5.2 - LA SCALA DI RISALITA PER L’ ITTIOFAUNA 5.2.1 -

5.2 - LA SCALA DI RISALITA PER L’ ITTIOFAUNA

5.2.1 - ELEMENTI PROGETTUALI PER LE OPERE DI CONTINUITA’

Particolare rilievo ha, nell'opera progettuale, l'attenzione per le opere adibite a garantire la continuità biologica del corso d'acqua.

In molti dei nostri fiumi e torrenti sono presenti popolazioni ittiche i cui esemplari adulti migrano stagionalmente, in direzione delle sorgenti, per raggiungere i quartieri riproduttivi, dove in seguito deporranno le loro uova.

Agli ostacoli già posti dalla natura lungo il percorso dei pesci (rapide e cascate), l'uomo ne ha, per vari scopi, aggiunti altri (regimazione idraulica, stabilizzazione dei versanti, approvvigionamento energetico o idrico). Il problema non riguarda solo i "grandi migratori" (anguilla, cheppia e storioni), ma anche diverse specie generalmente considerate riduttivamente, come "stanziali". Infatti anche lasche e vaironi possono aver bisogno di ritirarsi dai tratti dei corsi d'acqua momentaneamente o stagionalmente colpiti da forti modifiche ambientali (naturali o di origine antropica) inaccettabili per la specie (forti regimi di "magra" e/o forti piene stagionali). I generi Condrostoma, Thymallus, Barbus, Salmo (lasche, cavedani, barbi, temoli, vaironi, trote) tendono a costituire popolamenti la cui entità, complessità e qualità sono, di fatto, sempre più proporzionali anche alla integrità del continuum del corpo idrico in cui abitano; un fiume frammentato da briglie e traverse non può che ospitare popolamenti altrettanto "frammentati" e progressivamente sempre più impoveriti man mano che ci si sposta da monte a valle. Il fenomeno delle "meta-popolazioni" sarà tanto più accentuato quanto più sarà breve l'intervallo medio fra gli sbarramenti, con progressivo impoverimento, anche fino all'annullamento, dei nuclei più a monte, per riduzione o mancanza di reclutamento dalle aree più a valle.

È noto che le "frammentazioni" dei popolamenti hanno molta influenza, non solo sullo stato di conservazione delle specie, ma anche sul piano gestionale. Infatti, il blocco dell'espansione stagionale di grandi sciami di cavedani o di lasche o di vaironi verso i limiti inferiori di acque normalmente abitate anche da trote può far erroneamente stabilire la "vocazionalità prevalentemente salmonicola" di un torrente.

Sebbene alcune specie, specialmente i Salmonidi, siano famose come "saltatrici", il libero movimento dei pesci in presenza degli ostacoli, siano essi naturali ovvero artificiali, può essere spesso reso possibile soltanto dall'uso opportuno di "passaggi per i pesci", detti anche "scale di risalita" o "di rimonta". Questi hanno lo scopo di fornire al pesce un più facile percorso sopra ovvero intorno ad un ostacolo, consentendogli di superare il dislivello attraverso una serie di tappe (scale a "bacini successivi"), oppure riducendo la velocità dell'acqua in un canale in declivio (ad esempio le scale del tipo "Denil"). Le varie specie compiono i loro passaggi per la deposizione delle uova in differenti condizioni di deflusso, perciò nel progettare le scale bisogna tener conto della capacità natatoria del pesce (velocità e resistenza) e dell'effetto della temperatura dell'acqua su tale capacità. Bisogna anche tener conto delle precise caratteristiche del sito, al fine di impiantare le scale in modo che il loro ingresso sia trovato facilmente. Sono stati sperimentati molti modelli di "passaggio per i pesci".

La "rampa in pietrame", di concezione relativamente antica, indica un'opera che si presenta come una vera e propria rapida artificiale. E' il tipo di passaggio per pesci che presenta più opportunità anche per le piccole specie ed ha il vantaggio di un'ottima possibilità di inserimento nel paesaggio. Si ricorre a questa tipologia, tutte le volte che si deve attenuare il dislivello imposto da una traversa destinata al contenimento dell'erosione di fondo. E' adottata per mitigare anche grandi dislivelli con opere uniche o con successioni di piccoli manufatti. Presenta ottimi fattori a suo vantaggio perché, una volta finita, si presenta con un aspetto naturale e semplice; in realtà, nasconde una progettualità altrettanto rigorosa delle tipologie più tecnologiche. Infatti, benché ottenuta con materiali poveri e assemblati in modo apparentemente rustico, una rampa in pietrame ben costruita garantisce deflussi di corrente adatti per le specie alle quali è destinata. E' fondamentale che sia ben stabilita la pendenza (1:8-1:10, orientativamente) della rampa in modo da calcolare la distribuzione dei massi di varie grandezze che dovranno comportarsi come dissipatori dell'energia della corrente: portata, trasporto solido e dislivelli in esame sono utilizzati per stabilire con esattezza la pendenza e la dimensione dei massi che potranno essere utilizzati per realizzare un'opera che solo ad un primo esame sembrerà un dislivello naturale del fiume. Concettualmente non troppo dissimile è la cosiddetta "scala rustica", che congiunge due tronchi del corso d'acqua, a monte e a valle dell'opera di sbarramento, per mezzo di un canale

scavato su una delle due rive. Canale dalle pareti e dal fondale provvisti di rugosità e ostacoli imitanti in qualche modo quelli di un ruscello naturale. La pendenza dell'opera non è solitamente molto accentuata (poche unità percentuali). La rampa di Crump si basa su un particolare comportamento della corrente su rampe ideate negli anni '50 da un ingegnere idraulico che si indirizzò sulla costruzione di briglie a sezione triangolare e con superfici assolutamente lisce, ma realizzate con assoluta precisione, secondo modelli che rispettano sezioni, profili di forma e di lieve pendenza che possono essere presi in considerazione solo nel caso che vi sia un modesto trasporto solido e un buon controllo della portata. La rampa di Crump presenta la possibilità di variazioni di forma (es. a doppia V, per canalizzare la portata al centro del manufatto).

