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Zanello, Francesca (2011) Contributions to modeling of Venice coastal peatlands and wetlands. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The present Thesis reports an articulated research work that covers several aspects connected with the modeling of subsurface hydrology of organic soils in connection to the main hazards induced by land subsidence of peatlands and the conservation and wise use of wetlands in the Venetian area.
The dynamics of peatland surface deformation both at long and short time scale is studied and a novel two-step modeling approach is proposed to separate the reversible and irreversible components of the land surface displacement.
An empirical relationship is calibrated on the estimated irreversible component of the ground displacements recorded in a 4-year long experimental study in a field site located in the Zennare Basin,Italy. The expected evolution of the Venetian peatland over the present century is then investigated.
The study of the hydrology of organic soils is then focused on the hysteretical behavior of the moisture retention curve measured in the peat soils of the Zennare Basin. The results of the application of a modeling approach that couples an hysteresis model with a relationship that links the soil matrix porosity dynamic to water saturation bring out the importance of including the swelling/shrinkage phenomenon in the description and prediction of water flow into organic soils.
In the last part of the Thesis the focus is shifted to the hydrological dynamics of salt marshes, delicate intertidal zones characterized by a strong hydrological connection between the atmosphere and the subsurface mainly in terms of air fluxes. A two-phase flow model is developed in order to investigate the effects of air flow in the wetlands dynamics. A pressure-based formulation is chosen to allow for natural treatment of the complex and nonlinear boundary conditions to be imposed at the soil-atmosphere interface to take into account the interplay between evapo-transpiration during emersion periods and tidal fluctuations during soil submersion. The results of the application of the model to some test cases aimed at verifying the effect of the inclusion of the air dynamics in the simulation of the water flow in the vadose zone are presented.

Abstract (italian)

La presente Tesi riferisce di un articolato lavoro di ricerca che ha coperto diversi aspetti connessi con la modellazione dei processi idrologici sotterranei nei suoli organici in relazione ai principali rischi indotti dalla subsidenza delle aree torbose e alla conservazione e all’uso consapevole delle aree umide nel comprensorio lagunare veneziano.
Sono state analizzate le dinamiche delle deformazioni dei terreni torbosi sia su lunga che su breve scala temporale e si propone un approccio modellistico in due step finalizzato alla separazione dei contributi reversibile e irreversibile della dello spostamento della superficie.
Una relazione empirica per la stima degli spostamenti indotti dalla bio-ossidazione della matrice organica è stata quindi calibrata a partire dalla stimata determinata porzione irreversibile degli spostamenti registrati nell’ambito di una campagna sperimentale di 4 anni nel Bacino Zennare, Italia,
Si è infine investigato l’evoluzione attesa delle zone torbose nell’area di Venezia nel secolo in corso.
Lo studio dell’idrologia dei suoli organici è proseguito con l’analisi del comportamento isteretico della curva di ritenzione capillare misurata nei suoli del Bacino Zennare. I risultati dell’applicazione di un modello che accoppia un modello di isteresi con una relazione empirica che lega la variazione di porosità della matrice solida al grado di saturazione in acqua hanno messo in luce l’importanza delle deformazioni reversibili nella definizione delle curve di risalita capillare nei suoli organici.
L’ultima parte è focalizzata sulle dinamiche idrologiche delle zone barenali, delicate aree intertidali caratterizzate da un forte feedback tra l’atmosfera e il sottosuolo, principalmente in termini di flussi d’aria. Si è sviluppato un modello bifase al fine di approfondire gli effetti del flusso d’aria nelle dinamiche sotterranee. È stato adottata una formulazione alle pressioni che consente il trattamento naturale delle complesse condizioni al contorno non lineari sull’interfaccio suolo/atmosfera al fine di includere gli effetti di evapotraspirazione durante i periodi di emersione e le fluttuazioni mareali in quelle di sommersione della superficie barenale. I risultati dell’applicazione del modello ad alcuni casi test finalizzati al verificare l’importanza di considerare il flusso d’aria nella descrizione del flusso idrico nella zona insatura sono infine proposti.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Putti, Mario
Supervisor:Teatini, Pietro
Ph.D. course:Ciclo 23 > Scuole per il 23simo ciclo > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:UNSPECIFIED
Anno di Pubblicazione:20 January 2011
Key Words:hydrology, peatland, swelling/shrinkage, hysteresis, moisture retention curve,wetlands, Finite Elements
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 01 - Scienze matematiche e informatiche > MAT/08 Analisi numerica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 -Dipartimento di Metodi e Modelli Matematici per le Scienze Applicate
Codice ID:3332
Depositato il:21 Jul 2011 10:56
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