Morphodynamic regime and long-term modelling of meandering rivers

Natural rivers are self-formed features whose shapes are the result of interaction between erosion, deposition and transport of sediments. The study of their morphodynamics and the characterization of related sedimentary processes are of great interest not only to environmental engineers but also to hydrologist and geologist, contributing to the interpretation of stratigraphic records. In particular, this thesis deals with the morphodynamics and the long term behaviour of meandering rivers, a very common pattern in nature. This class of dynamical systems, which occurs at the spatial scale of the channel width, are driven by the coexistence of various intrinsically nonlinear mechanisms which determine the possible occurrence of two different morphodynamic regimes: the sub-resonant and the super-resonant regime. On the short term time scale, the formation of meandering patterns can be suitably explained as an instability process, driven by bank erosion (bend instability). The planar development of the river is described by a non-linear integrodifferential bend evolution equation, complemented with a suitable model for flow and bed topography in sinuous channels with cohesionless bed. On the long-term timescale, a further highly non-linear process must be accounted for, namely channel shortening via cutoff processes. Depending on the description adopted for the flow field, various mathematical models allowing the description of the temporal evolution of the channel axis can be developed. Here, we develop a simulation model for river meandering employing two physics-based linear models characterized by a different degree of approximation. The fully nonlinear computational approach permits exploration of the long term dynamics of meandering rivers. Investigating the full range of morphodynamic conditions, we objectively compare the morphologic characteristics exhibited by synthetically generated and observed planimetric patterns. The analysis is carried out examining, through principal component analysis, a suitable set of morphological variables. We show that, even in the presence of the strong filtering action exerted by cutoff processes, a closer, although not yet complete, similarity with natural meandering planforms can be achieved only by adopting a flow field model which accounts for the full range of morphodynamic regimes. We also introduce a new morphodynamic length scale, associated with spatially oscillating disturbances. Once normalized with this length scale, the relevant morphologic features of the simulated long-term patterns (e.g., the pdf of local curvature and the geometric characteristics of oxbow lakes) tend to collapse on two distinct behaviours, depending on the dominant morphologic regime. Finally, the signatures of possibly chaotic dynamics or self-organized criticality triggered by repeated cutoff events are investigated. To these aims, some robust nonlinearity tests are applied to both the spatial series of local curvatures and the time series of long term tortuosity. Temporal distribution of cutoff inter-arrivals are also investigated. The results are coherent and show that no evidence of chaotic determinism or self-organized criticality are detectable in meandering dynamics.

La descrizione dei processi che caratterizzano gli ambienti sedimentari fluviali costituisce una tematica di grande interesse non solo in ambito ingegneristico ambientale, ma anche in quello idrogeologico. Gli alvei naturali presentano un'estrema eterogeneità e la loro forma va necessariamente vista come il risultato dell’azione combinata dei processi di erosione, trasporto e deposito dei sedimenti. Le cause che inducono un alveo ad assumere naturalmente una determinata configurazione vanno quindi ricercate nell’interazione esistente tra i flussi d'acqua e di sedimenti in ingresso al bacino di drenaggio e tutti quei fattori che concorrono alla formazione del paesaggio, ovvero: la topografia e le caratteristiche idrogeologiche della piana alluvionale, il tipo di sedimenti al fondo, il materiale che costituisce le sponde ed il tipo di vegetazione che su di esse cresce. Nella presente tesi focalizzeremo la nostra attenzione sugli alvei ad andamento meandriforme il cui sviluppo planimetrico è strettamente associato all'erodibilità delle sponde e alle caratteristiche del campo di moto. In particolare, verrà sviluppato un modello numerico in grado di simulare lo sviluppo planimetrico di tali corsi d’acqua, le cui caratteristiche morfologiche sono strettamente legate al carattere sub o super-risonante del regime morfodinamico dominante. Obiettivo del presente lavoro è quello di valutare, sul lungo periodo, le caratteristiche morfologiche degli alvei meandriformi determinate dalla struttura non lineare dell'equazione integro-differenziale che descrive levoluzione planimetrica dell’asse del canale e dalla natura fortemente non lineare del fenomeno del cosiddetto taglio di meandro (comunemente noto in letteratura come cutoff). La corrispondenza tra le caratteristiche morfologiche delle configurazioni planimetriche calcolate numericamente utilizzando due diversi modelli idrodinamici linearizzati e quelle osservate in natura viene analizzata utilizzando un'analisi delle componenti proncipali (PCA). Mostreremo come il contributo dinamico delle forti non linearità indotte dai processi di cutoff non sia tale da eliminare completamente le caratteristiche morfologiche associate alla struttura del campo di moto. In particolare si constaterà come, seppure molti degli aspetti fondamentali delle configurazioni planimetriche naturali siano ben riprodotti anche utilizzando per il campo di moto delle soluzioni linearizzate molto semplificate, tuttavia, una stringente corrispondenza con gli alvei meandriformi reali sia resa possibile solo dall'adozione di soluzioni più raffinate in grado di analizzare in modo pi`u completo i complessi meccanismi morfodinamici. Inoltre, utilizzando un modello linearizzato di campo di moto in grado di analizzare l'influenza morfodinamica nella sua interezza, sarà possibile lìindividuazione di una nuova lunghezza scala caratteristica dei meandri, la quale, essendo in grado di sostenere anche il regime super-risonante, si rivelerà una scelta decisamente migliore rispetto alle vecchie scale spaziali utilizzate per i meandri. Infine, adottando una metodologia d'indagine consolidata nell'ambito dell'analisi delle serie temporali non-lineari ed analizzando la serie degli interarrivi dei cutoff, si metterà in evidenza come nelle dinamiche che regolano lo sviluppo dei sistemi meandriformi non sia riscontrabile né l'esistenza di un chiaro determinismo caotico, né tantomeno una loro tendenza ad auto-organizzarsi (self-organized criticality).