Generazione e sviluppo di pennacchi di torbida

Nel seguito si riportano i tratti salienti dei processi di mescolamento e trasporto che caratterizzano lo sviluppo di un pennacchio di torbida a diverse distanze dal sito di intervento (es. John et al., 2000; HR Wallingford Ltd & Dredging Research Ltd, 2003; Bridges et al., 2008; Er et al., 2016): dall’area di generazione (punto di rilascio o dredging zone), al campo vicino (o near-field zone) fino a quello lontano (o far-field zone).

In particolare, si fornisce una descrizione qualitativa dei principali processi di mescolamento e trasporto in relazione alle finalità delle operazioni di movimentazioni esaminate: escavo (o dragaggio), sversamento al largo e sversamento in aree costiere.

2.5.1 Generazione e sviluppo dei pennacchi di torbida durante il dragaggio

Nel caso della formazione di un pennacchio durante l’escavo (o dragaggio) l’area di generazione può essere considerata approssimativamente coincidente con la posizione della draga (o dredging zone). In tale area la dinamica trasporto del pennacchio di torbida è di natura turbolenta, caratterizzata da una scala temporale dei secondi e spaziale di pochi metri e dominata dalla forza di gravità che causa la sedimentazione immediata al fondo della frazione di sedimenti a granulometria maggiore. I meccanismi di risospensione e/o rilascio in colonna d’acqua dal mezzo dragante sono strettamente dipendenti dalle modalità tecnico-operative utilizzate (tipologia di draga, velocità, produttività e spessore del taglio durante un ciclo di dragaggio, profondità di escavo, accorgimenti operativi di tipo ambientale, ecc.), strettamente legate, a loro volta, alle caratteristiche dei sedimenti da movimentare. Il limite esterno dell’area di generazione del pennacchio di torbida generalmente individua la distanza più prossima ai mezzi di lavoro in corrispondenza della quale è possibile acquisire misure di torbidità e di concentrazione dei sedimenti sospesi e di distinguere tra i diversi meccanismi di rilascio dei sedimenti (Figura 2.15).

Nel campo vicino (o near-field zone), la dinamica del pennacchio è ancora di natura turbolenta, ma caratterizzata da una scala temporale dei minuti e da una scala spaziale di poche decine di metri. Qui i fenomeni di trasporto dei sedimenti sospesi sono dipendenti sia dalle modalità tecniche e operative utilizzate per la movimentazione sia dall’idrodinamica del sito di intervento. All’interno del campo vicino i sedimenti sospesi iniziano a subire processi di sedimentazione differenziale (Hadfield, 2014), per cui le frazioni più grossolane depositano allontanandosi progressivamente dal punto di rilascio e solo le frazioni granulometriche più fini contribuiscono a formare il pennacchio di torbida nel campo lontano. Più precisamente il comportamento del pennacchio tende da attivo a passivo e, pertanto, ad essere prevedibile e quantificabile.

Nel campo lontano (o far-field zone), infine, i processi di trasporto e deposizione sono condizionati principalmente dall’azione delle forzanti idrodinamiche (onde, maree, vento, gradienti di densità, ecc.) e la dinamica del pennacchio è essenzialmente di tipo passivo. In particolare, in questa zona le frazioni granulometriche più sottili possono rimanere in sospensione per diversi giorni ed essere trasportati anche in aree molto distanti (su scala spaziale dei chilometri) dall’area di generazione ed è possibile, pertanto, riprodurre e quantificare i fenomeni di trasporto con modelli matematici con un buon livello di affidabilità (es. HR Wallingford Ltd & Dredging Research Ltd, 2003; John et al., 2000). Sebbene i processi di trasporto e deposizione in tale area risentono principalmente dell’azione delle forzanti idrodinamiche, la loro entità varia notevolmente in funzione delle modalità con cui i sedimenti

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risospesi e/o rilasciati in colonna d’acqua alimentano la formazione del campo lontano (profondità di rilascio, volume e distribuzione granulometrica iniziale, ecc.).

2.5.2 Generazione e sviluppo dei pennacchi di torbida durante lo sversamento

Lo sviluppo di un pennacchio di torbida durante le operazioni di sversamento presenta evidenti analogie con lo sviluppo di un pennacchio durante le operazioni di escavo. Anche in questo caso, infatti, sono individuabili, procedendo a distanze crescenti dal sito di sversamento (area sorgente, o dredging zone) le medesime aree, caratterizzate da diversi processi di mescolamento e trasporto (Figura 2.15).

