The world population is expanding continuously, and economic and demographic growth are leading to the exploitation of the environment and the reduction of natural resources (water and energy in particular), with potentially important impacts on global climate change. Therefore, more efficient management of resources is necessary, based on the reworking of sustainable objectives of environmental policies and strategies and lower consumption of resources, thus promoting the transition from a linear economy model to a circular one, consisting of a continuous positive development cycle that preserves and improves natural capital, optimizing the use of resources. Soil and Water Bioengineering uses plants as living building material in environmental and landscape development works. Such works with low environmental impact, promote biodiversity and, in addition, offer a promising strategy for mitigation and adaptation to climate change. Thus, the use of adequate, sustainable, easy to find and low-cost materials are essential for the achievement of these objectives. Considering the great availability of residues resulting from the annual pruning of vines and the annual cleaning of beaches from the leaves of Posidonia oceanica in Sicily, the aim of this thesis is to describe and apply innovative Soil and Water Bioengineering techniques that involve the construction of modular structures made with organic waste materials, namely, the residues of vine pruning (vine shoots) and beachside P. oceanica (banquette). In fact, every year, the pruning of vines produces high quantity residues (vine shoots), which represent a biomass to be disposed. At the same time, the beaching of P. oceanica residues is considered a problem by the population. It conflicts with a number of economic activities (tourism, bathing establishments, etc.). Even though seagrasses have a fundamental ecological role to play in limiting coastal erosion and promoting the formation of the coastal dune system, the presence of P. oceanica residues along the coast can reduce the tourism value of beaches. As a result, local authorities are required to remove banquette and dispose of them in landfills. Therefore, the use of this biomass has a double beneficial effect. It constitutes a solution to the problem of waste disposal and an opportunity for the creation of local and low-cost new products. Moreover, this waste can also be used in the field of environmental restoration. Therefore, the residual biomass considered a resource and no longer as waste, and has ecological and economic value. From the viewpoint of the circular economy, vine shoots were assembled in the form of fascines to constitute the basic element used to create a fascinate module, a linear Soil and Water Bioengineering work with anti-erosive, consolidation and stabilization functions, while the residues of P. oceanica were used as a growing medium to render the work "alive" after planting with native species. A series of analyses and experiments were carried within the framework of the thesis, in order to i) characterize both materials and evaluate their suitability as constituents of fascines, ii) identify the most biotechnically suitable plant species for rendering the work “alive”, and iii) evaluate the functionality of the work as a whole using observations made on a small prototype of fascinate set up in experimental fields at the University of Palermo. Finally, an innovative fascinates construction technique is presented, which is the object of patenting by the University of Palermo and was developed during the activities of this research doctorate. First of all, we identified four wine-producing companies operating in Sicily and available to provide vine shoots just after pruning and free of charge. In order to estimate the durability of the experimental fascines, mechanical tests were carried out in the laboratory (tensile strength and modulus of elasticity) on 122 samples of 8 different vine shoot cultivars (Cabernet, Inzolia, Nero d' Avola, Grecanico, Grillo, Chardonnay, Sirah and Catarratto). The vine shoot samples, L=10 cm long and "normal" humidity (12%), were selected based on the criteria of absence of knots and imperfections, uniformity of diameter and straight longitudinal axis (cylindricality). The abiotic (mechanical) durability of the vine shoots was then estimated by means of flexural strength tests and measurement of tensile strength. Under the hypothesis of validity of Hook's law, flexural strength tests were carried out according to the three-point scheme up to the rupture of the lower fibres of the samples, which allowed to obtain the longitudinal elasticity modulus E (along the fibres) and the tensile strengthon the basis of the force/deformation diagram and tensile strength. The first results show that Cabernet, Grillo and Sirah vine shoots have the best flexural strength characteristics (greater rigidity) with a clear prevalence of Sirah (4878.6 MPa), while the vine shoots of Grecanico, Chardonnay, Catarratto and Nero d' Avola (1200 - 2000 MPa) are the most deformable. The highest values of tensile strength were found for the Cabernet (70 MPa). Consequently, by linking sample tensile strength to the corresponding elasticity modules, Cabernet and Chardonnay display the best resistance and durability characteristics, and could be used potentially as a building material in Soil and Water Bioengineering works. Therefore, Cabernet vine shoots have been suggested and used for the packaging of fascines in the experimental installation, together with Catarratto, which is the variety most cultivated in the region and, consequently, produces the largest quantity of annual biomass. P. oceanica residues were collected on the coast of Custonaci, Trapani (Southern of Italy). The “banquette” from which the residues were obtained is 4 metres high and extends hundreds of metres along the rocky coast behind Monte Cofano. P. oceanica residues were removed mechanically and deposited in a storage area created in the nearby Custonaci Park. In order to evaluate the reduction of salinity by natural runoff, the infiltration process that takes place in the residues of P. oceanica accumulated at the storage sites was studied. The investigation carried out on samples of P. oceanica residues subjected to rain of fixed intensity, allowed the development of a simplified theoretical model, valid for highly permeable porous storage. Furthermore, an analysis was performed in order to characterise P. oceanica residues from a physical and hydrological point of view and verify the applicability of a physical infiltration model for the estimation of delay time, starting from the beginning of the rainy event and ending with the storage site. The experimental protocol was studied in order to modify gradually the initial humidity conditions of the same sample and not modify the physical characteristics of the sample for the results to be homogeneous. The samples of P. oceanica residues, prepared in the laboratory with an apparent density equal to that measured on undisturbed samples at the storage site, were placed in metal rings, D = 200 mm, with free draining at the bottom, closed with non-textile and metal mesh containment. The infiltration tests were conducted with a rain simulator equal in diameter to that of the rings, and connected to a Mariotte bottle. In the test sequence, the initial humidity conditions varied from 0.030 to 0.197, while the drained volume increased from 0.030 to 0.32. Modification of the initial humidity condition had an effect on delay times. In particular, the times, with certain dispersion, increased by initial humidity conditions from the initial values of 3.87 minutes for the first test to 13.62 minutes for the last test. The apparent density empirically estimated as a function of the height H of the sample, showed a variation from 0.130g/cm3 to 0.140 g/cm3 which resulted in a reduction of porosity. The tests carried out showed that the compaction of P. oceanica residues played a decisive role during the infiltration process. Following this observation, the infiltration model on highly porous media was modified by introducing the effect of both compaction and that of the surface actually affected by the infiltration process. The infiltration law calibrated on the experimental data for rain intensity values varying from i=20 to i=100 