Protezione dei Litorali

Relazione delle lezioni svolte in aula

Luppichini M., Mandelli A., Merlo I., Tammaro C.

Protezione dei litorali

Gestione dei litorali bassi e sabbiosi 1

Sommario

• Introduzione ...................................................................................................................................................... 4
• Idraulica marina ................................................................................................................................................. 4
• Moto ondoso ................................................................................................................................................. 6
• Moto ondoso generato dall'attrazione gravitazionale .............................................................................. 6
• Sistema Terra-Luna ................................................................................................................................ 7
• Onde da maree, caso particolare di una laguna .................................................................................... 8
• Moto ondoso da vento ............................................................................................................................. 8
• Misura a vista ........................................................................................................................................... 12
• Analisi statistica a breve termine nel dominio del tempo (analisi zero-crossing) ................................... 12
• Altezza d’onda ..................................................................................................................................... 13
• Periodo ................................................................................................................................................ 17
• Analisi spettrale ....................................................................................................................................... 18
• Modello Jonswap ..................................................................................................................................... 22
• Teoria del moto ondoso regolare ............................................................................................................ 25
• Equazione di dispersione ..................................................................................................................... 27
• Pressione indotta dal moto ondoso .................................................................................................... 33
• Energia contenuta nel moto ondoso ................................................................................................... 33
• Trasformazione del moto ondoso dal largo alla costa ................................................................................ 35
• Diffrazione ................................................................................................................................................... 45
• Riflessione .................................................................................................................................................... 48
• Morfodinamica di coste basse e sabbiose ....................................................................................................... 49
• Dinamica della fascia costiera ..................................................................................................................... 49
• Cross Shore .............................................................................................................................................. 51
• Long Shore ............................................................................................................................................... 52
• Dinamica dei litorali sabbiosi ...................................................................................................................... 54
• Flusso di sabbia all’interno della surf zone .............................................................................................. 55
• Trasporto solido litoraneo potenziale ..................................................................................................... 57
• Accumulo/asportazione di sedimento ................................................................................................ 58
• .... 60
• Connessione tra accumulo/asportazione di sedimento con avanzamento/arretramento della linea di riva
• Metodologie di intervento sulla costa ............................................................................................................. 61
• Ripascimento artificiale delle spiagge ......................................................................................................... 62
• Opere per la difesa costiera ........................................................................................................................ 65
• Opere parallele ........................................................................................................................................ 66
• Opere ortogonali ..................................................................................................................................... 69
• Opere a scogliera ..................................................................................................................................... 70

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Introduzione

Con il termine protezione costiera non si intende solamente la salvaguardia delle coste da parte di fenomeni erosivi legati al moto ondoso ma anche la salvaguardia, ad esempio, di infrastrutture e della salubrità dell’ambiente costiero. Si dovrebbe quindi parlare in termini di metodologie e tecniche per la gestione dei litorali, dove all'interno della gestione è compresa anche la protezione.

I litorali (coste) si possono distinguere, in prima approssimazione, in sabbiosi e rocciosi. Le coste rocciose possono essere ulteriormente divise in alte e basse, e a seconda del materiale che le compongono in hard (rocce dure) o soft (rocce morbide). Le coste sabbiose, invece, sono solo basse.

Nel nostro corso ci si occuperà principalmente di coste sabbiose in quanto sono più vulnerabili ai processi a scala temporale breve (simile alla vita umana) rispetto ai processi che coinvolgono le coste rocciose in cui i fenomeni sono sicuramente più persistenti e durevoli nel tempo.

I processi/fattori che prevedono interventi di gestione delle coste sabbiose sono diversi, e spesso diventano significativi quando ledono gli interessi umani, come: (in riferimento sempre alle coste sabbiose)

• L'erosione: può portare alla “scomparsa” della spiaggia;
• Fenomeni di inondazione i quali potrebbero provocare danni all'ambiente costruito;
• Il mantenimento o il ripristino della salubrità dell'ambiente costiero;
• Fenomeni di avanzamento della spiaggia possono creare diversi problemi come inondazioni di fiumi/torrenti che trovano la foce bloccata da un “tappo” di sabbia;
• Insabbiamento di porti, ecc.;

Per questi motivi si parla di gestione dei litorali e non solo di protezione.

Il “motore” del sistema ambientale costa è il moto ondoso e le correnti marine. (In parte si può dire che sia il vento in quanto genera il moto ondoso. Il vento a sua volta è generato dal gradiente termico dovuto al diverso irraggiamento che il Sole determina nelle varie zone della Terra).

Il moto ondoso ha la capacità di modificare la morfologia della costa sabbiosa.

Idraulica marina

L'idraulica marina si occupa di come si muove l'acqua. Ci sono due grandi differenze tra moto ondoso e corrente marina. Il moto ondoso genera moti orbitali in cui le particelle d'acqua si spostano con moti orbitali ma tornano sempre nello stesso punto, quindi non sussiste un trasporto di massa; le correnti marine, invece, sono formate da un flusso di particelle che vengono trasportate, c'è quindi un trasporto di massa. Nelle coste è più evidente il moto ondoso ma ci sono anche le correnti.