Passaggi per pesci e per kajaks possono infine essere realizzati combinando le tipologie di rampe più svariate. Sono strutture la cui tipologia è in continua evoluzione per migliorarne il risultato come nel caso dei pannelli rallentatori di velocità dell'acqua che, a differenza dei passaggi per pesci di Denil classici, sono localizzati solo sul fondo del canale di varie forme e dimensioni. Un sottogruppo di tali passaggi è costituito da rampe (anche del tipo grezzo) studiate per essere transitabili, in sicurezza, anche dai kayakisti. Il tipo di scala che è stato usato più di frequente è senza dubbio quella a "bacini successivi". Con questo tipo di scala l'altezza da superare è suddivisa in una serie di piccole cascate che alimentano altrettanti bacini comunicanti tra loro per mezzo di stramazzi (stretti o larghi), di orifizi o fenditure verticali. I bacini servono ad un duplice scopo: come zone per il riparo eventuale dei pesci e per l'opportuno assorbimento dell'energia dell'acqua scorrente attraverso la scala. E' perciò importante costruire i bacini nelle dimensioni più opportune. Il dislivello tra due bacini successivi è da prestabilire in funzione delle specie migratrici che si considerano.

La chiusa dei pesci (o chiusa "Borland") funziona quasi secondo lo stesso principio della chiusa per la navigazione. I pesci sono catturati in un comparto e poi fatti passare in quello a livello superiore, come avviene per i battelli, fino alla liberazione a monte dell'ostacolo.

Con altri sistemi di scala i pesci sono catturati in una vasca, poi trasportati a monte, sia per via d'acqua (se si tratta di una chiusa per la navigazione), sia per mezzo di un ascensore o di una funicolare; oppure semplicemente per mezzo di un autocarro. Nelle scale a rallentamento - o Denil, dal nome del loro inventore - si

dispongono sul fondo e/o sulle pareti di un canale a forte pendenza (fino al 200%) una serie di deflettori, di forma più o meno complessa, destinati a ridurre le velocità medie di scorrimento dell'acqua. Uno dei dati fondamentali per la progettazione di una scala di rimonta è quello della capacità natatoria del pesce migrante, calcolata in termini di velocità e resistenza. La velocità natatoria del pesce è espressa spesso, in contesto tecnico, in termini di lunghezza del corpo per secondo (l/s), ma nel proseguo si utilizzerà l'unità metrica m/s, allo scopo di consentire raffronti diretti con la velocità della corrente.

Le velocità natatorie dei pesci sono descritte come comprese o nell'ambito delle velocità cosiddette "di crociera", oppure nell'ambito di quelle dello "scatto" e sono attribuite a due distinti tipi di muscoli (Hudson, 1973; Webb, 1975; Wardle e Videler, 1980). Nelle velocità di crociera, più basse e che possono essere mantenute per lunghi periodi (24 ore), è impiegato il "muscolo rosso" (detto anche "nero", ma meglio sarebbe chiamarlo muscolo aerobico), il quale si contrae quando le cellule dispongono d'ossigeno in quantità almeno uguale a quella che viene consumata. Qualsiasi restrizione della disponibilità di ossigeno limita le capacità natatorie. Nelle più rapide velocità di scatto è impiegato il "muscolo bianco" (o anaerobico), il quale può contrarsi rapidamente e vigorosamente in as-senza d’ossigeno e diventa esausto soltanto quando tutto il glicogeno contenuto nelle cellule del muscolo bianco si è trasformato in acido lattico. Per ricostruire la riserva di glicogeno occorre ossigeno, e possono essere richiesti periodi relativamente lunghi (sino a 24 ore) se essa è stata completamente esaurita (Wardle, 1978; Batty e Wardle 1979).

Il nuoto ad alta velocità corrisponde sempre ad una breve durata. A parità di velocità, i piccoli si muovono comunque ad una velocità più prossima ai loro valori massimi rispetto a quelli più lunghi e resistono quindi per un tempo minore prima di ricadere all'indietro. I pesci di maggiore dimensione riescono invece a nuotare per lunghi periodi mantenendo la capacità per velocità ancora più alte. Le velocità natatorie di gran parte delle specie ittiche sono simili, per pesci delle stesse dimensioni, e sono straordinariamente alte. La Trota iridea (Salmo gairdneri, Richardson) quando ha una dimensione di 20 centimetri può raggiungere una velocità di 1,6 m/s, e un'accelerazione dell'ordine dei 33 m/s2 _{(Webb, 1978).}

Tali alte velocità di scatto e d'avvio sono essenziali per i pesci migratori, che devono superare, nuotando o saltando, cascate spesso molto difficoltose.

La velocità natatoria di un pesce che si muove in avanti è strettamente correlata alla frequenza dei colpi di coda. La distanza superata con ciascun ondeggiamento del corpo (lunghezza di passo) corrisponde poi a circa sette decimi della sua lunghezza. La velocità d'avanzamento può dunque essere così espressa:

t 2 l 0.7 v ⋅ ⋅ = dove:

v = la velocità natatoria massima. l = la lunghezza del pesce.

t = il tempo di contrazione del muscolo.