mm/h, for P. oceanica storage, compared with the analogous infiltration law relative to soil with the same hydrological characteristics as stored P. oceanica. The difference in behaviour of the two media was revealed. P. oceanica residues show very short delay times in relation to soil (fast filtration); small differences are measured in the intensity and the initial humidity conditions. While the soil shows a typical monotonous reduction in delay times, for P. oceanica there is a slight increase in time after a given initial humidity condition, which indicates a slight reduction in permeability of the medium in this field. The reduction of salinity in P. oceanica residues was evaluated in the laboratory by means of a constant pressure washing process. P. oceanica residue samples show a high initial electrical conductivity (EC) value in drainage water (20 mS/cm) and a rapid reduction of the salt content with the first three unit washes. The six additional washings refined EC reduction to an acceptable level for agricultural use (2 mS/cm). The extreme values of the residue washing process were confirmed by salinity analysis using the standard method with dilution 1:20. The reduction of the salt content of P. oceanica residues was also achieved in a sustainable way by means of natural runoff in open storage for more than one year (≈ 500 mm/year of rain). The measurements taken at the first unit wash showed an EC of 1.8 mS/cm, which was reduced by 33.3% (CE=1.2 mS/cm) after the second unit wash. The most biotechnically suitable plant species were then identified to make the work “alive” by means of laboratory tests of Tr tensile strength of the roots. The native plant species used to make the fascine “alive” were collected at 5 different stations in the province of Palermo. The high tensile strength values of the roots of the plants considered in the study (A. mauritanicus, O. miliaceum, H. coronarium. M. lupulina, L. spartum, B. distachyon, R. officinalis, R. Coriaria and S. junceum) confirm their suitability in the field of environmental restoration, slope stabilization and landslide prevention. In particular, S. junceum displayed the best biotechnological characteristics in relation to the tension/diameter law and has therefore been identified as a material to be used for making fascine “alive”. A more detailed analysis of the morphological parameters of S. junceum roots, growing at two different positions (plane and slope of 22°- 28°- 40°), showed that the position on the slope significantly influences the root system of the plant and the overall architecture of the root system at the three sampling sites (A, B and C). In the tensile strength tests carried out, in accordance with the greater development and the different radical architecture, the samples of break strength values taken in a slope position showed the highest break strength values. As regards the lowest diameters (0.5 mm), the break strength values are similar (61-70 MPa) in the two positions, while for larger diameters (2 mm) the break strength values of plane samples are lower than those of slope samples. In fact, they range from 20 MPa to almost 80 MPa at site A, 20 MPa to 50 MPa at site B, and 20 MPa to 40 MPa at site C. In the experimental installation, we estimated the growth of S. junceum planted in different substrates. The first evidence shows that the plants grown on the substrate consisting of P. oceanica residues showed the highest percentage of rooting and the greatest aerial growth (121.3 cm). This result can, most probably, be attributed to the physical properties and insulating capacity of the residues. In fact, the increased draining capacity of the substrate of P. oceanica residues, detected during infiltration tests, may have played a positive role in plant rooting and development. The micro-climate inside the fascines was estimated with temperature measurements using hobo data logger sensors inserted at a depth of 5 cm from 14.07.2017 to 20.11.2017, carried out continuously and with a time interval of 30 minutes. The data were recorded: a) in the external environment, b) inside the P. oceanica residues contained in fascines and c) in the land adjacent to the installation. A total of 6201 temperature values were collected by each of the three sensors. The temperature measurements showed the high insulating capacity of the P. oceanica residues, which manifested itself with a significant attenuation, at root level, of the maximum temperatures (36.6°C) in P. oceanica residues and daily minimum temperatures (9.7°C), compared to the maximum temperatures (55.1°C) and minimum temperatures (5.6°C) measured in the external environment during the two periods considered (summer and autumn). The lowest average temperatures were recorded in P. oceanica residues inside fascines, both in the summer period (25.7±3.6) and throughout the measurement period (21.8±5.2). It is interesting to note that the thermal insulation role of this material in the building industry also applies to agriculture. Finally, the research carried out during the three years of doctoral studies has led to the improvement of the fascinate production technique, and this methodology is subject to a patent application filed by the University of Palermo. The benefits of the new methodology compared to current technologies can be summarised as follows: • The proposed product makes "structural", with a module connection system, a work frequently used in Soil and Water Bioengineering that is not statically resistant to the actions of soil thrust. • Sustainable reuse of organic waste materials with consequent economy of construction. • Mechanisation of modular manufactured products, which in current practice provides for assembly only by hand with consequent reduction of construction time and costs. • Reduction of installation time for hydrogeological protection structures. The advanced innovative technique, to be developed with future experimental installations, has provided for the construction of a modular building made with eco-compatible materials at low cost; vine pruning residues (vine shoots) and Posidonia oceanica beaches (banquette). Vine pruning residues and P. oceanica residues were also used in a project, funded by the European Community, to the Municipality of Custonaci entitled " Primi interventi finalizzati a contenere il fenomeno della desertificazione del territorio Comunale Parco sub-urbano Portella del Cerriolo". European Union quality controls on these works has shown the excellent results achieved with the waste materials. For this reason, the EU has suggested project application as “best practices” in the mediterranean area for combating desertification. The use of these two materials, namely agricultural production waste and solid waste which are widely available in both in Sicily and most of the Mediterranean area, constitutes an efficient use of resources (sustainable use) that is low-cost, energy efficient and totally respects the environment.

La popolazione mondiale è in continua espansione e la crescita demografica ed economica inducono allo sfruttamento progressivo dell’ambiente ed al depauperamento delle risorse naturali (acqua ed energia in particolare), con conseguenti impatti potenzialmente importanti sul cambiamento globale. Si rende, pertanto, necessaria ed urgente una più efficiente gestione delle risorse basata sulla rielaborazione di obiettivi sostenibili di politiche e strategie ambientali e sulla riduzione del consumo delle risorse, promuovendo la transizione da un modello di economia lineare ad uno circolare, costituito da un ciclo continuo di sviluppo positivo che preserva e migliora il capitale naturale, ottimizzando l'utilizzo delle risorse a tutte le scale. Come noto, l’Ingegneria Naturalistica (IN) utilizza le piante come materiale da costruzione nelle opere per la riqualificazione ambientale e paesaggistica del territorio. Le opere di IN sono infatti a basso impatto ambientale ed in grado di innescare processi di rinaturalizzazione che favoriscono la biodiversità, offrendo una promettente strategia di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici. Fondamentale per il raggiungimento di questi obiettivi, risulta essere quindi l’uso di materiali adeguati, sostenibili, di facile reperimento e basso costo. Tenuto conto della grande disponibilità dei residui derivanti dalla potatura annuale