANALISI A LUNGO TERMINE<br />

1 evento T=30 anni<br />

+ 6 eventi T=5 anni<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


• LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E<br />

FUNZIONAMENTO<br />

• METODOLOGIE DI STUDIO<br />

• EFFETTI SULL’IDRODINAMICA<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI<br />

EVENTO<br />

• EFFETTI SULLA DINAMICA DEL<br />

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO<br />

TERMINE<br />

• CONCLUSIONI<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006


CONCLUSIONI<br />

• Lo <strong>stu<strong>di</strong>o</strong> effettuato ha condotto ad un’approfon<strong>di</strong>ta<br />

comprensione dei fenomeni idraulici e morfo<strong>di</strong>namici che si<br />

realizzano all’interno <strong>di</strong> un’opera <strong>di</strong> laminazione. I risultati ottenuti<br />

sono esten<strong>di</strong>bili a opere <strong>di</strong> analoga tipologia<br />

•Si sono in<strong>di</strong>viduati gli strumenti mo<strong>del</strong>listici più adeguati per le<br />

<strong>di</strong>verse fasi <strong>di</strong> pianificazione e progettazione <strong>di</strong> opere <strong>di</strong><br />

laminazione<br />

•Le opere <strong>di</strong> laminazione alterano il naturale equilibrio <strong>del</strong> sistema<br />

fluviale in particolare per quanto riguarda il trasporto solido,<br />

sempre più frequentemente considerato come un importante<br />

in<strong>di</strong>catore <strong>del</strong>la naturalità e <strong>del</strong>la qualità ambientale <strong>di</strong> un corso<br />

d’acqua<br />

•Il sistema fluviale tende ad adattarsi alle nuove con<strong>di</strong>zioni<br />

imposte dalla presenza <strong>del</strong>l’opera ma la corretta progettazione, il<br />

monitoraggio e la manutenzione <strong>di</strong> queste opere rivestono<br />

particolare importanza per la pianificazione <strong>di</strong> questi interventi<br />

DIAm – Università <strong>di</strong> Genova<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Ingegneria Ambientale<br />

Sarzana, 24 Ottobre 2006

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