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Frascati, Alessandro (2009) Morphodynamic regime and long-term
modelling of meandering rivers.
[Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

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.

Abstract (italiano)

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).

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Lanzoni, Stefano
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:02 Febbraio 2009
Anno di Pubblicazione:01 Febbraio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):idraulica fluviale, morfodinamica fluviale, meandri
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/01 Idraulica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Marittima, Ambientale e Geotecnica
Codice ID:1957
Depositato il:02 Feb 2009
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Bibliografia

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