Il tempo di contrazione del muscolo laterale è breve per i pesci piccoli e via via maggiore per quelli più grandi. Il tempo di contrazione è anche influenzato dalla temperatura: un muscolo freddo si contrae più lentamente di uno caldo, perché, come noto, i processi biochimici e fisiologici sono influenzati dalle condizioni termiche (Wardle, 1980). La velocità natatoria massima, dunque, è influenzata sia dalla lunghezza del pesce che dalla temperatura dell'acqua, ed è possibile predire (vedi figura seguente) queste influenze usando una formula empirica che Zhon (1982) ha ricavato da 276 misurazioni del tempo di contrazione muscolare (Wardl, 1975), misurazioni effettuate per temperature comprese tra 2°C e 18°C, prendendo in esame sei differenti specie ittiche la cui dimensione corporea compresa tra 5 e 80 centimetri.

La temperatura dell'acqua ha un considerevole effetto sulla velocità natatoria massima; un salmone di 0,90 m (7,8 kg), ad esempio, raggiunge la velocità massima di appena 2,5 m/s in acque a 2°C di temperatura, mentre sfiora i 10 metri al secondo (9,6 m/s) a 25°C. Anche la resistenza è determinata sia dalla lunghezza del pesce, sia dalla temperatura, dipendendo dalla quantità di glicogeno immagazzinato nel muscolo bianco. Questa riserva comincia ad essere usata non appena la velocità supera quella definita "di crociera" e il rateo di utilizzazione dipende dalla temperatura. Le temperature dei corsi d'acqua locali variano annualmente tra un minimo di 0°C e un massimo 25°C, all'incirca.

figura 5.2.1: Esprime il legame fra la massima velocità di nuoto (m/s) in ordinata e la lunghezza del pesce in ascissa (m); Tale legame ha come parametro la temperatura che viene fatta variare tra 2°C e 25°C.

I pesci che sono sulla via del ritorno verso le loro residenze abituali, nel periodo Giugno-Luglio, si imbattono nelle temperature più alte dell'anno e saranno perciò in grado di procedere all' accresciuta velocità necessaria per sormontare molti degli ostacoli più ardui, mentre i pesci migranti in Ottobre affrontano temperature più fredde, e più fredde ancora sono quelle che affrontano i pesci che si spostano all'inizio della primavera, per cui essi nuotano con una velocità massima significativamente ridotta.

Tornando all'argomento della progettazione delle strutture atte a dare continuità biologica al fiume, si può ricordare come già nel 1940 Mcleod e Nemenij

raccomandavano che un'efficace ed efficiente scala di rimonta del pesce deve "ridurre la velocità dell'acqua al di sotto della capacità natatoria; ovviare ai cambiamenti rapidi del deflusso; assicurare la trasparenza dell'acqua e la visibilità del percorso; possedere luoghi di riposo; operare senza l'intervento dell'uomo; far defluire acqua in una quantità sufficiente ad attrarre i pesci; avere un imbocco a valle ben situato; essere non costosa sia da costruire che da far funzionare; non essere soggetta ad ostruirsi con sedimenti o detriti; non richiedere disponibilità d'acqua superiore a quella preesistente ed essere accessibile facilmente" (Beach, 1984). I due tipi fondamentali di scala attualmente in uso sono il tipo "a bacini successivi" (costituita da una serie di vaschette a cascata) e il tipo Denil.

La scala tipo Denil

Quest' ultima si chiama così dal nome dell'ingegnere belga G. Denil, i cui studi permisero la realizzazione di una scala a canale in cui si utilizzavano quinte o deflettori per l'assorbimento dell'energia (Denil, 1936). Le quinte sono molto ravvicinate tra loro ed inclinate ad angolo rispetto all'asse del canale, così da formare canali secondari e nello stesso tempo lasciare uno spazio relativamente ampio per un canale di scorrimento principale in cui far passare il pesce.

II flusso di rientro dai canali secondari s'incontra bruscamente con il flusso principale e l'energia viene assorbita tramite il grande trasferimento del momento d'impulso e del rimescolio intenso; l'assorbimento dell'energia non è quindi dovuto all'attrito contro le quinte (Mc Leod e Nemenij, 1940), come spesso viene asserito. Le superfici dei canali secondari devono essere lisce e gli ingressi ben allineati rispetto al flusso centrale, così da ridurre perdite dovute all'attrito e assicurarsi che le correnti secondarie, rimbalzanti verso il centro, siano vigorose e senza impedimenti nell'opera di contenimento della velocità del deflusso centrale. Per questo la forma, la posizione e la distanza delle quinte giocano un ruolo così importante. Nel progetto originale di Denil, le quinte sono così complesse che sarebbe molto difficoltoso riprodurle. Quinte fatte di un solo ripiano si sono dimostrate efficaci allo stesso modo (Mc Leod e Nemenij, 1940).

Una scala che sia d'impianto economico, con un ingresso facilmente localizzabile, e che occupi il minimo dello spazio, deve avere un gradiente che sia il più ripido possibile. Comunque, la velocità dell'acqua in una scala Denil aumenta approssimativamente secondo la radice quadrata del gradiente, e più la scala è

ripida più aumenta il deflusso dell'acqua. Inversamente, una riduzione della sezione trasversale con gradiente invariato della scala determinerà un deflusso minore e velocità inferiore e una diminuzione delle spese d'impianto. Il limite dello spazio di passaggio attraverso una scala Denil è stabilito dallo spazio natatorio occorrente ad un pesce ascendente.

Lunga o ripida che sia una scala Denil, la velocità dell'acqua deve comunque essere tale che né la velocità massima né la resistenza del pesce, calcolata in base alla lunghezza corporea del pesce e alla temperatura dell'acqua, siano soverchiate.