delle viti (sarmenti) e dallo spiaggiamento annuale delle foglie di Posidonia oceanica (banquette) in Sicilia, la presente tesi ha come obiettivo principale la descrizione e l’analisi di questi nuovi materiali organici di scarto in relazione alla possibilità di uso degli stessi in opere di Ingegneria Naturalistica. Ogni anno infatti la potatura dei vigneti produce un elevato quantitativo di residui (sarmenti), che rappresentano una biomassa da smaltire; nel contempo, il fenomeno dello spiaggiamento dei residui di P. oceanica è percepito come un disagio dai cittadini, entrando in conflitto con alcune attività economiche (turismo, stabilimenti balneari, ecc). Nonostante il fondamentale ruolo ecologico che rivestono le fanerogame marine sia per limitare l’erosione della costa che per favorire la formazione del sistema dunale costiero, la presenza di residui di P. oceanica lungo la costa può comportare la riduzione del valore turistico delle spiagge; conseguentemente è richiesta alle amministrazioni locali la rimozione delle banquette ed il loro conferimento in discarica. L'utilizzo della biomassa prodotta comporta quindi un duplice vantaggio: la risoluzione del problema dello smaltimento dei residui prodotti e la creazione di nuovi prodotti, locali ed a basso costo, riutilizzabili anche nel campo del risanamento ambientale. La biomassa residuale viene vista in questo modo come una risorsa e non più un rifiuto, acquisendo un valore sia dal punto di vista ecologico che dal punto di vista economico Nell’ottica dell’economia circolare, i sarmenti sono stati assemblati in forma di fascina per costituire l’elemento base per realizzare il modulo di una fascinata, opera lineare di IN con funzioni antierosive, consolidanti e di stabilizzazione, mentre, i residui di P. oceanica sono stati utilizzati come substrato di coltivazione per rendere “viva” l’opera dopo la messa a dimora di specie autoctone al suo interno. Nella tesi sono state eseguite una serie di analisi e sperimentazioni volte: i) a caratterizzare i due materiali per valutarne l’idoneità come costituenti della fascina, ii) ad individuare le specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera, iii) ad eseguire una prima valutazione sulla funzionalità dell’opera nel suo insieme utilizzando osservazioni fatte su un piccolo prototipo di fascinata messa in opera nei campi sperimentali dell’Università di Palermo. Viene infine presentata una tecnica costruttiva innovativa delle fascinate oggetto di brevettazione da parte dell’Università degli Studi di Palermo e sviluppata nel corso delle attività di questo dottorato di ricerca. Con l’obiettivo di stimare indicatori di resistenza e durabilità delle fascine sperimentali sono state, in primo luogo, individuate quattro aziende vitivinicole che operano nel territorio siciliano, disponibili a fornire a titolo gratuito i sarmenti appena potati. Le prove meccaniche di resistenza a flessione (valutazione di tensioni di rottura e modulo di elasticità) sono state quindi eseguite su 122 provini di 8 differenti cultivar di sarmento (Cabernet, Inzolia, Nero d'Avola, Grecanico, Grillo, Chardonnay, Sirah e Catarratto). I provini di sarmento, di lunghezza L=10 cm ed umidità “normale" (12%), sono stati selezionati con criterio di assenza di nodi ed imperfezioni, uniformità di diametro ed asse longitudinale rettilineo (cilindricità). Sotto l’ipotesi di validità della legge di Hook, le prove di resistenza a flessione eseguite secondo lo schema a tre punti (3 point bending test) sino alla rottura delle fibre inferiori dei provini, hanno permesso di ricavare il modulo di elasticità longitudinale (lungo le fibre), E, e la tensione di rottura sulla base dei diagrammi sforzo/deformazione e della forza a rottura. Dai primi risultati si rileva come i vitigni Cabernet, Grillo e Sirah presentino le migliori caratteristiche di resistenza flessionale (maggiore rigidità) con netta prevalenza del Sirah (4878.6 MPa), mentre più deformabili risultano essere i sarmenti di Grecanico, Chardonnay, Catarratto e Nero d’Avola (1200 - 2000 MPa). I valori maggiori di tensioni di rottura si riscontrano invece per il Cabernet (70 MPa). Nel complesso, mettendo in relazione le tensioni di rottura campionarie ai corrispondenti moduli di elasticità, le migliori caratteristiche di resistenza e di maggiore durabilità riscontrate sono quelle del Cabernet e dello Chardonnay, che possono quindi trovare potenziale impiego come materiale da costruzione nelle opere di Ingegneria Naturalistica. Pertanto, i sarmenti di Cabernet sono stati utilizzati per il confezionamento delle fascine nell’installazione sperimentale, insieme al Catarratto che è la cultivar maggiormente coltivata nella regione e che, conseguentemente, produce il maggior quantitativo di biomassa annuale. L’area di prelievo dei residui di P. oceanica è stata individuata nella costa prospicente l’abitato di Custonaci in provincia di Trapani. La banquette dalla quale sono stati prelevati i residui presenta un’altezza di 4 m e si estende per centinaia di metri lungo la costa rocciosa alle spalle di Monte Cofano. I residui di P. oceanica spiaggiata sono stati rimossi meccanicamente e depositati in un’area di stoccaggio appositamente realizzata nel vicino Parco Sub urbano di Custonaci. Allo scopo di valutare l’abbattimento della salinità a mezzo dilavamento naturale è stato studiato il processo di infiltrazione che si attua nei residui di P. oceanica accumulata nei siti di stoccaggio. Un contributo alla caratterizzazione idrologica dei residui di P. oceanica è stato fornito eseguendo una sperimentazione su campioni di residui sottoposti ad una pioggia di fissata intensità, al fine di mettere a punto un modello semplificato di infiltrazione, valido per ammassi porosi altamente permeabili. Più precisamente il modello di infiltrazione a base fisica adottato stima il tempo di ritardo, (o di primo gocciolamento) ovvero il tempo necessario affinchè il fronte di umidità, a partire dall’inizio dell’evento piovoso, raggiunga la base dell’ammasso. Il protocollo di sperimentazione è stato studiato in modo da variare progressivamente le condizioni iniziali di umidità sullo stesso campione così da non alterare le caratteristiche fisiche del campione stesso rendendo omogenei i risultati. I campioni di residui di P. oceanica, preparati in laboratorio con una densità apparente, pari a quella misurata su campioni indisturbati nel sito di stoccaggio, sono stati posti in anelli metallici di diametro, D = 200 mm liberamente drenanti al fondo, chiusi con tessuto non tessuto e rete metallica di contenimento. Le prove di infiltrazione sono state condotte con un simulatore di pioggia di diametro pari a quello degli anelli, alimentato con una bottiglia di Mariotte (pressione costante). Nella sequenza delle prove le condizioni iniziali di umidità sono variate da 0.030 a 0.197, mentre il volume drenato, si è incrementato da 0.030 a 0.32. La condizione iniziale di umidità ha influenzato i tempi di ritardo che sono passati dai 3.87 minuti della prima prova ai 13.62 minuti dell’ultima prova. La densità apparente, stimata empiricamente in funzione dell’altezza H del campione, ha mostrato una variazione, da 0.130 a 0.140 g/cm3 che ha comportato una riduzione della porosità. Dalle prove eseguite è emerso come la compattazione dei residui di Posidonia abbia giocato un ruolo determinante durante il processo di infiltrazione. Sulla base di questa osservazione il modello teorico di infiltrazione adottato, valido su mezzi altamente porosi ma a porosità costante, è stato modificato introducendo sia l’effetto della compattazione che quello della parzializzazione della superficie effettivamente interessata dal processo di infiltrazione. La legge di infiltrazione tarata sui dati sperimentali per valori dell’intensità di pioggia variabili da i=20 a i=100 mm/h, per un ammasso di P. oceanica, messa a confronto con l’analoga legge di infiltrazione relativa ad un terreno con stesse caratteristiche idrologiche della P. oceanica, ha evidenziato in definitiva la differenza di comportamento dei due media. I residui di P. oceanica mostrano rispetto al terreno, tempi di ritardo molto brevi (infiltrazione veloce), poco variabili sia con l’intensità che con le condizioni iniziali di umidità. Per condizioni di umidità iniziale superiori a 0.15 i tempi di ritardo per il campione dei residui di P. oceanica tendono a crescere