Appunti di Idrobiologia

Appunti di idrobiologia

L'idrobiologia è la disciplina che studia la biologia delle acque interne. I fiumi sono uno degli ambienti più importanti e affascinanti nel nostro pianeta. Rappresentano uno dei momenti più delicati del ciclo dell'acqua, un processo in cui essa scorre continuamente, scende dall'alto e va verso la valle. Questo aspetto aveva colpito già Leonardo da Vinci, il quale parlava di una specie di grande flusso di acqua che continuamente va nel mare ma ai suoi tempi egli aveva sottostimato l'influenza dell'energia solare su questo ciclo.

Il fiume come sistema

Approfondimento: Un fiume è un sistema aperto caratterizzato dalla presenza di acqua prevalentemente fluente che trasporta da monte a valle sedimento inorganico, nutrienti disciolti e particolati, sostanza organica. Un fiume è un ecosistema complesso a prevalente sviluppo longitudinale che, da monte a valle, si modifica attraversando diverse facies (da crenon a potamon). La complessità si manifesta in termini di diversità delle comunità presenti, determinate, in primo luogo, dalla diversità delle forme fluviali, dalla water force, dall’andamento temporale delle portate.

L'acqua dolce è una piccola frazione del ciclo dell'acqua ed è vitale per l'uomo. Le acque dolci sono le acque dei fiumi. Il nostro pianeta è formato da:

• Oceani 96,5%
• Ghiacciai 1,74%
• Acque sotterranee 1,70%
• Laghi 0,014%
• Fiumi 0,0002%

Il ciclo dell'acqua

Approfondimento: Il ciclo dell'acqua è la successione dei fenomeni di flusso e circolazione dell'acqua all'interno dell'idrosfera terrestre e dei cambiamenti del suo stato fisico (liquida, gassosa e solida). Esso si riferisce ai continui scambi di massa idrica tra l'atmosfera, la terra, le acque superficiali, le acque sotterranee e gli organismi. Oltre all’accumulo in varie zone (come gli oceani che sono le più grandi zone di accumulo idrico), i molteplici cicli che compie l'acqua terrestre includono i seguenti processi fisici: evaporazione, condensazione, precipitazione, infiltrazione, scorrimento e flusso sotterraneo.

Descrizione: Non c'è un inizio e una fine nel ciclo idrologico: le molecole d'acqua si muovono in continuazione tra differenti compartimenti, o riserve, dell'idrosfera terrestre mediante processi fisici. L'acqua evapora dagli oceani, forma le nuvole dalle quali l'acqua torna alla terra. Non è detto, tuttavia, che l'acqua segua il ciclo nell'ordine: prima di raggiungere gli oceani l'acqua può evaporare, condensare, precipitare e scorrere molte volte.

Processi del ciclo dell'acqua

• Evaporazione: È il trasferimento dell'acqua da corpi idrici superficiali nell’atmosfera. Questo trasferimento implica un passaggio di stato dalla fase liquida alla fase vapore. Nell’evaporazione viene inclusa anche la traspirazione delle piante; in tal modo ci si riferisce a questo trasferimento come evapotraspirazione. Il 99% dell’acqua atmosferica proviene dall’evaporazione, mentre il rimanente 1% dalla traspirazione.
• Condensazione: Per condensazione di solito intendiamo il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido, ma nel ciclo idrologico o dell'acqua sarebbe il vapore acqueo che forma piccolissime particelle che a loro volta formano le nubi.
• Precipitazione: È costituita da vapore acqueo che si è prima condensato sotto forma di nuvole e che cade sulla superficie terrestre. Questo avviene soprattutto sotto forma di pioggia, ma anche di neve, grandine, rugiada, brina o nebbia.
• Infiltrazione: È la transizione dell'acqua dalla superficie alle acque sotterranee. La quota di infiltrazione dipende dalla permeabilità del suolo o della roccia e da altri fattori. Le acque sotterranee tendono a muoversi molto lentamente, così l'acqua può ritornare alla superficie dopo l’accumulo in una falda acquifera in un lasso di tempo che può arrivare al migliaio di anni. L'acqua ritorna alla superficie ad altezza inferiore a quella del punto di infiltrazione, sotto l'azione della forza di gravità e delle pressioni da essa indotte.
• Scorrimento: Include tutti i modi in cui l'acqua superficiale si muove in pendenza verso il mare. L'acqua che scorre nei torrenti e nei fiumi può stazionare nei laghi per un certo tempo, non tutta l'acqua ritorna al mare per scorrimento; gran parte evapora prima di raggiungere il mare o un acquifero.
• Flusso sotterraneo: Include il movimento dell'acqua all'interno della terra sia nelle zone insature che negli acquiferi. Dopo l'infiltrazione l'acqua superficiale può ritornare alla superficie scaricandosi in mare.

