Aspects of riverine hydro-morpho-biodynamics at watershed scale

The integration of various scientific disciplines is becoming more and more important to define the complete evolution of an entire river system, both in time and in space. The aim of this thesis is to analyze the evolution of a river subjected to hydrological, morphological and biological interactions. This analysis is done at watershed scale, by using a numerical 1-D model plus a quasi 2-D sub-model. These models are able to integrate the available data, often scarce both qualitatively and quantitatively, especially in large unsurveyed rivers, typical of less developed countries. The models analysis allows to study the evolution of a river system at large space-scale and long-time scale, because the computational effort required by simplified models are quite low. The results of these models are indicative of a trend of the evolution of the river, in space and time, which can be useful in different studies, for example as input for other detailed models. In the first Chapter we analyze the principal mechanisms of formation and transport of sediments, making an overview of the various models that can be adopted to describe the morphological evolution of a river system. In addition to this description, in this chapter we study the different conformations of riverbeds, classified on the basis of their geometry and morphology. The lack of detailed data, from the point of view both of geometry and biology, implies the application of a non-detailed model, able to describe the hydrodynamic, morphodynamic and biological main processes of the river along its course. This model, essentially 1-D, is based on simplifications related to the hypothesis of the Local Uniform Flow. The 1-D model is associated to a quasi 2-D sub-model, able to provide a synthetic description of the river cross-section. This sub-model is useful for the analysis of large river systems, for which often we do not have bathymetric surveys. In the second Chapter and in the third Chapter is made a detailed analysis of these models, highlighting the advantages and disadvantages of the various simplifications. The growth of the riparian vegetation is strongly influenced by the forcing terms present in a river, related to hydrology and morphology. In Literature there are only a few site-specific studies or purely qualitative analysis, which study the interaction between the forcing terms and the riparian vegetation. The aim of this thesis is trying to model the influence of hydrology and morphology on the growth of the riparian vegetation, by a simplification of all the possible mechanisms involved. In this Chapter we have reported a detailed analysis of our studies, highlighting the limitations related to the lack of experimental data needed for a good calibration of our quasi 2-D sub-model. In the next two Chapters two different applications of the complete model are given: the first one about the Paranà River, and the second one about the Zambezi River. The application to the Paranà River has been made to highlight the goodness of the model for describing the evolution of the river, even compared to a commercial 1-D model as the Hec-Ras code. That application was also made to verify the general approach and the formulation used in the description of the synthetic river cross-section and the interaction between the river forcing terms and the growth of the riparian vegetation. The study of the Zambezi River is useful to see how the alteration of flow due to hydropower dams along the river strongly influences both morphology and biology of the river, with medium and long term effects. This analysis evaluates the planimetric and bathymetric changes subsequent to an alteration of the natural flow regime of a river due to the construction of hydroelectric reservoirs. In the last Chapter we have discussed the general results and the future developments, underlining, however, that the simplified models used in this work require further verifications, also against the analysis of more experimental data.

L’integrazione di varie discipline scientifiche sta diventando sempre più importante nel definire in maniera compiuta l’evoluzione di un intero sistema fluviale, sia dal punto di vista spaziale che temporale. Questo lavoro di tesi si prefigge lo scopo di analizzare l’evolversi di un fiume sottoposto ad interazioni idrologiche, morfologiche e biologiche. Tale analisi viene fatta a scala di bacino, adottando un modello numerico 1-D integrato con un sottomodello quasi 2-D. Entrambi i modelli sono capaci di utilizzare ed integrare i dati reperibili lungo un corso d’acqua, che spesso risultano carenti sia qualitativamente che quantitativamente, soprattutto nel caso di grandi fiumi non strumentati, tipici dei paesi in via di sviluppo. Tale approccio permette quindi di studiare l’evolversi di un complesso sistema fluviale a grande scala e a lungo termine, in quanto i tempi computazionali richiesti dal codice semplificato risultano piuttosto contenuti. I risultati ottenuti sono indicativi di una tendenza evolutiva del fiume a media risoluzione, che può essere utile in differenti studi, anche come dato di input per successive modellizzazioni di maggior dettaglio. Nel primo capitolo si evidenziano tutti i meccanismi di formazione e trasporto dei sedimenti, in modo tale da fornire una panoramica sui vari modelli che si possono adottare per descrivere l’evoluzione morfologica di un sistema fluviale. Oltre a tale descrizione, in questo capitolo vengono messe in evidenza anche le differenti conformazioni fluviali presenti in natura, suddivise sulla base della loro morfologia dominante. La mancanza di dati specifici, sia dal punto di vista dell’idrologia che della morfologia e della biologia, comporta l’applicazione di un modello, sia pure non di dettaglio, capace di descrivere i principali processi dell’idrodinamica, della morfodinamica e della crescita della vegetazione riparia lungo il corso del fiume. Questo modello, sostanzialmente 1-D, si basa sulle semplificazioni connesse all’imposizione del moto localmente uniforme. Al modello 1-D viene associato un sottomodello quasi 2-D, capace di fornire una descrizione sintetica della sezione trasversale del fiume. Tale sottomodello si rende necessario per l’analisi di grandi sistemi fluviali, dei quali spesso non si dispone di un rilievo batimetrico di dettaglio. Nel secondo e nel terzo capitolo viene quindi fatta un’analisi di tali modelli, evidenziando i pregi ed i difetti delle varie semplificazioni effettuate. Lo sviluppo della vegetazione riparia è fortemente influenzato dalle forzanti agenti su di essa, sia quelle idrologiche che quelle morfologiche. Allo stadio attuale, esistono solo alcuni studi sito-specifici o di carattere puramente qualitativo che analizzano compiutamente l’interazione tra le forzanti fluviali e la vegetazione riparia. In questa tesi si è quindi voluto provare a descrivere l’influenza dell’idrologia e della morfologia sullo sviluppo della vegetazione, semplificando il più possibile i meccanismi coinvolti. Viene quindi proposta tale analisi, evidenziandone i limiti legati all’assenza di dati sperimentali tali da permettere una buona taratura del modello. Nei successivi due capitoli vengono riportate due differenti applicazioni del modello completo: la prima al fiume Paranà e la seconda al fiume Zambezi. L’applicazione al fiume Paranà viene fatta per mettere in evidenza la bontà del modello nel descrivere l’evoluzione fluviale, anche mediante un raffronto con un modello commerciale unidimensionale quale Hec-Ras. Tale applicazione è stata fatta anche per verificare l’impostazione generale e le formulazioni adottate nella descrizione della sezione sintetica e dell’interazione tra le forzanti fluviali e lo sviluppo della vegetazione riparia. Lo studio del fiume Zambezi vuole invece verificare come l’alterazione delle portate a causa degli sbarramenti idroelettrici presenti lungo il corso d’acqua influenzi fortemente sia la morfologia che la biologia dell’ambiente fluviale, con effetti sia a medio che a lungo termine. Questa analisi è stata fatta con l’intento di analizzare le variazioni planimetriche e batimetriche susseguenti all’alterazione del regime idrologico naturale di un corso d’acqua causata dalla costruzione di sbarramenti idroelettrici. Nell’ultimo capitolo vengono discussi i risultati generali ed introdotti i possibili sviluppi futuri, sottolineando come tutti i modelli semplificati analizzati in questo lavoro di tesi necessitino di ulteriori verifiche e validazioni, anche attraverso l’analisi di ulteriori dati sperimentali.