all’aumentare dell’umidità indicando, in questo campo, una lieve riduzione della permeabilità del mezzo. L’abbattimento della salinità nei residui di P. oceanica è stato valutato in laboratorio simulando in un campione un processo di lavaggio a pressione costante. I campioni di residui di P. oceanica appena spiaggiati mostrano un elevato valore di conducibilità elettrica (CE) iniziale nell’acqua di drenaggio ( 20 mS/cm) ed un rapido abbattimento del contenuto in sali già con i primi tre lavaggi unitari (di peso pari al peso del materiale dilavato). Gli ulteriori sei lavaggi hanno affinato la riduzione di CE fino al raggiungimento di valori accettabili all’utilizzo agricolo ( 2 mS/cm). Assunta una densità della P. oceanica pari a 0,1 g/cm3 un lavaggio unitario di un ammasso alto un metro corrisponde allora ad un volume d’acqua specifico di 100 mm. I valori estremi del processo di lavaggio dei residui appena spiaggiati sono stati confermati da analisi di salinità svolte secondo metodo standard con diluizione 1:20. L’abbattimento del contenuto salino dei residui di P. oceanica accumulati nel deposito all’aperto di Custonaci è avvenuto, in modo sostenibile, a mezzo di un dilavamento naturale durato poco più di un anno che ha ridotto il valore di CE a 2,8 mS/cm. Tale riduzione concorda con le sperimentazioni fatte, infatti, tenuto conto che la precipitazione media annua alla stazione pluviografica di S. Vito Lo Capo vale 474 mm e che lo spessore medio dell’ammasso è di 1 m, il deposito è stato soggetto a circa 6 lavaggi unitari che sono bastati per abbattere significativamente il valore di CE. Ulteriori lavaggi unitari applicati ad un campione di P. oceanica prelevato dal deposito hanno portato ad un CE pari a 1,8 mS/cm, dopo il primo lavaggio, che si è ridotto ulteriormente del 33,3% (CE=1,2 mS/cm) al terzo lavaggio unitario. L’individuazione delle specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera è stata condotta a mezzo di prove di resistenza a trazione, Tr, delle radici. Il prelievo delle specie vegetali autoctone da utilizzare per rendere vive le fascine è stato eseguito in 5 differenti stazioni nella provincia di Palermo. Gli elevati valori di tensioni di rottura delle radici delle specie vegetali prese in esame nello studio (A. mauritanicus, O. miliaceum, H. coronarium. M. lupulina, L. spartum, B. distachyon, R. officinalis, R. coriaria e S. junceum) confermano la loro adeguatezza nel campo del ripristino ambientale, della stabilizzazione dei versanti e nella prevenzione delle frane. In particolare S. junceum ha mostrato le migliori caratteristiche biotecniche in termini di legge tensioni/diametri e quindi è stato individuato come materiale da utilizzare preferibilmente per rendere vive le fascine. Da un’analisi più approfondita delle radici di S. junceum che crescono nelle due differenti giaciture di piano e di pendenza (22°- 28°- 40°), è stato possibile evidenziare come la giacitura in pendenza influenzi significativamente sia l’architettura complessiva del sistema radicale che lo stato tensionale dello stesso. L’indagine è stata eseguita in tre siti di prelievo (A, B e C) tutti in provincia di Palermo Nelle prove di trazione effettuate, in accordo con il maggiore sviluppo e la differente architettura radicale, i campioni di S. junceum prelevati in giacitura di pendenza hanno presentato i valori di tensione a rottura mediamente più alti. In corrispondenza dei diametri più bassi (0,5 mm) i valori di tensione a rottura sono risultati molto simili (61-70 MPa) nelle due giaciture mentre in corrispondenza dei diametri maggiori (>1 mm) la tensione a rottura dei campioni in piano risulta minore rispetto ai campioni in pendenza. Il test di covarianza (ANCOVA) applicato al campione delle tensioni di rottura con covariata il Diametro e variabili indipendenti il sito (A, B, C) e la giacitura (piano, pendenza) ha permesso di considerare non significativa la differenza tra i siti (suoli) e significativa la differenza tra le due giaciture. Nell’installazione delle fascine sperimentali si è stimata la crescita delle piantine in fitocella di S. junceum messe a dimora in diversi substrati. Dalle prime evidenze le piante cresciute sul substrato costituito dai residui di P. oceanica hanno presentato la maggior percentuale di attecchimento e la maggiore crescita epigea. Tale risultato può essere, con buona probabilità, attribuito alle proprietà fisiche ed alla capacità isolante dei residui. Difatti, la maggiore capacità drenante del substrato costituito dai residui di P. oceanica, rilevato durante le prove di infiltrazione, sembra aver giocato un ruolo positivo nell’attecchimento e sviluppo della pianta. Il controllo del microclima all’interno delle fascine è stato eseguito con misure di temperatura rilevate ad intervalli di 30 minuti da sensori hobo data logger inseriti ad una profondità di 5 cm, lasciati indisturbati per tutta la durata delle misure (dal 14.07.2017 al 20.11.2017). I dati sono stati misurati: a) nell’ambiente atmosferico, b) all’interno dei residui di P. oceanica contenuti nelle fascine e c) nel terreno contiguo all’istallazione. In totale sono stati raccolti 6201 valori di temperatura per ognuno dei tre sensori. Le misure di temperatura hanno evidenziato l’elevata capacità isolante dei residui di P. oceanica che si è manifestata con una significativa attenuazione, a livello dell’apparato radicale, delle temperature massime (36.6°C) nei residui di Posidonia e minime giornaliere (9.7°C), rispetto alle temperature massime (55.1°C) e minime (5.6°C) misurate nell’ambiente esterno nei due periodi considerati (estate e autunno). Le temperature medie più basse si sono registrate nei residui di Posidonia all’interno delle fascine, sia nel periodo estivo (25.7±3.6) che nell’arco temporale delle misure (21.8±5.2). È interessante osservare come il ruolo che tale materiale ha nel campo dell’edilizia come isolante termico possa risultare di interesse anche nel campo della coltivazione di specie vegetali. Infine, la ricerca svolta nei tre anni di dottorato ed i risultati conseguiti hanno portato al miglioramento della tecnica di realizzazione della fascinata le cui metodologie sono oggetto di una domanda di brevetto depositata dall’Università di Palermo. I vantaggi della nuova metodologia rispetto alle tecnologie attuali, possono sintetizzarsi come segue: • Riutilizzo sostenibile di materiali organici di scarto (sarmenti e P. oceanica spiaggiata e dilavata) con conseguente economia di realizzazione di una fascinata (opera I.N. lineare di consolidamento e protezione idrogeologica). • Meccanizzazione della produzione dei manufatti modulari (fascina) costituenti l’opera, che nell’attuale pratica prevede un assemblaggio solo di tipo manuale, con conseguente riduzione dei tempi di costruzione e dei costi ad esso associati. • Il prodotto proposto rende “strutturale”, con un sistema di collegamento dei moduli, un’opera che staticamente non è resistente alle azioni di spinta delle terre. • Riduzione dei tempi di messa in opera del manufatto lineare. Con la tecnica innovativa avanzata, grazie alla caratteristica strutturale del manufatto, si potranno realizzare opere su più piani (non più di tre) o opere chiuse. I residui di potatura della vite ed i residui di P. oceanica sono stati utilizzati anche nell’ambito di un progetto, finanziato dalla Comunità Europea, al Comune di Custonaci dal titolo “Primi interventi finalizzati a contenere il fenomeno della desertificazione del territorio Comunale Parco sub-urbano Portella del Cerriolo”. Recenti controlli di qualità dell’Unione Europea sulle opere realizzate con i suddetti materiali di scarto nel Parco sub-urbano Portella del Cerriolo a Custonaci, hanno evidenziato gli ottimi risultati raggiunti dal progetto. Per tale motivazione, La UE ha proposto la candidatura del suddetto progetto come best practices nell’area mediterranea per la lotta al fenomeno della desertificazione. L’uso dei due materiali, che rappresentano uno scarto di produzione agricola ed un rifiuto solido, ampiamente presenti sia in Sicilia che nella maggior parte dell’area mediterranea, si inquadra in un uso efficiente delle risorse (riuso sostenibile), nel risparmio economico ed energetico e nel pieno rispetto dell’ambiente.

Calvo, R.REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE PODA DE VID Y DE POSIDONIA OCEANICA EN LAS OBRAS DE BIOINGENIERÍA DEL PAISAJE.

REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE PODA DE VID Y DE POSIDONIA OCEANICA EN LAS OBRAS DE BIOINGENIERÍA DEL PAISAJE

Calvo, Roberta

Abstract

The world population is expanding continuously, and economic and demographic growth are leading to the exploitation of the environment and the reduction of natural resources (water and energy in particular), with potentially important impacts on global climate change. Therefore, more efficient management of resources is necessary, based on the reworking of sustainable objectives of environmental policies and strategies and lower consumption of resources, thus promoting the transition from a linear economy model to a circular one, consisting of a continuous positive development cycle that preserves and improves natural capital, optimizing the use of resources. Soil and Water Bioengineering uses plants as living building material in environmental and landscape development works. Such works with low environmental impact, promote biodiversity and, in addition, offer a promising strategy for mitigation and adaptation to climate change. Thus, the use of adequate, sustainable, easy to find and low-cost materials are essential for the achievement of these objectives. Considering the great availability of residues resulting from the annual pruning of vines and the annual cleaning of beaches from the leaves of Posidonia oceanica in Sicily, the aim of this thesis is to describe and apply innovative Soil and Water Bioengineering techniques that involve the construction of modular structures made with organic waste materials, namely, the residues of vine pruning (vine shoots) and beachside P. oceanica (banquette). In fact, every year, the pruning of vines produces high quantity residues (vine shoots), which represent a biomass to be disposed. At the same time, the beaching of P. oceanica residues is considered a problem by the population. It conflicts with a number of economic activities (tourism, bathing establishments, etc.). Even though seagrasses have a fundamental ecological role to play in limiting coastal erosion and promoting the formation of the coastal dune system, the presence of P. oceanica residues along the coast can reduce the tourism value of beaches. As a result, local authorities are required to remove banquette and dispose of them in landfills. Therefore, the use of this biomass has a double beneficial effect. It constitutes a solution to the problem of waste disposal and an opportunity for the creation of local and low-cost new products. Moreover, this waste can also be used in the field of environmental restoration. Therefore, the residual biomass considered a resource and no longer as waste, and has ecological and economic value. From the viewpoint of the circular economy, vine shoots were assembled in the form of fascines to constitute the basic element used to create a fascinate module, a linear Soil and Water Bioengineering work with anti-erosive, consolidation and stabilization functions, while the residues of P. oceanica were used as a growing medium to render the work "alive" after planting with native species. A series of analyses and experiments were carried within the framework of the thesis, in order to i) characterize both materials and evaluate their suitability as constituents of fascines, ii) identify the most biotechnically suitable plant species for rendering the work “alive”, and iii) evaluate the functionality of the work as a whole using observations made on a small prototype of fascinate set up in experimental fields at the University of Palermo. Finally, an innovative fascinates construction technique is presented, which is the object of patenting by the University of Palermo and was developed during the activities of this research doctorate. First of all, we identified four wine-producing companies operating in Sicily and available to provide vine shoots just after pruning and free of charge. In order to estimate the durability of the experimental fascines, mechanical tests were carried out in the laboratory (tensile strength and modulus of elasticity) on 122 samples of 8 different vine shoot cultivars (Cabernet, Inzolia, Nero d' Avola, Grecanico, Grillo, Chardonnay, Sirah and Catarratto). The vine shoot samples, L=10 cm long and "normal" humidity (12%), were selected based on the criteria of absence of knots and imperfections, uniformity of diameter and straight longitudinal axis (cylindricality). The abiotic (mechanical) durability of the vine shoots was then estimated by means of flexural strength tests and measurement of tensile strength. Under the hypothesis of validity of Hook's law, flexural strength tests were carried out according to the three-point scheme up to the rupture of the lower fibres of the samples, which allowed to obtain the longitudinal elasticity modulus E (along the fibres) and the tensile strengthon the basis of the force/deformation diagram and tensile strength. The first results show that Cabernet, Grillo and Sirah vine shoots have the best flexural strength characteristics (greater rigidity) with a clear prevalence of Sirah (4878.6 MPa), while the vine shoots of Grecanico, Chardonnay, Catarratto and Nero d' Avola (1200 - 2000 MPa) are the most deformable. The highest values of tensile strength were found for the Cabernet (70 MPa). Consequently, by linking sample tensile strength to the corresponding elasticity modules, Cabernet and Chardonnay display the best resistance and durability characteristics, and could be used potentially as a building material in Soil and Water Bioengineering works. Therefore, Cabernet vine shoots have been suggested and used for the packaging of fascines in the experimental installation, together with Catarratto, which is the variety most cultivated in the region and, consequently, produces the largest quantity of annual biomass. P. oceanica residues were collected on the coast of Custonaci, Trapani (Southern of Italy). The “banquette” from which the residues were obtained is 4 metres high and extends hundreds of metres along the rocky coast behind Monte Cofano. P. oceanica residues were removed mechanically and deposited in a storage area created in the nearby Custonaci Park. In order to evaluate the reduction of salinity by natural runoff, the infiltration process that takes place in the residues of P. oceanica accumulated at the storage sites was studied. The investigation carried out on samples of P. oceanica residues subjected to rain of fixed intensity, allowed the development of a simplified theoretical model, valid for highly permeable porous storage. Furthermore, an analysis was performed in order to characterise P. oceanica residues from a physical and hydrological point of view and verify the applicability of a physical infiltration model for the estimation of delay time, starting from the beginning of the rainy event and ending with the storage site. The experimental protocol was studied in order to modify gradually the initial humidity conditions of the same sample and not modify the physical characteristics of the sample for the results to be homogeneous. The samples of P. oceanica residues, prepared in the laboratory with an apparent density equal to that measured on undisturbed samples at the storage site, were placed in metal rings, D = 200 mm, with free draining at the bottom, closed with non-textile and metal mesh containment. The infiltration tests were conducted with a rain simulator equal in diameter to that of the rings, and connected to a Mariotte bottle. In the test sequence, the initial humidity conditions varied from 0.030 to 0.197, while the drained volume increased from 0.030 to 0.32. Modification of the initial humidity condition had an effect on delay times. In particular, the times, with certain dispersion, increased by initial humidity conditions from the initial values of 3.87 minutes for the first test to 13.62 minutes for the last test. The apparent density empirically estimated as a function of the height H of the sample, showed a variation from 0.130g/cm3 to 0.140 g/cm3 which resulted in a reduction of porosity. The tests carried out showed that the compaction of P. oceanica residues played a decisive role during the infiltration process. Following this observation, the infiltration model on highly porous media was modified by introducing the effect of both compaction and that of the surface actually affected by the infiltration process. The infiltration law calibrated on the experimental data for rain intensity values varying from i=20 to i=100 