Le correnti marine possono essere generate da:

• Foci dei fiumi;
• Gradienti termici (es. Corrente del Golfo) e gradienti salini: poco rilevanti ai nostri fini, in quanto hanno bassissima velocità, se non quasi nulla, per cui non sono in grado di muovere sabbia, hanno forza inferiore alla soglia critica di Shields;
• Moto ondoso: quando perde la peculiarità di non trasportare massa (es. tsunami quando arriva sulla costa si trasforma in corrente, altro esempio sono le bocche lagunari in cui le correnti sono generate dal moto ondoso che entra nella bocca e si trasforma in corrente).

Il moto ondoso può essere generato da:

• Vento; 4
• Attrazione gravitazionale degli astri che generano le maree;
• Eventi sismici;
• Frane;
• Impatto con masse;
• Esplosioni sottomarine (sono la causa più probabile di formazione di tsunami nel Mediterraneo, insieme ai grandi terremoti). È possibile difendersi dagli tsunami in modo attivo che passivo, nel primo caso, attraverso un sistema di allerta con mareografi che registrano onde anomale, anche se questo sistema non permette di mettere in sicurezza la popolazione, quindi sarebbe impossibile un sistema di early warming. Mentre per quanto riguarda il metodo passivo attraverso la presenza di foreste di mangrovie o muri marittimi volti alla diminuzione della potenza degli tsunami, o altri interventi di protezione.

Di queste possibili fonti di formazione del moto ondoso alcune possono non essere prese in considerazione in quanto la possibilità che accadano in un intervallo di tempo caratteristico della vita umana (50-70 anni) è molto bassa e quindi non sono di interesse per gli studi che andremo a prendere in considerazione più avanti. Questo riguarda le esplosioni, l'impatto con le masse, frane e gli eventi sismici. Quindi le cause ondogeniche che prenderemo in considerazione sono: vento e maree.

Quindi dobbiamo prendere in analisi i fenomeni che hanno un giusto equilibrio, rapporto, fra frequenza e energia.

Rapporto tra energia e periodo caratteristico

Il moto ondoso trasferendo l’energia compie un lavoro sul nostro sistema: questo lavoro può essere per esempio il trasporto di sedimento dal fondale. Quello che si scorge dal grafico è che i fenomeni come le onde da vento sono quelle che trasferiscono maggiore energia. Alcuni fenomeni anche se di potenza ridotta ma se persistenti possono avere un impatto modesto in quanto nel lungo tempo trasferiscono una quantità di energia maggiore proprio perché persistono per lungo tempo. 5

Moto ondoso

Il moto ondoso è una variazione periodica ma non regolare del livello del mare nel tempo e nello spazio che ha carattere random, quindi non è prevedibile in termini di intensità, lunghezza d'onda e periodicità; ma si deve far uso dei concetti di statistico per il suo studio.

Matematicamente il moto ondoso, nella sua forma più semplice, è descrivibile da una sinusoide ed è caratterizzato da:

• Cresta: punto più alto dell'onda;
• Cavo e ventre: punto più basso dell'onda;
• Ampiezza a = distanza tra la superficie libera ed il livello indisturbato;
• Altezza H = distanza verticale tra cresta e cavo;
• Lunghezza L = distanza orizzontale tra due creste o cavi consecutivi;
• Periodo T = intervallo di tempo in secondi necessario affinché una cresta percorra una distanza pari alla lunghezza d'onda.

Un’onda, per esempio, può essere definita come la porzione tra due cavi che contiene una cresta, o porzione tra due creste che contiene un cavo.

Moto ondoso generato dall'attrazione gravitazionale

Le maree sono variazioni periodiche del livello del mare con caratteristiche cinematiche che si ripetono nel tempo, dovute all'attrazione gravitazionale della Terra e degli astri.

Moto ondoso Posizione del punto P in un certo intervallo di tempo, funzione dello spazio e del tempo 6 1 2= 2

Dato che la forza è proporzionale alla massa dei due corpi in gioco, essa sarà piccola quando sono coinvolti due corpi piccoli e in questo caso non si ha un movimento delle due masse perché non viene “vinta” la velocità critica dei corpi, ma se non ci fossero gli attriti allora anche quei due corpi piccoli potrebbero avvicinarsi, anche se con tempi lunghi perché l’accelerazione è molto piccola.

Sistema Terra-Luna

Ogni singola particella della Terra e della Luna è soggetta alla forza gravitazionale. La crosta terrestre non si deforma, le particelle sono tenute unite dalle forze di interazione, mentre il fluido si deforma sotto l'azione della forza di gravità, quindi si genera un “bulbo” che si protende verso la Luna.