Ecologia fluviale

Quando si parla di ecologia fluviale bisogna assolutamente fare una distinzione tra:

• Ambienti lentici: Acque ferme, ambienti fissi del territorio, stabili. In questi ambienti il ricambio dell'acqua è lento. Per le acque lentiche ci sono due gradienti principali: radiale, ovvero le zone omogenee vengono rappresentate dalla riva alla zona centrale, e verticale, ovvero prendendo in considerazione la profondità.
• Ambienti lotici: Acque dinamiche del territorio, come per esempio i fiumi. Per le acque lotiche poco profonde esistono due gradienti, per tutte le altre tre ingredienti: longitudinale, ovvero modificazioni del corso d'acqua dalla sorgente alla foce; trasversale, ovvero modificazioni dalle rive al centro; verticale, ovvero prendendo in considerazione la profondità, la quale è importante in grandi fiumi profondi.

I fiumi modellano il paesaggio e le regioni, raccolgono, metabolizzano e distribuiscono sostanze organiche e nutrienti sull'intero territorio. Questo avviene in tre passaggi fondamentali:

• Erosione
• Trasporto variano sempre
• Deposito

I fiumi ospitano comunità biologiche uniche (pesci, cozze, idre ovvero parenti dei coralli, poriferi). Tutti i fiumi possono avere ambienti diversi tra loro e anche diversità tra i loro segmenti.

Asta fluviale e reticolo idrografico

Le acque di precipitazione confluiscono in linea d’impluvio dette aste fluviali, cioè solchi che incidono il territorio e convogliano le acque al mare.

I fiumi hanno un andamento dendritico, cioè a forma di rami, quindi ogni tratto costituisce un’asta fluviale. Tante aste costruiscono il reticolo idrografico e il bacino imbrifero con aste fluviali di diverso ordine.

Approfondimento: La porzione di terra emersa che contribuisce con le sue acque ad alimentare un fiume o un torrente ne costituisce il bacino idrografico o imbrifero. Questo bacino è delimitato dalla linea di spartiacque (detta anche linea di spluvio) che lo separa dai bacini adiacenti e racchiude al suo interno un sistema fluviale o reticolo idrografico, formato dal corso d'acqua principale e da tutti gli affluenti.

L'ordine delle aste fluviali viene indicato con numeri romani, è un modo gerarchico per capire la grandezza del fiume (solo a parità di ordine): I, II, III e così via. Esistono diversi ordini:

• Tratto di basso ordine: c'è la presenza di rocce, massi (es. le sorgenti) nel grafico a destra indicati con I
• Tratto di medio ordine esempio fiume Bormida (Piemonte) nel grafico indicato con II
• Tratto di alto ordine esempio fiume Po nel grafico indicato con III

Bacino imbrifero: Area di territorio che invia acque di precipitazione in un determinato reticolo; è quella regione che per ragioni morfologiche, raduna e invia le acque.

Approfondimento: Il bacino idrografico ed il sistema fluviale o reticolo idrografico su di esso impostato rappresenta un'unità spaziale ben definita e costituisce il punto di partenza di qualunque analisi delle caratteristiche morfologiche ed è l'evoluzione dei corsi d'acqua in esso presenti. La scala del bacino idrografico va considerata relativamente a due aspetti cruciali:

• Condizioni al contorno imposte (imposed boundary conditions): sono rappresentate dall’energia del rilievo, le pendenze, topografia e la morfologia delle valli, eccetera;
• Condizioni al contorno di flusso liquido e solido (flux boundary conditions), vale a dire le cosiddette variabili guida del sistema (portate liquide solide), in quanto è alla scala di bacino che avvengono i processi che le generano e che ne caratterizzano il regime.

All'interno di uno stesso bacino idrografico, è utile spesso operare una ulteriore suddivisione in sotto bacini i quali possono avere caratteristiche fisiche differenti. Per tale motivo, l'interpretazione dei condizionamenti sulle caratteristiche morfologiche dei corsi d'acqua in alcuni casi può essere meglio inquadrata alla scala dei sotto bacini.