mm/h, for P. oceanica storage, compared with the analogous infiltration law relative to soil with the same hydrological characteristics as stored P. oceanica. The difference in behaviour of the two media was revealed. P. oceanica residues show very short delay times in relation to soil (fast filtration); small differences are measured in the intensity and the initial humidity conditions. While the soil shows a typical monotonous reduction in delay times, for P. oceanica there is a slight increase in time after a given initial humidity condition, which indicates a slight reduction in permeability of the medium in this field. The reduction of salinity in P. oceanica residues was evaluated in the laboratory by means of a constant pressure washing process. P. oceanica residue samples show a high initial electrical conductivity (EC) value in drainage water (20 mS/cm) and a rapid reduction of the salt content with the first three unit washes. The six additional washings refined EC reduction to an acceptable level for agricultural use (2 mS/cm). The extreme values of the residue washing process were confirmed by salinity analysis using the standard method with dilution 1:20. The reduction of the salt content of P. oceanica residues was also achieved in a sustainable way by means of natural runoff in open storage for more than one year (≈ 500 mm/year of rain). The measurements taken at the first unit wash showed an EC of 1.8 mS/cm, which was reduced by 33.3% (CE=1.2 mS/cm) after the second unit wash. The most biotechnically suitable plant species were then identified to make the work “alive” by means of laboratory tests of Tr tensile strength of the roots. The native plant species used to make the fascine “alive” were collected at 5 different stations in the province of Palermo. The high tensile strength values of the roots of the plants considered in the study (A. mauritanicus, O. miliaceum, H. coronarium. M. lupulina, L. spartum, B. distachyon, R. officinalis, R. Coriaria and S. junceum) confirm their suitability in the field of environmental restoration, slope stabilization and landslide prevention. In particular, S. junceum displayed the best biotechnological characteristics in relation to the tension/diameter law and has therefore been identified as a material to be used for making fascine “alive”. A more detailed analysis of the morphological parameters of S. junceum roots, growing at two different positions (plane and slope of 22°- 28°- 40°), showed that the position on the slope significantly influences the root system of the plant and the overall architecture of the root system at the three sampling sites (A, B and C). In the tensile strength tests carried out, in accordance with the greater development and the different radical architecture, the samples of break strength values taken in a slope position showed the highest break strength values. As regards the lowest diameters (0.5 mm), the break strength values are similar (61-70 MPa) in the two positions, while for larger diameters (2 mm) the break strength values of plane samples are lower than those of slope samples. In fact, they range from 20 MPa to almost 80 MPa at site A, 20 MPa to 50 MPa at site B, and 20 MPa to 40 MPa at site C. In the experimental installation, we estimated the growth of S. junceum planted in different substrates. The first evidence shows that the plants grown on the substrate consisting of P. oceanica residues showed the highest percentage of rooting and the greatest aerial growth (121.3 cm). This result can, most probably, be attributed to the physical properties and insulating capacity of the residues. In fact, the increased draining capacity of the substrate of P. oceanica residues, detected during infiltration tests, may have played a positive role in plant rooting and development. The micro-climate inside the fascines was estimated with temperature measurements using hobo data logger sensors inserted at a depth of 5 cm from 14.07.2017 to 20.11.2017, carried out continuously and with a time interval of 30 minutes. The data were recorded: a) in the external environment, b) inside the P. oceanica residues contained in fascines and c) in the land adjacent to the installation. A total of 6201 temperature values were collected by each of the three sensors. The temperature measurements showed the high insulating capacity of the P. oceanica residues, which manifested itself with a significant attenuation, at root level, of the maximum temperatures (36.6°C) in P. oceanica residues and daily minimum temperatures (9.7°C), compared to the maximum temperatures (55.1°C) and minimum temperatures (5.6°C) measured in the external environment during the two periods considered (summer and autumn). The lowest average temperatures were recorded in P. oceanica residues inside fascines, both in the summer period (25.7±3.6) and throughout the measurement period (21.8±5.2). It is interesting to note that the thermal insulation role of this material in the building industry also applies to agriculture. Finally, the research carried out during the three years of doctoral studies has led to the improvement of the fascinate production technique, and this methodology is subject to a patent application filed by the University of Palermo. The benefits of the new methodology compared to current technologies can be summarised as follows: • The proposed product makes "structural", with a module connection system, a work frequently used in Soil and Water Bioengineering that is not statically resistant to the actions of soil thrust. • Sustainable reuse of organic waste materials with consequent economy of construction. • Mechanisation of modular manufactured products, which in current practice provides for assembly only by hand with consequent reduction of construction time and costs. • Reduction of installation time for hydrogeological protection structures. The advanced innovative technique, to be developed with future experimental installations, has provided for the construction of a modular building made with eco-compatible materials at low cost; vine pruning residues (vine shoots) and Posidonia oceanica beaches (banquette). Vine pruning residues and P. oceanica residues were also used in a project, funded by the European Community, to the Municipality of Custonaci entitled " Primi interventi finalizzati a contenere il fenomeno della desertificazione del territorio Comunale Parco sub-urbano Portella del Cerriolo". European Union quality controls on these works has shown the excellent results achieved with the waste materials. For this reason, the EU has suggested project application as “best practices” in the mediterranean area for combating desertification. The use of these two materials, namely agricultural production waste and solid waste which are widely available in both in Sicily and most of the Mediterranean area, constitutes an efficient use of resources (sustainable use) that is low-cost, energy efficient and totally respects the environment.
La popolazione mondiale è in continua espansione e la crescita demografica ed economica inducono allo sfruttamento progressivo dell’ambiente ed al depauperamento delle risorse naturali (acqua ed energia in particolare), con conseguenti impatti potenzialmente importanti sul cambiamento globale. Si rende, pertanto, necessaria ed urgente una più efficiente gestione delle risorse basata sulla rielaborazione di obiettivi sostenibili di politiche e strategie ambientali e sulla riduzione del consumo delle risorse, promuovendo la transizione da un modello di economia lineare ad uno circolare, costituito da un ciclo continuo di sviluppo positivo che preserva e migliora il capitale naturale, ottimizzando l'utilizzo delle risorse a tutte le scale. Come noto, l’Ingegneria Naturalistica (IN) utilizza le piante come materiale da costruzione nelle opere per la riqualificazione ambientale e paesaggistica del territorio. Le opere di IN sono infatti a basso impatto ambientale ed in grado di innescare processi di rinaturalizzazione che favoriscono la biodiversità, offrendo una promettente strategia di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici. Fondamentale per il raggiungimento di questi obiettivi, risulta essere quindi l’uso di materiali adeguati, sostenibili, di facile reperimento e basso costo. Tenuto conto della grande disponibilità dei residui derivanti dalla potatura annuale delle viti (sarmenti) e dallo spiaggiamento annuale delle foglie di Posidonia oceanica (banquette) in Sicilia, la presente tesi ha come obiettivo