Il progetto di una scala Denil implica la conoscenza del rapporto tra flusso e profondità dell' acqua. I dati disponibili su tale rapporto sono molto scarsi, e ciò che è disponibile, riferendosi a svariati tipi di sito, non facilita le comparazioni. Lonnebjerg (1980) ha investigato gli effetti della pendenza e delle dimensioni del flusso usando modelli. E' giunto alla conclusione che le forze significative sono quelle d'inerzia e di gravità. Usando la legge di scala di Froude, egli propone le seguenti equazioni approssimate in base alla velocità media e al flusso:

0.5 m f _λ V V = 2.5 m f _λ Q Q =

in cui λ è il rapporto di scala Lf/LM, Lf è una dimensione di una scala di risalita a

piena sezione e LM è la dimensione equivalente di un modellino di scala di risalita.

Poiché la velocità dell'acqua in una scala Denil aumenta in proporzione della radice quadrata del gradiente,

0.5 m f m f a a V V     =

in cui “a” è il seno dell'angolo di pendenza, come sopra.

Le scale a rallentamento si possono adattare ad una grande varietà di siti. Sono particolarmente funzionali:

- per i salmonidi;

- in caso d'impianto su opere preesistenti, poiché è relativamente più facile integrare questi tipi di scale nel corpo preesistente rispetto ad una scala a bacini successivi che utilizzi una stessa portata d'acqua (Beach, 1984);

Alcuni tipi di scala a rallentamento (con rallentatori di fondo a scaglie spesse, per esempio) possono essere utilizzati come scivoli per kajaks, a patto di realizzarle con una sufficiente larghezza (minimo 1,40m).

La scala a bacini successivi

Come è implicito nel nome, la scala "a bacini successivi" ha l'aspetto (e la funzione) di una "normale" scala. Consiste in una serie di traverse (muretti trasversali) e bacini che sono disposti a livelli progressivamente più alti in quota, in modo da far aggirare un ostacolo (naturale o artificiale) e, quindi, consentire al pesce il passaggio verso un livello superiore delle acque, attraverso "gradini" d'altezza limitata e pertanto facilmente sormontabili.

Se si deve assicurare la risalita di diverse specie migratrici la scala a bacini successivi sembra essere la migliore soluzione, in quanto meno selettiva delle scale a rallentamento (o almeno di gran parte di esse). Si distinguono quattro tipi di scala a bacini successivi:

- le scale a pareti o scanalature di deflusso; - le scale ad orifizi sommersi;

- le scale di tipo misto (pareti o scanalature, più orifizi); - le scale a fessure verticali.

In generale, la scala ad orifizi sommersi è di poca utilità. La scala a fessure verticali è conveniente soltanto per portate considerevoli (superiori a 1 m3_{/s circa)}

e quando vi siano fluttuazioni di livello importanti, a monte e a valle.

Idealmente, l'entrata a valle della scala dovrebbe essere ubicata accosto all'ostacolo ( la traversa di sbarramento), così da poter essere facilmente trovata dai pesci migranti verso l'alto, e la parte terminale a monte accosto all'estremità superiore dell'ostacolo, così da poter essere trovata facilmente dai pesci migranti verso valle (adulti che hanno deposto le uova e nuovi nati).

La disposizione dei bacini e delle traverse varia secondo l'ostacolo da superare. Un ostacolo basso e lungo può richiedere una scala di gradiente lieve come l'ostacolo, da impiantare sulla riva, mentre una chiusa o una diga può imporre una

scala che si avvolga strettamente su se stessa per ubicare l'ingresso e l'uscita non molto discosti dallo sbarramento.

I requisiti progettuali che si raccomandano per una scala a "bacini successivi" sono i seguenti:

a) il dislivello dell'acqua che salta una traversa non deve eccedere 0,45 m (trote: da 0,30 m a 0,45 m, preferibilmente il valore minimo di 0,30 m);

b) i bacini devono avere le dimensioni minime di 3 m di lunghezza per 2 m di larghezza per 1,2 m di profondità; il calcolo si opera in base ad una potenza di dispersione massima per unità di volume d'acqua nei bacini (P/V) compresa tra i valori di 150 e 200 watt/m3_: m T B L H Q 9810 V P ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =

dove: P/V = potenza di dispersione per unità di volume (watt/m3 _{per le grandi scale}

per salmonidi: 200 watt/m3_{, ma se la scala ha pochi bacini, possono stabilirsi valori}

di P/V sensibilmente maggiori), Q = flusso nella scala (m3_/s),

H = caduta tra due bacini (m), L = lunghezza dei bacini (m), B = larghezza dei bacini (m),

Tm = profondità media dell' acqua nei bacini rispetto al flusso considerato (m), c) le traverse devono avere lo spessore di 0,3 m con scanalature per lo scolo di 0,6 m di larghezza e di 0,25 m di profondità;

d) gli orli verso valle delle traverse e delle scanalature devono essere arrotondati per evitare turbolenze e assicurare una nappa d'acqua scorrente sulla loro superficie senza schizzi;

e) l'ingresso della scala deve poter essere trovata facilmente dai pesci in ogni condizione di portata del fiume.

Queste misure sono desunte dal “Report of the Committee on Fish Passes” (Anon, 1942) e da Maff; sono quelle minime per permettere l'assorbimento dell'energia causata dalle cascatelle di 0,45 m e quelle che consentono adeguate aree di riposo.