A questa deformazione si aggiunge:

• La rotazione della Terra intorno al proprio asse;
• La rivoluzione della Terra intorno al Sole;
• La rivoluzione della Luna intorno alla Terra;

Quindi ci sono degli spostamenti relativi tra Terra e Luna (il “bulbo” ruota”) e passano circa 29 giorni prima che nello stesso punto si manifesti la stessa forza, ma contemporaneamente la Terra gira, quindi dopo 24 ore si ha nuovamente la stessa situazione.

Ma dato che la Terra ha il proprio asse inclinato il valore massimo e minimo di marea non sono uguali, inoltre la Luna rivoluziona intorno alla Terra con un'orbita circa ellittica ne consegue che varia la distanza Terra-Luna e quindi cambia l'intensità della forza gravitazionale che sarà maggiore quando la Luna è più vicina e si avranno maree più intense; mentre la forza gravitazionale sarà minore quando la Luna si trova più lontana e di conseguenza le maree saranno meno intense. (Le sigizie sono le maree più basse) 7

Questi movimenti d’acqua possono essere di piccola/media intensità, come avviene nel Mediterraneo dove la marea ha valori massimi di altezza di 30-50 cm, ma possono essere anche di grande intensità dove l’altezza della marea può arrivare fino a 10 m come avviene nel Nord Europa.

La marea può essere considerata un fenomeno regolare e prevedibile, ma non completamente a causa di alcune variabili che ne alterano il comportamento come l’inclinazione dell’asse terrestre e le orbite non perfettamente circolari di rotazione della Terra e della Luna.

Onde da maree, caso particolare di una laguna

In alcuni casi il moto ondoso generato dalle maree può essere più significativo del moto ondoso generato dal vento. Questo si può verificare in una laguna in cui è presente un flusso e un deflusso: acqua che entra ed esce dalla laguna dovuto all’abbassamento o innalzamento del livello del mare. Nelle lagune questo fenomeno è il principale agente morfodinamico.

Moto ondoso da vento

Il moto ondoso da vento si genera a causa di una sorgente di aria fredda che scende da quote più elevate sino a raggiungere la superficie del mare. Questa aria fredda tenderà a provocare una compressione dell’acqua, la quale però, data la sua natura fisica, è incomprimibile per cui il lavoro di compressione esercitato dalla sorgente d’aria fredda si trasforma in uno spostamento di materia. Per questo motivo si forma una perturbazione della superficie marina. In seguito, la massa d’acqua che è stata spostata tenderà a risalire, a cercare un nuovo punto di equilibrio, ma così facendo altra massa d’acqua verrà spostata a sua volta e così facendo si formano le prime increspature sulla superficie del mare.

• 1) Mare senza vento (è una tavola).
• 2) Inizia a soffiare il vento (ovviamente non è regolare né di intensità né di direzione). L’aria sbatte sul mare fa lavoro e trasferisce energia al mare.
• 3) Locale perturbazione dello stato di equilibrio. Si forma una piccola onda perché l’acqua è un fluido incomprimibile.
• 4) Primo stato di increspatura del mare si formano “ripples” (es. nell’ordine dei mm) 8
• 5) Se il vento persiste le increspature diventano sempre più grandi e irregolari e il moto ondoso diventa sempre più intenso.

Esiste, quindi, una correlazione empirica tra l’intensità e la durata del vento con lo stato del mare e questa è descritta dalla scala di Beaufort. La scala parte da un grado 0, il quale corrisponde a uno stato del mare completamente calmo; mano a mano che la velocità del vento aumenta, aumenta l’intensità del moto ondoso e lo stato del mare viene descritto da un grado della scala via via più grande. La scala va da un grado 0 a un grado 12.

Al persistere del vento il fenomeno ondoso diventa sempre più intenso e questo è dovuto a due motivi:

• 1. Quando il vento soffia vicino al mare esso tenderà a conformarsi alla superficie e quindi modificherà la sua direzione.

In un punto ipotetico sulla cresta dell’onda c'è una intensità del vento maggiore rispetto ad un punto ipotetico posto in un cavo. Inoltre nel punto di cavo, in seguito alla modifica della direzione del vento, si formerà un vortice e quindi il verso del vento sarà opposto rispetto a quello presente nel punto sulla cresta. Questa variazione del verso del vento comporta un trasporto di massa dal cavo 9 verso la cresta e quindi una maggior quantità di massa che “ricadrà in avanti”, andando ad amplificare l’intensità del moto ondoso.

• 2. Il secondo motivo è legato al principio di Bernoulli.

Perché un fluido si possa muovere (a prescindere che esso sia aria, sangue, acqua ecc…) deve esistere una forza che provochi il movimento. Le energie che riguardano un fluido sono l’energia ( ), ( ) (); gravitazionale l’energia cinetica e la pressione queste sono assoggettate al ℒ principio di conservazione dell’energia.

Lungo una linea di corrente, che è la traiettoria di una particella del fluido, la sommatoria delle energie di una particella del fluido è costante: 2 + + = 2 22 + + = + + 2 2