principale la descrizione e l’analisi di questi nuovi materiali organici di scarto in relazione alla possibilità di uso degli stessi in opere di Ingegneria Naturalistica. Ogni anno infatti la potatura dei vigneti produce un elevato quantitativo di residui (sarmenti), che rappresentano una biomassa da smaltire; nel contempo, il fenomeno dello spiaggiamento dei residui di P. oceanica è percepito come un disagio dai cittadini, entrando in conflitto con alcune attività economiche (turismo, stabilimenti balneari, ecc). Nonostante il fondamentale ruolo ecologico che rivestono le fanerogame marine sia per limitare l’erosione della costa che per favorire la formazione del sistema dunale costiero, la presenza di residui di P. oceanica lungo la costa può comportare la riduzione del valore turistico delle spiagge; conseguentemente è richiesta alle amministrazioni locali la rimozione delle banquette ed il loro conferimento in discarica. L'utilizzo della biomassa prodotta comporta quindi un duplice vantaggio: la risoluzione del problema dello smaltimento dei residui prodotti e la creazione di nuovi prodotti, locali ed a basso costo, riutilizzabili anche nel campo del risanamento ambientale. La biomassa residuale viene vista in questo modo come una risorsa e non più un rifiuto, acquisendo un valore sia dal punto di vista ecologico che dal punto di vista economico Nell’ottica dell’economia circolare, i sarmenti sono stati assemblati in forma di fascina per costituire l’elemento base per realizzare il modulo di una fascinata, opera lineare di IN con funzioni antierosive, consolidanti e di stabilizzazione, mentre, i residui di P. oceanica sono stati utilizzati come substrato di coltivazione per rendere “viva” l’opera dopo la messa a dimora di specie autoctone al suo interno. Nella tesi sono state eseguite una serie di analisi e sperimentazioni volte: i) a caratterizzare i due materiali per valutarne l’idoneità come costituenti della fascina, ii) ad individuare le specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera, iii) ad eseguire una prima valutazione sulla funzionalità dell’opera nel suo insieme utilizzando osservazioni fatte su un piccolo prototipo di fascinata messa in opera nei campi sperimentali dell’Università di Palermo. Viene infine presentata una tecnica costruttiva innovativa delle fascinate oggetto di brevettazione da parte dell’Università degli Studi di Palermo e sviluppata nel corso delle attività di questo dottorato di ricerca. Con l’obiettivo di stimare indicatori di resistenza e durabilità delle fascine sperimentali sono state, in primo luogo, individuate quattro aziende vitivinicole che operano nel territorio siciliano, disponibili a fornire a titolo gratuito i sarmenti appena potati. Le prove meccaniche di resistenza a flessione (valutazione di tensioni di rottura e modulo di elasticità) sono state quindi eseguite su 122 provini di 8 differenti cultivar di sarmento (Cabernet, Inzolia, Nero d'Avola, Grecanico, Grillo, Chardonnay, Sirah e Catarratto). I provini di sarmento, di lunghezza L=10 cm ed umidità “normale" (12%), sono stati selezionati con criterio di assenza di nodi ed imperfezioni, uniformità di diametro ed asse longitudinale rettilineo (cilindricità). Sotto l’ipotesi di validità della legge di Hook, le prove di resistenza a flessione eseguite secondo lo schema a tre punti (3 point bending test) sino alla rottura delle fibre inferiori dei provini, hanno permesso di ricavare il modulo di elasticità longitudinale (lungo le fibre), E, e la tensione di rottura sulla base dei diagrammi sforzo/deformazione e della forza a rottura. Dai primi risultati si rileva come i vitigni Cabernet, Grillo e Sirah presentino le migliori caratteristiche di resistenza flessionale (maggiore rigidità) con netta prevalenza del Sirah (4878.6 MPa), mentre più deformabili risultano essere i sarmenti di Grecanico, Chardonnay, Catarratto e Nero d’Avola (1200 - 2000 MPa). I valori maggiori di tensioni di rottura si riscontrano invece per il Cabernet (70 MPa). Nel complesso, mettendo in relazione le tensioni di rottura campionarie ai corrispondenti moduli di elasticità, le migliori caratteristiche di resistenza e di maggiore durabilità riscontrate sono quelle del Cabernet e dello Chardonnay, che possono quindi trovare potenziale impiego come materiale da costruzione nelle opere di Ingegneria Naturalistica. Pertanto, i sarmenti di Cabernet sono stati utilizzati per il confezionamento delle fascine nell’installazione sperimentale, insieme al Catarratto che è la cultivar maggiormente coltivata nella regione e che, conseguentemente, produce il maggior quantitativo di biomassa annuale. L’area di prelievo dei residui di P. oceanica è stata individuata nella costa prospicente l’abitato di Custonaci in provincia di Trapani. La banquette dalla quale sono stati prelevati i residui presenta un’altezza di 4 m e si estende per centinaia di metri lungo la costa rocciosa alle spalle di Monte Cofano. I residui di P. oceanica spiaggiata sono stati rimossi meccanicamente e depositati in un’area di stoccaggio appositamente realizzata nel vicino Parco Sub urbano di Custonaci. Allo scopo di valutare l’abbattimento della salinità a mezzo dilavamento naturale è stato studiato il processo di infiltrazione che si attua nei residui di P. oceanica accumulata nei siti di stoccaggio. Un contributo alla caratterizzazione idrologica dei residui di P. oceanica è stato fornito eseguendo una sperimentazione su campioni di residui sottoposti ad una pioggia di fissata intensità, al fine di mettere a punto un modello semplificato di infiltrazione, valido per ammassi porosi altamente permeabili. Più precisamente il modello di infiltrazione a base fisica adottato stima il tempo di ritardo, (o di primo gocciolamento) ovvero il tempo necessario affinchè il fronte di umidità, a partire dall’inizio dell’evento piovoso, raggiunga la base dell’ammasso. Il protocollo di sperimentazione è stato studiato in modo da variare progressivamente le condizioni iniziali di umidità sullo stesso campione così da non alterare le caratteristiche fisiche del campione stesso rendendo omogenei i risultati. I campioni di residui di P. oceanica, preparati in laboratorio con una densità apparente, pari a quella misurata su campioni indisturbati nel sito di stoccaggio, sono stati posti in anelli metallici di diametro, D = 200 mm liberamente drenanti al fondo, chiusi con tessuto non tessuto e rete metallica di contenimento. Le prove di infiltrazione sono state condotte con un simulatore di pioggia di diametro pari a quello degli anelli, alimentato con una bottiglia di Mariotte (pressione costante). Nella sequenza delle prove le condizioni iniziali di umidità sono variate da 0.030 a 0.197, mentre il volume drenato, si è incrementato da 0.030 a 0.32. La condizione iniziale di umidità ha influenzato i tempi di ritardo che sono passati dai 3.87 minuti della prima prova ai 13.62 minuti dell’ultima prova. La densità apparente, stimata empiricamente in funzione dell’altezza H del campione, ha mostrato una variazione, da 0.130 a 0.140 g/cm3 che ha comportato una riduzione della porosità. Dalle prove eseguite è emerso come la compattazione dei residui di Posidonia abbia giocato un ruolo determinante durante il processo di infiltrazione. Sulla base di questa osservazione il modello teorico di infiltrazione adottato, valido su mezzi altamente porosi ma a porosità costante, è stato modificato introducendo sia l’effetto della compattazione che quello della parzializzazione della superficie effettivamente interessata dal processo di infiltrazione. La legge di infiltrazione tarata sui dati sperimentali per valori dell’intensità di pioggia variabili da i=20 a i=100 mm/h, per un ammasso di P. oceanica, messa a confronto con l’analoga legge di infiltrazione relativa ad un terreno con stesse caratteristiche idrologiche della P. oceanica, ha evidenziato in definitiva la differenza di comportamento dei due media. I residui di P. oceanica mostrano rispetto al terreno, tempi di ritardo molto brevi (infiltrazione veloce), poco variabili sia con l’intensità che con le condizioni iniziali di umidità. Per condizioni di umidità iniziale superiori a 0.15 i tempi di ritardo per il campione dei residui di P. oceanica tendono a crescere all’aumentare dell’umidità indicando, in questo campo, una lieve riduzione della permeabilità del mezzo. L’abbattimento della salinità nei residui di P. oceanica è stato valutato in laboratorio simulando in un campione un processo di lavaggio a pressione costante. I campioni di residui di P. oceanica appena