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Franzoia, Mariateresa (2014) Sediment yield in rivers at different time-scales. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The present thesis is devoted to a particular topic regarding the fluvial sub-systems, namely the evaluation of the annual amount of sediment yield through a given cross-section of a river. This problem has been largely investigated in literature and the resulting models can be classify in different groups depending on the morphological characteristics they take into account and their complexity. In any case the large quantity of data required is always the main problem. With this work we want to find simple relationships that require the lesser number of data as possible, so we have made our evaluations at a basin-scale and assumed for the river the Local Uniform Flow hypothesis (LUF). Accordingly, each river reach is defined by its length, width, slope and bottom composition, while the watershed area is collapsed in its barycentre which coincides with the upstream end of the LUF reach.
A basic state, called equilibrium and represented by a stationary rating curve (a monomial relation between the solid and the liquid discharge of Engelund-Hansen type) is first identified, with the purpose to evaluate the deviations of the real solid transport from the equilibrium value, deviations that depend on the time-scale considered. In particular we have developed three models, valid in three different time-scales.
For the short-term analysis we use the 1-D deterministic solution of the harmonic river which provides the delay and attenuation of the perturbation of the solid transport with respect to the equilibrium condition. In other words we link the actual deviations of the solid transport recorded downstream with previous perturbations of the liquid discharge, happened upstream.
For a pluri-annual time-scale we integrate the 1-D morphodynamic model to a zero-dimensional model. As the water and sediments inputs to the river are concentrated in its upstream end, the width of the entire river is assumed to be constant, while the slope and the grain-size composition are considered to be variable in time. The resulting mathematical model is implicit and non-linear, but at this time-scale we simplify it in order to find a simple and generic analytical solution for the pluri-annual morphological evolution of the river.
Finally, for very long-term analysis we integrate numerically the exact 0-D morphodynamic model to predict the morphological reactions of a river at geological time-scale. In this case we schematize the river with two contiguous LUF channel, representing the highland and the lowland parts of the real watercourse respectively. In this way, this model can simulate the typical behaviour of natural rivers showing a grain-size segregation (fining) in the downstream direction, accompanied by smaller slopes, without the computational costs necessary for a complete one-dimensional model.
Some comparisons and numerical applications have been made.

Abstract (italiano)

Questa tesi è dedicata ad un tema particolare che riguarda i sotto-sistemi fluviali, vale a dire la valutazione dell'importo annuo di produzione di sedimenti attraverso una determinata sezione fluviale. Questo problema è stato ampiamente studiato in letteratura e i modelli sviluppati possono essere classificati in diversi gruppi a seconda delle caratteristiche morfologiche di cui tengono conto e della loro complessità. In ogni caso, il problema principale è sempre la grande quantità di dati richiesti. Con questo lavoro vogliamo trovare delle semplici relazioni che richiedano il minor numero di dati possibile, per questo abbiamo sviluppato le nostre valutazioni ad una scala spaziale di bacino ed assunto per il fiume l'ipotesi flusso localmente uniforme (LUF). Di conseguenza ogni tratto fluviale è definito dalla sua lunghezza, dalla larghezza, dala pendenza e dalla composizione granulometrica del fondo, mentre l'estremità a monte del canale LUF coincide col baricentro del bacino in cui si assume sia concentrata l'intera area.
Prima si identifica una condizione di base, chiamata di equilibrio e rappresentata da una curva stazionaria (una relazione monomia tra le portate solida e liquida di tipo Engelund-Hansen), con lo scopo di valutare le deviazioni del trasporto solido reale dal valore di equilibrio, deviazioni che dipendono dalla scala temporale considerata. In particolare abbiamo sviluppato tre modelli, validi per tre diverse scale temporali.
Per l'analisi a breve termine usiamo la soluzione deterministica armonica 1-D del fiume, che fornisce il ritardo e l'attenuazione della perturbazione del trasporto solido rispetto alla condizione di equilibrio. In altre parole, colleghiamo le deviazioni effettive del trasporto solido registrate a valle con le precedenti perturbazioni della portata liquida avvenute a monte.
Per una scala pluriannuale integriamo il modello morfodinamica 1-D ad un modello zero-dimensionale. Dato che gli ingressi di acqua e sedimenti al fiume sono concentrati alla sua estremità a monte, la larghezza dell'intero fiume è ipotizzata costante, mentre la pendenza e la composizione granulometrica sono considerate essere variabili nel tempo. Ne risulta un modello matematico implicito e non lineare, ma a questa scala temporale lo possiamo semplificare al fine di trovare una soluzione analitica semplice e generica per l'evoluzione morfologica pluriennale del fiume.
Infine, per un'analisi a lungo termine integriamo numericamente il modello morfodinamico 0-D esatto per valutare le reazioni morfologiche di un fiume a scala temporale geologica. In questo caso si schematizza il fiume con due canali LUF contigui, che rappresentano rispettivamente il tratto montano e e il tratto di pianura del reale corso d'acqua. In questo modo, questo modello può simulare il comportamento tipico dei fiumi naturali mostrando una differenziazione granulometrica (affinamento) verso valle accompagnata da pendenze minori, senza i costi computazionali necessari per un modello unidimensionale completo.
Sono stati fatti alcuni confronti e applicazioni numeriche.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Defina, Andrea - Di Silvio, Giampaolo
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 26 > Scuole 26 > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:26 Gennaio 2014
Anno di Pubblicazione:26 Gennaio 2014
Parole chiave (italiano / inglese):trasporto solido / sediment yield, morfodinamiche 1D / 1D morphodynamics, morfodinamiche 0D / 0D morphodynamics, scala di bacino / basin scale, flusso uniforme / uniform flow, letto mobile / movable bed, differenziazione granulometrica / Aggradation
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/01 Idraulica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale
Codice ID:6382
Depositato il:13 Nov 2014 11:45
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Bibliografia

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