I requisiti progettuali elencati sopra sono, comunque, da applicarsi con una certa flessibilità, poiché ogni sito è unico. Ad esempio, se l'acqua adoperabile nella scala è esigua, tanto che le dimensioni minime del bacino siano più che adeguate

all'assorbimento dell'energia, una piccola riduzione può essere ammessa. Similmente possono ridursi le dimensioni minime della scanalatura, sempre che la profondità dell'acqua che l'attraversa non sia mai inferiore a 0,25 m e la sua ampiezza mai inferiore a 0,3 m (Beach, 1984). Bisogna dare particolare cura al problema di dove ubicare l'ingresso della scala, che deve sempre essere individuato facilmente, in qualsiasi condizione di portata del fiume. Una scala sistemata accanto ad una cateratta insuperabile, può dimostrarsi introvabile durante le piene a causa della turbolenza delle acque che disorienta o non fa avvicinare il pesce alla scala. Una delle soluzioni per ovviare a questo problema è quella di far sì che, oltre ad una buona ubicazione dell'ingresso, nella scala si utilizzi una quantità proporzionale fissa dell'acqua che oltrepassa l'ostacolo.

L' attrattività di un dispositivo di risalita dipende strettamente dall'ubicazione dell'ingresso e dalle condizioni idrodinamiche (portata, velocità, direzioni della corrente) nei pressi dell' ingresso, il quale non deve essere occultato né da scoli di turbine (di un impianto idroelettrico) né da altri scoli d'evacuazione, né da mulinelli o acque morte.

II flusso proveniente dalla scala deve poter essere individuato dal pesce ad una distanza dall'ingresso che sia la più lontana possibile.

È per questo motivo che si rende indispensabile creare a livello dell'ingresso velocità d'acqua elevate, compatibili tuttavia con le capacità natatorie di tutte le specie migratrici verso cui si ha interesse.

Si ritiene che la velocità minima che consente l'ingresso nella scala sia di un metro al secondo, essendo la velocità ottimale dei salmonidi dell'ordine di 2 m/s. Generalmente si possono mantenere velocità sufficienti agendo sulle sezioni regolatrici di flusso ("pizzicando" più o meno in profondità il flusso all'entrata), e modulando la portata nella scala a seconda delle condizioni del livello dell'acqua a valle dell'impianto. Le scanalature delle traverse devono essere progettate in modo che prendano la giusta proporzione d'acqua anche durante le magre.

II livello di ritenzione della scanalatura della prima quinta in alto deve essere leggermente più basso dell'orlo della chiusa o della cateratta a lei allineato, in modo che l'acqua alimenti di preferenza la scala e non la sciupi lungo la linea di cascata di solito più ampia, attraendo così i pesci lontano dalla scala.

Si sono utilizzate diverse equazioni idrauliche per calcolare il flusso dell'acqua al di sopra delle chiuse e delle scanalature.

Per ognuna di esse si è proclamato un maggior grado di precisione, ma di solito ciò ha comportato un corrispondente e maggior grado di complessità. L'equazione di Francis (1855) è sufficientemente accurata e viene semplificata di solito come segue:

(

)

1.84

Q= ⋅ − ⋅ ⋅

in cui Q = flusso (m3_{/s), p = larghezza della soglia (m), h = altezza dell'acqua allo}

scandaglio (m).

L'equazione, sebbene includa le contrazioni laterali della scanalatura, ignora la velocità di avvicinamento dell'acqua. Ad ogni modo, quando si ha a che fare con una scala di risalita, una misurazione accurata non sempre è possibile né è necessaria. Se si applica questa equazione alle dimensioni minime suggerite per la scanalatura (0,60 m di larghezza per 0,25 m di profondità), per assicurare che essa sia sempre colma, sarebbe necessario un flusso approssimativo di 0,13 m3_/s

e la velocità massima dell'acqua, risultante da un dislivello tra i bacini di 0,45 m, sarebbe 2,97 m/s.

Una velocità raggiungibile, in acque a temperatura di 10°C, da un pesce lungo 0,41 m, che potrebbe mantenerla per 40 secondi; oppure, in acque a temperatura di 159_{C, da un pesce lungo 0,27 m, in grado di mantenere tale velocità per circa 7}

secondi.

La protezione contro i corpi galleggianti è assicurata dai dispositivi classici adoperati negli impianti idraulici: droma galleggiante, griglie a riquadri di una lunghezza sufficiente per il passaggio dei pesci (dai 25 ai 30 cm.). Si utilizzano anche schermi in legno o in cemento, barriere di sbarre di ferro o anche steccati in legno (palancole) a monte della scala.

Nei corsi d'acqua che trasportano alberi o branche in periodi di piena, è importante che la scala sia facilmente accessibile per poter curare il mantenimento o effettuare riparazioni. Per questa esigenza le scale situate sulla riva sono da preferirsi rispetto quelle impiantate nello stesso corpo degli scarichi o delle soglie. L'uscita d' una scala (uscita per il pesce, dunque la parte terminale della scala a monte) non deve trovarsi né in un tratto di forte velocità, in prossimità di un dispositivo d' evacuazione (cateratta o stramazzo) affinché il pesce non sia nuovamente trascinato a valle, né vicino ad una zona d' acque morte o nelle quali il pesce potrebbe rimanere intrappolato. Nel dispositivo di risalita, la portata da

utilizzare nei pressi dell'entrata deve corrispondere, in scala, ai valori delle portate in periodo di migrazione, secondo proporzioni comprese fra l' 1 e il 5%; un passaggio per pesci generalista non dovrebbe mai veicolare una portata d'acqua ad una velocità superiore ai 2 m/s nel caso di trote o superiore a 1 m/s nel caso di piccole specie o forme giovanili. Valori superiori sono accettabili solo per interventi specializzati e su specie e classi d'età ben precise e statisticamente abbondanti. In caso di scelta di una piccola portata l'attrattività del passaggio per pesci si potrà aumentare addizionando nel primo bacino di valle (l'entrata convenzionale) una portata d'attrazione a bassissima energia.

Per il resto, l'attuale orientamento è anche più restrittivo e tiene conto che i pesci preferiscono nuotare in un flusso continuo piuttosto che saltare e, anche nel caso del passaggio per pesci a bacini successivi, si consiglia ora che la comunicazione fra i vari bacini avvenga anche attraverso fenditure o finestre di fondo o sommerse piuttosto che solo attraverso fenditure superficiali come era stabilito precedentemente (Ferri, 2000).