Professor Ghetti e il reticolo idrografico

Il professor Ghetti dell'Università di Parma e rettore della stessa, ipotizzò che il reticolo idrografico funziona come l'apparato circolatorio e l'apparato escretore. Il fiume ha un'ottima capacità di recupero e la lunghezza del nostro viale è proporzionale all'area del bacino imbrifero drenato.

Approfondimento: Il sistema fluviale che fa parte di un bacino idrografico può essere idealmente suddiviso in tre zone:

• La zona uno rappresenta la porzione alta del bacino, nella quale prevalgono i processi che determinano la produzione dei sedimenti come erosione e frane;
• La zona due, caratterizzata prevalentemente dal trasferimento dei sedimenti verso valle da parte dei corsi d'acqua principali del sistema;
• La zona tre costituisce la porzione più valliva del bacino geografico e rappresenta l'area di prevalente accumulo dei sedimenti.

I corsi d'acqua coinvolgono sedimenti dalle zone sorgenti nelle porzioni alte del bacino attraverso la zona di trasferimento, alle pianure alluvionali che rappresentano le zone di accumulo. Tale suddivisione riflette la prevalenza, in una delle tre zone, di una delle tre principali categorie di processi: erosione (produzione di sedimenti), trasporto solido (trasferimento dei sedimenti verso valle), sedimentazione (immagazzinamento di sedimenti). Secondo tale schema idealizzato, il corso d'acqua è paragonabile ad un nastro trasportatore: una sua funzione essenziale è quella di trasferire sedimenti dalle zone di origine dette versanti verso le zone di recapito finale del sistema. Tuttavia, le tre categorie di processi agiscono, in misura diversa, in ogni tratto del sistema fluviale, in particolar modo nei tratti in cui il corso d'acqua è di tipo alluvionale a fondo mobile, dove si realizzano continui scambi di sedimenti tra le sponde ed il fondo.

Distinzione tra destra e sinistra idrografica

Bisogna fare una distinzione anche tra destra e sinistra idrografica, cioè i due lati del fiume. Per capire quale sia la destra e quale la sinistra bisogna osservare ponendosi con lo sguardo verso valle e la schiena verso le sorgenti, seguendo cioè il movimento dell'acqua.

L'alveo

Alveo è la porzione di territorio occupato dal corso d'acqua (letto del fiume). Non è fisso ma si amplia e si restringe a seconda della portata:

• Magra quando l'alveo è ridotto, ci possono essere due tipi di livello minimo:
  • Magra estiva: scarsità di precipitazioni
  • Magra invernale: scarsità di precipitazioni piovose
• Morbida quando la portata è media
• Piena quando la portata è notevole e può esserci anche un caso in cui viene definita piena eccezionale

Approfondimento: Per quanto riguarda le dimensioni dei corsi d'acqua, esse aumentano sistematicamente attraverso il sistema fluviale al crescere dell’area di drenaggio e quindi delle portate liquide. Secondo uno schema di suddivisione degli alvei in base alla larghezza rispetto al diametro medio dei sedimenti presenti sul fondo si possono distinguere:

• Alvei di piccole dimensioni o corsi d'acqua piccoli (small channels), con il fondo costituito da materiale grossolano e larghezza compresa tra uno e dieci volte circa le particelle presenti sul fondo;
• Alberi di medie dimensioni o corsi d'acqua intermedi (intermediate channels), quando la larghezza dell'alveo è superiore a 10 volte le particelle presenti sul fondo, ma possono essere ancora influenzati da sbarramenti naturali di sedimenti o di tronchi che possono occupare una porzione significativa della loro sezione (è difficile fornire dei limiti assoluti, ma nella maggior parte dei casi nelle regioni boscate il limite superiore di larghezza di questa classe intermedia può collocarsi tra 20 e 30 m);
• Alvei di grandi dimensioni o corsi d'acqua grandi (large channels), sono quelli in cui la larghezza è di gran lunga superiore (vari ordini di grandezza) rispetto alle dimensioni granulometriche dei sedimenti e non esistono vincoli laterali che condizionano la forma e le dimensioni della sezione (in molti ambienti il passaggio ad alvei di grandi dimensioni avviene per larghezza al di sopra di 20-30 m e portate formative a partire da circa 20-50 m³/s).