spiaggiati mostrano un elevato valore di conducibilità elettrica (CE) iniziale nell’acqua di drenaggio ( 20 mS/cm) ed un rapido abbattimento del contenuto in sali già con i primi tre lavaggi unitari (di peso pari al peso del materiale dilavato). Gli ulteriori sei lavaggi hanno affinato la riduzione di CE fino al raggiungimento di valori accettabili all’utilizzo agricolo ( 2 mS/cm). Assunta una densità della P. oceanica pari a 0,1 g/cm3 un lavaggio unitario di un ammasso alto un metro corrisponde allora ad un volume d’acqua specifico di 100 mm. I valori estremi del processo di lavaggio dei residui appena spiaggiati sono stati confermati da analisi di salinità svolte secondo metodo standard con diluizione 1:20. L’abbattimento del contenuto salino dei residui di P. oceanica accumulati nel deposito all’aperto di Custonaci è avvenuto, in modo sostenibile, a mezzo di un dilavamento naturale durato poco più di un anno che ha ridotto il valore di CE a 2,8 mS/cm. Tale riduzione concorda con le sperimentazioni fatte, infatti, tenuto conto che la precipitazione media annua alla stazione pluviografica di S. Vito Lo Capo vale 474 mm e che lo spessore medio dell’ammasso è di 1 m, il deposito è stato soggetto a circa 6 lavaggi unitari che sono bastati per abbattere significativamente il valore di CE. Ulteriori lavaggi unitari applicati ad un campione di P. oceanica prelevato dal deposito hanno portato ad un CE pari a 1,8 mS/cm, dopo il primo lavaggio, che si è ridotto ulteriormente del 33,3% (CE=1,2 mS/cm) al terzo lavaggio unitario. L’individuazione delle specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera è stata condotta a mezzo di prove di resistenza a trazione, Tr, delle radici. Il prelievo delle specie vegetali autoctone da utilizzare per rendere vive le fascine è stato eseguito in 5 differenti stazioni nella provincia di Palermo. Gli elevati valori di tensioni di rottura delle radici delle specie vegetali prese in esame nello studio (A. mauritanicus, O. miliaceum, H. coronarium. M. lupulina, L. spartum, B. distachyon, R. officinalis, R. coriaria e S. junceum) confermano la loro adeguatezza nel campo del ripristino ambientale, della stabilizzazione dei versanti e nella prevenzione delle frane. In particolare S. junceum ha mostrato le migliori caratteristiche biotecniche in termini di legge tensioni/diametri e quindi è stato individuato come materiale da utilizzare preferibilmente per rendere vive le fascine. Da un’analisi più approfondita delle radici di S. junceum che crescono nelle due differenti giaciture di piano e di pendenza (22°- 28°- 40°), è stato possibile evidenziare come la giacitura in pendenza influenzi significativamente sia l’architettura complessiva del sistema radicale che lo stato tensionale dello stesso. L’indagine è stata eseguita in tre siti di prelievo (A, B e C) tutti in provincia di Palermo Nelle prove di trazione effettuate, in accordo con il maggiore sviluppo e la differente architettura radicale, i campioni di S. junceum prelevati in giacitura di pendenza hanno presentato i valori di tensione a rottura mediamente più alti. In corrispondenza dei diametri più bassi (0,5 mm) i valori di tensione a rottura sono risultati molto simili (61-70 MPa) nelle due giaciture mentre in corrispondenza dei diametri maggiori (>1 mm) la tensione a rottura dei campioni in piano risulta minore rispetto ai campioni in pendenza. Il test di covarianza (ANCOVA) applicato al campione delle tensioni di rottura con covariata il Diametro e variabili indipendenti il sito (A, B, C) e la giacitura (piano, pendenza) ha permesso di considerare non significativa la differenza tra i siti (suoli) e significativa la differenza tra le due giaciture. Nell’installazione delle fascine sperimentali si è stimata la crescita delle piantine in fitocella di S. junceum messe a dimora in diversi substrati. Dalle prime evidenze le piante cresciute sul substrato costituito dai residui di P. oceanica hanno presentato la maggior percentuale di attecchimento e la maggiore crescita epigea. Tale risultato può essere, con buona probabilità, attribuito alle proprietà fisiche ed alla capacità isolante dei residui. Difatti, la maggiore capacità drenante del substrato costituito dai residui di P. oceanica, rilevato durante le prove di infiltrazione, sembra aver giocato un ruolo positivo nell’attecchimento e sviluppo della pianta. Il controllo del microclima all’interno delle fascine è stato eseguito con misure di temperatura rilevate ad intervalli di 30 minuti da sensori hobo data logger inseriti ad una profondità di 5 cm, lasciati indisturbati per tutta la durata delle misure (dal 14.07.2017 al 20.11.2017). I dati sono stati misurati: a) nell’ambiente atmosferico, b) all’interno dei residui di P. oceanica contenuti nelle fascine e c) nel terreno contiguo all’istallazione. In totale sono stati raccolti 6201 valori di temperatura per ognuno dei tre sensori. Le misure di temperatura hanno evidenziato l’elevata capacità isolante dei residui di P. oceanica che si è manifestata con una significativa attenuazione, a livello dell’apparato radicale, delle temperature massime (36.6°C) nei residui di Posidonia e minime giornaliere (9.7°C), rispetto alle temperature massime (55.1°C) e minime (5.6°C) misurate nell’ambiente esterno nei due periodi considerati (estate e autunno). Le temperature medie più basse si sono registrate nei residui di Posidonia all’interno delle fascine, sia nel periodo estivo (25.7±3.6) che nell’arco temporale delle misure (21.8±5.2). È interessante osservare come il ruolo che tale materiale ha nel campo dell’edilizia come isolante termico possa risultare di interesse anche nel campo della coltivazione di specie vegetali. Infine, la ricerca svolta nei tre anni di dottorato ed i risultati conseguiti hanno portato al miglioramento della tecnica di realizzazione della fascinata le cui metodologie sono oggetto di una domanda di brevetto depositata dall’Università di Palermo. I vantaggi della nuova metodologia rispetto alle tecnologie attuali, possono sintetizzarsi come segue: • Riutilizzo sostenibile di materiali organici di scarto (sarmenti e P. oceanica spiaggiata e dilavata) con conseguente economia di realizzazione di una fascinata (opera I.N. lineare di consolidamento e protezione idrogeologica). • Meccanizzazione della produzione dei manufatti modulari (fascina) costituenti l’opera, che nell’attuale pratica prevede un assemblaggio solo di tipo manuale, con conseguente riduzione dei tempi di costruzione e dei costi ad esso associati. • Il prodotto proposto rende “strutturale”, con un sistema di collegamento dei moduli, un’opera che staticamente non è resistente alle azioni di spinta delle terre. • Riduzione dei tempi di messa in opera del manufatto lineare. Con la tecnica innovativa avanzata, grazie alla caratteristica strutturale del manufatto, si potranno realizzare opere su più piani (non più di tre) o opere chiuse. I residui di potatura della vite ed i residui di P. oceanica sono stati utilizzati anche nell’ambito di un progetto, finanziato dalla Comunità Europea, al Comune di Custonaci dal titolo “Primi interventi finalizzati a contenere il fenomeno della desertificazione del territorio Comunale Parco sub-urbano Portella del Cerriolo”. Recenti controlli di qualità dell’Unione Europea sulle opere realizzate con i suddetti materiali di scarto nel Parco sub-urbano Portella del Cerriolo a Custonaci, hanno evidenziato gli ottimi risultati raggiunti dal progetto. Per tale motivazione, La UE ha proposto la candidatura del suddetto progetto come best practices nell’area mediterranea per la lotta al fenomeno della desertificazione. L’uso dei due materiali, che rappresentano uno scarto di produzione agricola ed un rifiuto solido, ampiamente presenti sia in Sicilia che nella maggior parte dell’area mediterranea, si inquadra in un uso efficiente delle risorse (riuso sostenibile), nel risparmio economico ed energetico e nel pieno rispetto dell’ambiente.
Soil and Water Bioengineering, organic waste materials, vine pruning residues, Posidonia oceanica residues, fascines, Spartium junceum.
Ingegneria Naturalistica, riutilizzo di materiali organici, sarmenti, residui di Posidonia oceanica, fascine, Spartium junceum.
Bioingeniería del paisaje, reutilización de materiales orgánicos, residuos de poda de vid, residuos de Posidonia oceanica, fajinas, Spartium junceum.
Calvo, R.REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE PODA DE VID Y DE POSIDONIA OCEANICA EN LAS OBRAS DE BIOINGENIERÍA DEL PAISAJE.
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