In conclusione, la struttura che si ritiene utilizzare per dare continuità biologica al fiume in corrispondenza della traversa è costituita da una scala a bacini successivi comunicanti tramite soglie sfioranti rigurgitate.

La scelta di questa tipologia è stata dettata dai seguenti fattori:

a) II dislivello da colmare è discreto. Le condizioni di funzionamento della scala sono quelle corrispondenti al funzionamento dell’ impianto. In tale situazione le paratoie sono sollevate e il pelo libero di monte è a quota 355.10; il pelo libero a valle della traversa è a quota 350.30. Con le pendenza consuete delle rampe (1:10) si avrebbe un scala eccessivamente lunga.

b) La scala di risalita resta indifferente ai problemi d’intasamento dovuti al trasporto solido poiché la soglia di sfioro a monte è posta ben al di sopra della sommità tracimabile della traversa.

c) È una soluzione esteticamente gradevole ed adatta alla fauna ittica presente. L'opera sarà ottimizzata per valori di portata compresi tra 250 e circa 1000 l/sec, dal momento che la necessità di derivare portate superiori si ha solo per pochi giorni l'anno. Con portate minori, invece, il passaggio potrà funzionare egualmente, anche se, evidentemente, il tirante d'acqua diverrà progressivamente più ridotto al diminuire delle dimensioni del flusso.

Tale soluzione, mimetica del naturale sistema a riffle and pool, ricrea dunque una serie di microhabitat favorevoli alla fauna ittica, che ha la possibilità di scegliere tane, vene d'acqua, cambiamenti di velocità, flussi favorevoli alla risalita.

Come già illustrato, il funzionamento di un passaggio per pesci, e quindi anche di una scala a bacini successivi, è garantito dall'ottenimento di valori di velocità dell’acqua sopportabili dal pesce in risalita. Tali valori devono essere sostenibili dal pesce per tutta la lunghezza del percorso e pertanto compatibili con la velocità di crociera dell'animale (intesa come attività sostenuta) e non solo con la velocità di "scatto" (assai superiore alla prima, ma della durata di pochi attimi).

Nella fattispecie, si è scelto come specie guida la Trota fario di taglia media 20 cm (gli esemplari più grandi saranno avvantaggiati e quelli più piccoli svantaggiati). La sottostante tabella rende i valori parametrici relativi utilizzati che sono approssimativi, poiché dipendono da una serie di variabili imprevedibili o prevedibili in maniera altrettanto approssimativa (stato fisico e taglia del pesce, temperatura dell'acqua), ma sono indicativi per il dimensionamento ed il calcolo idraulico della scala.

Velocità di crociera ~ 0.64 m/s (Videler, 1993)

Velocità massima sostenibile a 10 °C ~ 2 m/s (Beach, 1984) ~ 1.88 m/s (Videler, 1993) Durata dello sforzo sostenibile a velocità massima ~ 6 s

Distanza massima percorribile a 10 °C e velocità

~1.8 m/s ~ 10 m (Larinier, 1993)

5.2.2 - DIMENSIONAMENTO IDRAULICO

• La soglia di sfioro tra il bacino di invaso e la scala di risalita. • La scala di risalita.

Dimensionamento soglia di sfioro

Come prescritto dalla normativa l’ intero deflusso minimo vitale deve transitare attraverso la scala di risalita dei pesci; Il deflusso minimo vitale è comprensivo di un aliquota fissa e di un termine detto di modulazione di portata e pari al 10% della differenza fra la portata naturale in arrivo da monte e il valore dell’ aliquota fissa.

In sostanza occorre dimensionare la soglia di sfioro verso la scala di deflusso in modo che:

• Defluisca l’ aliquota fissa di 250 l/s.

• Defluisca la modulazione di portata per un intervallo piuttosto ampio della portata in arrivo.

Il problema consiste nel determinare la larghezza della soglia e il carico necessario (ovvero l’ altezza della soglia) che consentano di realizzare le condizioni di deflusso suddette.

E’ noto che lo sfioro verso l’ opera di presa ha una quota di 354.61 metri e che con una portata in arrivo di circa 5 mc/s si ha un carico sulla soglia di 0.45 metri che consente di inviare tale portata verso le turbine. Si ha il seguente schema:

dove:

L è la larghezza della soglia e ∆ l’ abbassamento della soglia rispetto alla quota di sfioro verso le turbine.

Si deve avere:

• se la portata in arrivo è minore di 250 l/s questa non deve essere inviata alle turbine ma deve transitare totalmente attraverso lo sfioro della scala di risalita.

• la legge di variazione della portata di sfioro verso la scala è definita dalla normativa secondo il concetto di modulazione già discusso:

) 250 Q ( 1 . 0 250 Q_scala = + ⋅ _arr − (1) dove: arr Q = portata in arrivo.

scala

Q = portata indirizzata alla scala di risalita. Le ipotesi di calcolo sono:

• il livello idrico che determina il carico sulle due soglie ha la stessa quota assoluta sul livello del mare di 355.10 m.

• la somma della portata sfiorata dalle due soglie è uguale a quella in arrivo:

scala turb arr Q Q Q = + (2) dove: arr Q = portata in arrivo. turb

Q = portata indirizzata alla turbina.

scala

Q = portata indirizzata alla scala di risalita.

• la legge di variazione della portata turbinata con il carico (h) sulla soglia Creager non rigurgitata è:

g 2 h L (h) Q 1.5 turb turb = µ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (3) dove: turb

L = lunghezza soglia pari ad 8 m.

