Il campionamento

La conoscenza della concentrazione di solidi sospesi trasportati da una cor-

rente pu`o essere raggiunta tramite metodi diretti o indiretti.

Campionamento diretto

Si intendono metodi diretti quelli per cui si cerca di misurare la massa di sostanze sospese presenti in un volume noto di liquido. Si tratta sostan- zialmente di prelevare un campione di torbida fluviale e di effettuare analisi gravimetriche in laboratorio, volte a conoscere il volume del campione e il peso della sostanza secca in esso contenuta, tipicamente per restituire un valore di concentrazione in g/l. Al fine di determinare direttamente la con-

centrazione di solidi sospesi `e quindi necessario prelevare fisicamente alcuni

campioni nel sito interessato. Campionamento indiretto

I metodi indiretti sono quelli per cui la concentrazione dei solidi sospesi

`e desunta in seguito alla misurazione di una variabile secondaria, ad essa

correlata e, possibilmente, pi`u semplice da misurare. La correlazione tra la

concentrazione dei solidi sospesi e la variabile secondaria non `e mai perfetta,

per cui la ricostruzione del dato di concentrazione sar`a sempre affetta da una

componente di errore, maggiore o minore a seconda di quanto sia buona la specificazione del modello di regressione.

Torbidit`a Uno dei metodi indiretti probabilmente pi`u usati `e quello di mo-

nitorare la torbidit`a della corrente. La presenza di sedimenti causa variazioni

nelle propriet`a ottiche dell’acqua. Un raggio luminoso diretto attraverso un

campione di acqua torbida verr`a in parte assorbito e in parte riflesso dai

sedimenti sospesi presenti (Wren e altri, 2000). Le variazioni delle carat- teristiche del raggio emesso possono essere misurate con opportuni sensori

ottici, e conseguentemente correlati con la quantit`a dei sedimenti presenti nell’acqua.

La torbidit`a dell’acqua `e in realt`a una caratteristica che non `e influenza-

ta dalla sola concentrazione dei sedimenti sospesi, ma anche da fattori come la loro granulometria, o il colore dell’acqua; si deve poi tenere conto anche dell’influenza del particolare strumento di misura e delle sue specifiche. De-

terminare il valore di concentrazione a partire dalla torbidit`a non `e quindi

una pratica priva di errori, e per ottenere buoni risultati si deve tenere in conto di affrontare lunghi periodi di calibrazione e taratura degli strumen- ti a partire da dati comunque ottenuti da campionamenti diretti. Tuttavia

la misura della torbidit`a `e ritenuta un ottimo metodo per affrontare il mo-

nitoraggio dei solidi sospesi, sia perch´e consente di ridurre di molto i costi

operazionali (Wass e Leeks, 1999), sia perch´e permette di ottenere banche

dati di alto dettaglio temporale, con la possibilit`a di ottenere la traccia con-

tinua della variabilit`a del trasporto solido in sospensione; il che pu`o essere

un’ottima contropartita della minor precisione dei singoli valori misurati, so- prattutto quando un sito si presta particolarmente bene alla correlazione tra

torbidit`a e concentrazione dei solidi sospesi (Wass e Leeks, 1999; Walling e

Webb, 1981), ed il range di variazione della torbidit`a non eccede la scala

strumentale disponibile.

Effetto Doppler Un ulteriore metodo indiretto molto promettente `e quel-

lo che sfrutta l’effetto Doppler, secondo cui se una sorgente di onde sonore si muove rispetto ad un ricevitore, la frequenza delle onde sonore al ricevitore trasla rispetto alla frequenza originaria (Kostaschuk e altri, 2005). Dall’a-

nalisi della variazione nella frequenza del segnale si pu`o risalire alla velocit`a

relativa tra sorgente e ricevitore degli impulsi sonori, e quindi alla velocit`a

della sorgente una volta nota quella del ricevitore.

L’effetto Doppler `e quindi comunemente utilizzato per la misura di velo-

cit`a, ma pu`o essere contestualmente usato per stimare la concentrazione di

solidi sospesi in un fluido. Gli impulsi acustici sono caratterizzati anche da

una intensit`a oltre che da una frequenza e lunghezza d’onda. La riflessione

causata dai sedimenti presenti nell’acqua implica che il segnale di ritorno

abbia una intensit`a diminuita, di un’entit`a dipendente dalla concentrazione

dei solidi sospesi. Grazie a questo effetto, uno strumento che sfrutti l’effetto

Doppler (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) pu`o essere utilizzato per

misurare la concentrazione dei sedimenti in sospensione in ambiente fluviale.

Si tratta di una classe di strumenti che pu`o fornire dati molto dettagliati,

soprattutto per quanto riguarda la dinamica dei sedimenti; permette inol- tre, almeno a livello teorico, di trarre misure in modo potenzialmente non

invasivo, e anche sull’intera colonna d’acqua investigata (Wren e altri, 2000), compatibilmente con le caratteristiche tecniche dello strumento.