Nonostante tali analogie, tuttavia, lo sviluppo del pennacchio di torbida nel campo vicino può differire notevolmente nel caso di sversamento al largo e in aree costiere.

Il caso dello sviluppo del pennacchio di torbida nel campo vicino durante sversamento al largo (o comunque in aree ove possibile utilizzare tecniche di sversamento del tipo dumping) è stata oggetto di approfondimenti specifici (es. Bokuniewicz et al.,1978; Rahimipour & Wilkinson, 1992; Johnson & Fong, 1995; Bailey et al., 2004; Howlett, 2003; Saremi, 2014; Er et al., 2016).

Generalmente, nel caso possa essere ragionevolmente accettata l’ipotesi di rilascio puntuale e istantaneo (es. quando il volume di sedimento è grande), la dinamica del flusso dei sedimenti sversati è considerata differenziabile in tre fasi distinte (es. Bokuniewicz et al., 1978; Rahimipour & Wilkinson, 1992; Ruggaber, 2000) schematizzati in Figura 2.16.

La fase iniziale, convettiva discendente, è influenzata principalmente dai parametri operativi e dalla forza di gravità (es. effetti di galleggiamento del flusso). Al crescere della distanza dal punto di rilascio i sedimenti, che inizialmente si muovono verso il fondo come un corpo fluido guidato dalla differenza di densità, tendono a risentire sempre più della circolazione interna e dei processi di sedimentazione in base alla velocità di sedimentazione (fase dispersiva).

In seguito all’impatto dei sedimenti sversati sul fondo si ha la fase di collasso dinamico, caratterizzata da alta turbolenza e dall’inizio dei processi di dispersione e diffusione dei sedimenti lungo l’orizzontale. Si ha infine la fase di trasporto passivo, che definisce il passaggio dal campo vicino al campo lontano, dove il trasporto dei sedimenti risente maggiormente delle correnti locali (Figura 2.16).

Figura 2.15 - Schema della formazione di un pennacchio di torbida durante la fase operativa di escavo (dragaggio). tratto da HR Wallingford Ltd & Dredging Research Ltd (2003).

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Nel caso di sviluppo del pennacchio di torbida nel campo vicino durante lo sversamento in aree costiere (es. finalizzato alla ridistribuzione di sabbia sulla spiaggia, in prossimità delle foci fluviali, o più in generale quando è necessaria la movimentazione di sedimenti con mezzi di lavoro con elevate capacità di carico/potenze delle pompe di scarico) l’entità degli incrementi di SSC nel campo vicino dipende principalmente dalla quantità dei sedimenti e dagli accorgimenti tecnici utilizzati sulle modalità di sversamento (es. per ridurre l’overflow in fase di carico e per massimizzare la densità della miscela di acqua-sedimento sversati). In particolare, la frazione dei sedimenti rimessa in sospensione rispetto al totale del sedimento deposto per l’azione di disturbo esercitata dalle locali condizioni idrodinamiche è strettamente dipendente dalla densità del nuovo materiale deposto (Roman-Sierra et al., 2011). Secondo Winterwerp (2002), infatti, sullo sviluppo del pennacchio di torbida (oltre che sull’efficacia degli interventi nel tempo) incide maggiormente la densità, quindi la dinamica, della massa della miscela di acqua-sedimento sversato rispetto alla velocità di sedimentazione delle singole particelle di sedimento.

Con riferimento alla schematizzazione del pennacchio proposta in Er et al. (2016) (cfr. par. 3.3.3 per maggiori dettagli) nel caso di sversamento in aree costiere mediante modalità del tipo dumping la profondità oltre la quale il pennacchio diviene dispersivo (zt in Figura 3.8) è considerabile maggiore della profondità dell’acqua (h in Figura 3.8). Ciò implica che le fasi iniziali dello sviluppo del pennacchio durante lo sversamento di grossi quantitativi di sedimento in aree costiere (caratterizzate da profondità limitate e, nel caso di aree litoranee, anche da alta agitazione idrodinamica) sono caratterizzabili in modo bidimensionale (2D), sia per la fase iniziale discendente sia per la fase dispersiva della dinamica nel campo vicino (cfr. par. 3.3.3). Solo successivamente il pennacchio può subire processi 3D nel campo lontano qualora raggiunga acque più profonde o stratificate.

Figura 2.16 - Schema qualitativo delle fasi dello sviluppo del pennacchio nel near field dei sedimenti sversati.

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