Caratteristiche principali di un fiume

Le caratteristiche principali di un fiume da prendere in considerazione sono:

• Profilo (erosione, trasporto, deposito)
• Portata
• Regime
• Coefficiente di deflusso ovvero il rapporto tra il deflusso cioè volume di acqua che esce attraverso una sezione nell’unità di tempo e l’afflusso meteorico cioè le precipitazioni
• Velocità

Meandro

Meandro: Ampia sinuosità del tracciato fluviale, tipica dei tratti planiziali. I meandri sono legati alla forza di Coriolis e sono originati dalla forza centrifuga della corrente e dall’erosione dei terreni a granulometria media e fine.

Velocità della corrente

La velocità della corrente è la forza modellatrice di fiumi, si calcola con la formula di Manning:

0,66 0,5(ℎ )× =

• S = pendenza dell'alveo
• N = rugosità del fondo
• Rh = raggio idraulico

Considerata una certa pendenza e una certa portata, la velocità sarà tanto maggiore quanto minore è la profondità della colonna d'acqua. Si misura in m/s (metri al secondo). La velocità è maggiore presso la superficie rispetto al fondo e al centro della sua fluviale rispetto ai bordi.

Portata

Quantità d'acqua che passa in un secondo attraverso la sezione del fiume. A parità con la portata c'è il regime fluviale, ovvero il modo in cui le portate del fiume variano nel tempo.

I principali regimi idrologici presenti nel nostro paese sono:

• Regime pluviale: Apporto idrico legato le piogge, la portata raggiunge un massimo principale in primavera e uno secondario in autunno
• Regime pluvionnale: Scioglimento delle nevi deposte durante l'inverno
• Regime nivoglaciale

Tipi di sistemi fluviali

Ci sono tre tipi di sistemi fluviali:

• Fiumi perenni: Sono presenti tutto l'anno, l'acqua è sempre presente
• Fiumi intermittenti: In rapporto con falda; sono presenti nelle regioni mediterranee e sono presenti tra il 20/80% dell'anno
• Fiumi effimeri: Sono presenti solo un mese all'anno, si trovano nelle regioni aride, l'altezza di profondità è bassa e non è alimentato dalle acque sotterranee

Corrente fluviale

La corrente fluviale si muove: le caratteristiche ambientali e biologiche dei sistemi lotici sono plasmate dalla corrente. L'energia di un torrente o di un fiume è legata al volume dell'acqua e alla velocità della corrente ed è importante perché legata all’attitudine dei fiumi di trasportare materiali e di scavare le proprie valli.

L'energia del fiume viene in parte dissipata e assorbita dall'attrito con il letto fluviale ed al trasporto di materiale solido, per cui la formula può essere: 2( ) ( = × à − + )

I processi fluviali dipendono dalla curva di Hjulstrom (1939) che permette di calcolare la velocità media della corrente (m/s) prendendo in considerazione le dimensioni della particella (mm). La stessa particella, a seconda del movimento dell'acqua può essere:

• Portata via (erosione): Attraverso un processo di sottrazione di materiali dall’alveo o dalle sponde
• Trasportata (trasporto): Alcuni elementi vengono trasportati dal fiume e il trasporto può avvenire in quattro diversi modi:
  • Per flottazione: Attraverso i rami o tronchi
  • In sospensione: Attraverso il limo, la sabbia e l’argilla
  • In soluzione: Attraverso sostanze organiche e inorganiche disciolte, esempio sali minerali, soluzioni inquinanti eccetera
  • Per saltazione: Attraverso materiali più pesanti che vengono trascinati sul fondo, dove rotolano e procedono con piccoli salti
• Depositata (deposito): Quando si esaurisce l'energia delle acque, viene depositato materiale dando origine ai sedimenti fluviali.

Caratteristiche della zona di erosione e di deposito

Erosione: Velocità della corrente elevata, acque ben ossigenate, organismi adatti alle forti correnti;

Deposito: Velocità di corrente bassa, basso contenuto di O₂, organismi adatti a deboli correnti.

Peso e dimensioni del materiale incidono sul pattern ecc. I fiumi tendono ad avere un profilo di equilibrio:

Altezza problema di erosione regressiva distanza dalla sorgente.

I sistemi lotici

Fattori ambientali:

• Chimismo delle acque fluviali: La quantità chimica delle acque superficiali dipende da numerosi fattori quali:
  • La composizione chimica dell'acqua meteorica
  • Le caratteristiche ecologiche e geologiche del bacino imbrifero
  • Le attività dell'uomo
• Carico o cachet naturale: Caratteristico di una regione