Al pari delle tecniche torbidimetriche, purtroppo, le tecniche acustiche

soffrono del problema della taratura. Il punto debole `e che l’attenuazione

dell’intensit`a del segnale acustico riflesso dalle particelle solide non dipende

solo dalla concentrazione delle stesse, ma anche dalla granulometria e dal

tipo, oltrech´e dalle caratteristiche tecnico-operative dello strumento usato. In

conseguenza l’intensit`a del segnale di ritorno risulta essere un effetto integrato

di diversi fattori (Reichel, 1998), per cui non `e possibile ricostruire in modo

univoco il valore della concentrazione dei solidi sospesi. Il metodo deve quindi essere affiancato da una fase preliminare di taratura e da periodici controlli. Strategie di campionamento

La strategia di campionamento `e essenziale per un esito positivo di un mo-

nitoraggio. La frequenza di campionamento `e il parametro principale, quello

che effettivamente influisce sulla bont`a dell’informazione ricavabile dai dati.

Un campionamento infrequente pu`o risultare essere tra le fonti principali di

errore nel calcolare l’entit`a del carico dei sedimenti (Gippel, 1995).

La strategia di campionamento ottimale sarebbe quella per cui la concen- trazione dei solidi sospesi viene monitorata in continuo, in modo da poter stimare il trasporto solido sfruttando l’equazione (2.32). Un monitoraggio

continuo, o meglio discreto ma con elevata frequenza, `e per ora possibile solo

con l’uso di metodi indiretti, quali quelli turbidimetrici o acustici. Il dato di

concentrazione `e sicuramente meno affidabile di dati ricavati tramite analisi

gravimetrica, ma `e opinione abbastanza condivisa in letteratura (Brasington

e Richards, 2000) che la disponibilit`a di un record quasi-continuo sopperisca

a tale aspetto, in termini di risultati. L’aspetto comunque cruciale, aldil`a

della corretta scelta del sito di campionamento e della strumentazione, `e la

calibrazione delle relazioni che consentono di stimare la concentrazione dei

sedimenti in sospensione. A tal fine `e necessario disporre di misure dirette

di concentrazione, contestuali a misure della variabile indiretta monitorata,

che si estendano su un range di variazione il pi`u ampio possibile. I campioni

per la taratura possono essere prelevati con qualsiasi criterio, ma una scel- ta conveniente dovrebbe essere quella di affiancare la strumentazione ad un campionatore automatico. In questo modo, programmando opportunamente

l’unit`a elettronica di campionamento, si pu`o ottenere il risultato di collezio-

nare campioni di torbida in accordo con il valore della portata, cos`ı da avere un ampio e consistente corpo di punti campionari su cui basare la regres- sione tra la concentrazione dei solidi e la variabile indiretta del caso (Lewis, 1996; Morris e Fan, 1998). L’uso di un campionatore automatico accoppiato

a torbidimetri o strumenti acustici risulterebbe utile anche nei confronti della

necessit`a di verificare a distanza di tempo la taratura delle relazioni messe

a punto, dal momento che le condizioni di taratura possono facilmente non

essere pi`u verificate nel tempo.

Il prelievo diretto di campioni di torbida, nel momento in cui non si vo- glia monitorare il trasporto solido sospeso in modo indiretto, deve essere pro- grammato in maniera che gli eventi di piena siano efficacemente monitorati,

in quanto `e ormai consolidato il fatto che essi sono responsabili della mag-

gior parte del trasporto solido annuo di un bacino idrografico Morris e Fan

(1998). In passato, sia per la minore disponibilit`a di tecnologie che, usual-

mente, per problemi di budget e opportunit`a, molte campagne di monitorag-

gio sono state condotte tramite prelievi manuali da parte di operatori. Un simile schema risente di ovvie problematiche, quali vincoli di campionamento in giorni feriali, o comunque in orari diurni, e di frequenza di acquisizione necessariamente bassa, elementi che non portano a garantire una adeguata

copertura del fenomeno in esame. La crescente disponibilit`a di applicazioni

tecnologiche ha, nel tempo, reso possibile il campionamento automatico delle torbide; la strumentazione necessaria, relativamente semplice ed accessibile,

`e genericamente comprensiva di (Morris e Fan, 1998):

1. Sistema di alimentazione elettrica;

2. Sistema di presa con tubo e boccaglio collocato in alveo; 3. Pompa;

4. Sistema di distribuzione dei campioni e di immagazzinamento in bot- tiglie;

5. Unit`a digitale di controllo e programmazione dell’operato del campio-

natore.