Se sostituiamo la 3 e la 1 nella 2 si ricava la legge teorica di variazione della portata lungo la scala di deflusso ovvero di quella sfiorata in funzione di h.

Avremo, dopo alcuni passaggi: 250 ) h ( Q 9 1 ) h ( Q_scala = ⋅ _turb + (4)

Questa è la legge teorica di sfioro verso la scala di deflusso; si noti che h è misurato a partire dalla quota della soglia di derivazione per cui il carico totale sarà dato da h +∆ ; dove ∆ costante e pari al dislivello fra le due soglie.

grafico 5.2.2.1

Il problema si riduce pertanto a determinare quale deve essere la geometria di uno stramazzo che rispetti la legge della portata rilasciata sopra rappresentata.

Trascurando in prima battuta eventuali rigurgiti da valle la legge per uno stramazzo in parete sottile a sezione rettangolare è del tipo:

g 2 ) h ( L (h) Q 1.5 scala scala = µ ⋅ ⋅ + ∆ ⋅ ⋅ ovvero: 1.5 0 scala(h) G (h ) Q = ⋅ + ∆ (5) con G₀ = µ ⋅L_scala⋅ 2⋅g

La risoluzione analitica del problema è laboriosa e pertanto si opta per un risoluzione più speditiva: si cerca quella funzione di tipo 5 che meglio interpola una seria di 10 coppie di valori di portata in funzione del carico forniti dalla 4. I punti prescelti e il corrispondente valore di portata rilasciata sono forniti nella tabella seguente:

carico h Portata rilasciata

0 0.250 0.05 0.271 0.1 0.310 0.15 0.360 0.2 0.419 0.25 0.486 0.3 0.561 0.35 0.641 0.4 0.728 0.45 0.821 0.5 0.918

Utilizzando una funzione di fitting del programma di calcolo Mathcad 11 si sono trovati i parametri G0 e ∆ della funzione 5. Nel grafico 5.2.2.2 si rappresentano la

grafico 5.2.2.2

I parametri G0 e ∆ valgono rispettivamente 1.05 m e 0.37 m.

Si deduce immediatamente il valore del dislivello ∆ pari a 0.37 m, mentre per L si ha: G₀ = µ ⋅L_scala⋅ 2⋅g = 1.05

Da cui si ricava la lunghezza della soglia, fissato µ = 0.42, pari a: 564 . 0 g 2 G L 0 scala = ⋅ ⋅ µ =

Dunque avremo una soglia si sfioro verso la scala di lunghezza 0,564 metri e posta a quota 354.61 - 0.37 = 354.24 m.s.l.m.

Con tale soglia si è in grado di indirizzare alla scala di risalita tutta la quantità di deflusso minimo vitale comprensiva di modulazione fino a circa 0.900 mc/s corrispondente ad una portata in arrivo di 6.724 mc/s.

Tale portata ha una durata di circa 38 giorni. Quando la portata in arrivo cresce ulteriormente si prevede l’ apertura progressiva di alcune delle paratoie a sportelli poste sulla sommità della traversa; in tale situazione il livello di ritenuta e quindi il carico sulle due soglie di sfioro resta pressoché costante ed esse continuano a derivare la portata rispettivamente di 5.824 mc/s verso le turbine e 0.900 mc/s verso la scala di risalita; Cessa quindi la modulazione ma la portata verso la scala resta su valori considerevoli. Quando la portata di arrivo raggiunge i 30 mc/s si prevede in virtù di considerazioni legate al trasporto solido (vedi capitolo 3) di abbattere completamente le paratoie a sportelli e bloccare l’ impianto idroelettrico; in tale contesto il deflusso verso la scala non è garantito. Peraltro in tale situazione la velocità di deflusso nell’ alveo a valle ha già raggiunto un valore di circa 2.5 mc/s e dunque la risalita dei pesci e di per sé impedita dalle condizioni naturali del deflusso .

Dimensionamento scala di risalita a bacini successivi La scala è così composta:

• un primo tratto con pendenza del 27% in corrispondenza del paramento di valle della traversa.

• Una vasca che scorre parallela al bacino di dissipazione fino alla controbriglia.

• Un secondo tratto d’immissione nell’ alveo naturale.

Il pre-dimensionamento della scala viene fatto rispetto all‘ aliquota base del deflusso minimo vitale, che per l’ impianto Capriola è pari a 250 l/s, per poi verificarne il comportamento idraulico al variare della portata in ingresso ed eventualmente apportare le necessarie modifiche.

I diversi bacini comunicano con stramazzi rigurgitati al fine di garantire adeguati tiranti idrici sulle soglie per il passaggio dei pesci.

Considerato il generico passaggio tra due bacini successivi si ha:

detto:

H = carico di monte sulla soglia

V

H = carico di valle sulla soglia.

D = lunghezza del singolo bacino nella direzione di flusso. i = pendenza della scala a bacini

vale la relazione:

D H H i₌ − V

Si fissano i carichi di monte e di valle, pari rispettivamente a 0.44 m e 0.15 m, così da garantire un adeguato tirante per la risalita. Si sceglie una pendenza del 27% tale da determinare una lunghezza della scala non eccessivamente lunga e quindi onerosa. La lunghezza dei singoli bacini “D” diventa pari a 1,1 m. La larghezza è assunta pari a 2 m.

La larghezza dello stramazzo tra due bacini è dimensionata utilizzando la formula di Villemonte per gli stramazzi rigurgitati da valle. Occorre prima calcolare la portata sfiorata con il carico di monte e poi applicare la formula suddetta per correggere tale valore considerando il carico di valle sulla soglia.