L’utilizzo di un campionatore automatico ha un pregio fondamentale: quello di poter essere programmato. La programmazione consente di pianifi- care il monitoraggio, rendendo possibile l’obiettivo di ottimizzare la raccolta

di campioni e rendere pi`u efficiente la descrizione del fenomeno studiato,

ad esempio concentrando la raccolta di campioni durante gli eventi di pie- na, o quando un determinato livello del tirante idrico viene superato. Una strategia di campionamento che sembra produrre ottimi risultati (Schleppi

e altri, 2006) `e quella per cui si usa la misura in continuo della portata li-

quida per indurre il campionatore a prelevare un campione ogni qualvolta un determinato valore di volume sia defluito. Thomas (1985) argomenta- va che il dramma fondamentale nell’ambito del campionamento diretto del

trasporto solido era, e a tutt’oggi sembra ancora essere, la mancanza di un approccio statisticamente basato al problema. Se l’atto del campionamen-

to non `e accompagnato da un criterio statistico che indichi quando sia pi`u

opportuno effettuare una misura, si producono plausibilmente stime affet- te da errori sistematici dipendenti da fattori non quantificabili, e, ancora, a

stime di cui non `e possibile valutare l’incertezza. In effetti, il problema del-

la stima del trasporto solido a partire da dati prelevati senza alcun criterio

statistico `e stato spesso affrontato (Walling e Webb, 1981; Phillips e altri,

1999; Brasington e Richards, 2000; Schleppi e altri, 2006), e uno dei risul-

tati pi`u comuni `e quello di non poter stabilire un metodo che si distingua

tra gli altri per precisione ed accuratezza, lasciando in sostanza il problema

della stima irrisolto. Tale situazione `e di fondo generata dalla disponibilit`a

di dati la cui trattazione `e incerta, proprio perch´e conseguiti senza una stra-

tegia di campionamento rigorosamente fondata. Al contrario Thomas (1985) propone l’uso di un campionatore automatico e di una tecnica di campio- namento denominata SALT (Selection at List Time), basata sull’uso di una

variabile ausiliaria che permetta di asserire che la probabilit`a di prelevare

un campione sia proporzionale al presunto contributo che il campione dar`a

alla formazione del trasporto solido totale. In particolare, la variabile ausi-

liaria proposta `e costruita sulla base di una rating curve, tramite la quale il

campionatore pu`o preliminarmente effettuare una rozza stima del trasporto

solido associato al deflusso corrente, e quindi prelevare o meno un campione a seconda del suo potenziale contributo alla determinazione finale. Il metodo ha prodotto ottimi risultati, sia in termini di precisione che di accuratezza della stima. Successivamente Thomas e Lewis (1993) hanno proposto l’uso di un approccio statistico alternativo, denominato Time-Stratified Sampling (Campionamento temporalmente stratificato), in cui il campionamento viene effettuato all’interno di intervalli temporali definiti sulla base dello sviluppo

idrologico del deflusso sia liquido che torbido. A tal fine `e necessario l’in-

tervento di un idrologo qualificato che possa definire gli intervalli temporali di campionamento in modo opportuno. Il metodo vuole avvantaggiarsi di quelle che sono le conoscenze a riguardo della popolazione statistica da cam- pionare, arrivando a definire degli strati in cui la variabile campionata sia relativamente omogenea. In tal modo si possono produrre delle stime finali

la cui varianza pu`o facilmente essere minore di quella di corrispondenti stime

prodotte a partire da un approccio di tipo SALT, ma rimane evidente come

il metodo poggi sulla capacit`a e sull’esperienza dell’idrologo che decide le

lunghezze degli intervalli temporali con cui campionare.

Ad ogni modo, la particolare strategia adottata influenzer`a il metodo ne-

cessario a stimare il deflusso solido sul periodo monitorato, per cui si tratta

un campionatore automatico garantisce sicuramente un maggior numero di campioni rispetto a quanti se ne potrebbero ottenere a mano. I vantaggi del campionamento automatico si riflettono quindi sulla migliorata efficienza

di campionamento, su una maggior razionalit`a e su un maggior risparmio

nell’uso di risorse economiche. Si deve comunque tenere presente che il cam-

pionatore accumuler`a i campioni in bottiglie, solitamente in numero di 24,

per cui va prevista una procedura affidabile che consenta allo strumento di disporre di bottiglie vuote nel momento in cui il campionamento sia neces-

sario. Questo pone la necessit`a di disporre di personale, non pi`u addetto al

campionamento vero e proprio, ma ad attivit`a di manutenzione e gestione del

campionatore. L’effettiva numerosit`a dei campioni pu`o essere facilmente limi-

tata da aspetti tecnici di questo tipo qualora non venga prevista una gestione efficiente ed accurata del programma di campionamento o, banalmente, non siano presenti sufficienti risorse economiche.