Dato:

H = 0.44 m carico di monte sulla soglia.

s

L = larghezza della soglia sfiorante. Fissata in 0.58 m. g = 9.81 _m/s2 Si ha: 275 . 0 H g 2 H ) H 2 . 0 L ( Q= µ ⋅ _s − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = mc/s Dato il carico di valle:

V

H = 0.15

e un coefficiente n = 1.44 introdotto da Villemonte per stramazzi rettangolari con contrazione laterale si ha:

252 . 0 H H 1 Q Q 385 . 0 44 . 1 V Vill =             − ⋅ = mc/s

Adesso è possibile verificare la velocità di deflusso e la sua compatibilità con i valori biologici dell’ ittiofauna assunti a progetto.

Considerata la sezione media di stramazzo pari a: 2 H H H V m + = = 0.295 m si ha: m S Vill m H L Q V ⋅

= = 1.447 minore di 2 m/s che è il valore biologico di progetto

All’ interno del bacino, fissata la larghezza del bacino (LBac= 2 m) si ha una

velocità media pari a: H L Q V Bac Vill

m = _⋅ = 0.28 minore di 0.654 m/s che è il valore biologico di progetto

Dunque il dimensionamento soddisfa a tutti i parametri biologici di progetto; esso naturalmente è il risultato di una reiterazione delle modifiche alla geometria della scala fino ad ottenere un comportamento idraulico soddisfacente.

Il comportamento idraulico di tale tipo di scala è ovviamente condizionato dal livello della vasca di valle. Questa è a sua volta controllata dal rigurgito sulla seconda scala la quale è controllata dal pelo libero della corrente nell’ alveo.

La geometria della seconda scala è leggermente diversa. Essendo il dislivello minore è possibile una pendenza minore ovvero valori di rigurgito maggiori; questo a sua volta implica una lunghezza delle soglie di sfioro maggiore e quindi una

minore velocità di deflusso. I valori di dimensionamento di tale seconda scala sono: H = 0.37 m V H = 0.15 m D = 1.1 m i = 20 % Bac L = 2 m S L = 0.75 m 250 . 0 H H 1 Q Q 385 . 0 44 . 1 V Vill =             − ⋅ = mc/s

Considerata la sezione media di stramazzo pari a: 2 H H H V m + = = 0.26 m si ha: m S Vill m H L Q V ⋅

= = 1.284 minore di 2 m/s che è il valore biologico di progetto

All’ interno del bacino, fissata la larghezza del bacino (LBac= 2 m) si ha una

velocità media pari a: H L Q V Bac Vill

m = _⋅ = 0.338 minore di 0.654 m/s che è il valore biologico di progetto

La scala sarà corredata di un bacino di smorzamento a valle, ove far avvenire la dissipazione energetica in uscita del flusso d'acqua. Tale bacino dovrà avere una profondità di circa 70-80 centimetri con portate di magra. Sarà inoltre garantito un livello d'acqua sufficiente a mantenere sommerso l'accesso alla scala con un valore di sommergenza di 15 cm per livelli di magra e, da ultimo, si otterrà la creazione di un "laghetto" di piacevole effetto estetico, grazie anche all'uso di materiali appropriati (utilizzo di pietrame locale di grandi dimensioni).

Verifichiamo adesso il comportamento idraulico nel caso in cui il mutare delle condizioni di valle nell’ alveo determini un abbassamento del pelo libero al di sotto dell’ ultima soglia, impedendo la formazione dello stramazzo rigurgitato dell’ ultimo bacino della scala.

In tale situazione si ha:

H = 0.34 m il carico necessario all’ ultimo stramazzo per smaltire la portata di 0,250 l/s.

Considerata la sezione di stramazzo pari a: H 7 . 0 H_m = ⋅ = 0.231 m si ha: m S m H L 250 . 0 V ⋅

= = 1.409 minore di 2 m/s che è il valore biologico di progetto All’ interno del bacino si ha una velocità media pari a:

H L 250 . 0 V Bac

m = _⋅ = 0.37 minore di 0.654 m/s che è il valore biologico di progetto V

H = 0.13 il carico di valle sullo stramazzo immediatamente a monte.

Il conseguente comportamento rigurgitato del penultimo stramazzo comporta un carico di monte H = 0.36 m. Questo a sua volta determina un rigurgito di 0.15 cm sulla soglia precedente e quindi un carico di monte di 0.37 m. Nei bacini successivi il sistema si regolarizza sui valori di H = 0.37 e HV = 0.15. Il livello nella

vasca varia di 1 cm e dunque il comportamento della scala a ridosso della traversa resta invariato.

Un ultima considerazione riguarda il fatto che al crescere della portata che la soglia sulla traversa sfiora aumenta il livello di rigurgito nei bacini fintanto che non risulta rigurgitata la soglia stessa. La legge di deflusso assunta per il suo dimensionamento non risulta quindi più rispettata; questo avviene per valori del carico di valle (come specificato nel manuale Colombo) maggiori della metà del carico di monte. Tale situazione si verifica per la portata di circa 500 l/s. Entro tale valore si realizza effettivamente la modulazione del 10% mentre per valori superiori si ha una riduzione progressiva della portata rilasciata rispetto al valore teorico. Con la soglia sulla traversa completamente rigurgitata si ha un carico sulla soglia del primo bacino di circa 1.4 m cui corrisponde un portata di 700 l/s. Alla luce di quanto sopra si rivaluta il limite di apertura di alcune delle paratoie mobili e si fissa in 6.5 mc/s.

L'entrata dell'acqua, a monte, sarà protetta da un "pettine" di barre metalliche verticali ad interasse di circa 20-25 cm, per proteggere la struttura da materiali trasportati che potrebbero comprometterne il funzionamento. Il pettine dovrà

risultare angolato di circa 45° rispetto alla direzione della corrente per risultare parzialmente autopulente e deviare i materiali verso il flusso d'acqua principale.