EXPERIMENTAL STUDY OF RILL FLOW RESISTANCE AT PLOT SCALE

Erosive processes are a relevant environmental problem of our society. In fact, these processes have many consequences reducing the soil fertility and productivity, worsening air and water quality and impacting the biodiversity reducing the variety of communities. Water erosion is one of the most determining phenomena regarding soil erosion and soil loss. Soil loss due to water erosion is a natural and inevitable phenomenon, but it can become intolerable in particular conditions often determined by anthropic factors (Di Stefano and Ferro, 2016). Water erosion processes are generally characterized as either interrill or rill erosion. On interrill areas, characterized by spread flow (overland flow), the main erosion process is due to raindrop impact, and the sediment is transported by flow from these areas to rills. Instead, rills are small, shallow, and ephemeral flow paths which work as sediment sources and are able to transport particles delivered from interrill areas and those detached by rill flow along the rill wetted perimeter (Di Stefano et al., 2013). Rill erosion is the main sediment source at hillslope scale and more than 80% of the eroded particles from hillslopes are transported in rills (Mutchler and Young, 1975). The study of the physical processes and mechanisms which determine water erosion becomes a fundamental tool to understand in a better way the problem, estimate the soil loss and try to manage it. The rill erosion strictly depends on hydraulic characteristics of the flow which moves within the rill (Foster et al., 1984) and for this reason to study and model rill erosion processes, in addition to flow discharge Q, other hydraulic characteristics, as width w, water depth h, mean flow velocity V, and roughness coefficient, must be defined (Gilley et al., 1990). One of the most common available approach to estimate the mean flow velocity in rills, notwithstanding the difference between them and rivers, is the use of classical hydraulic equations, such as Manning's and Chezy's equation. In this dissertation experimental investigations were carried out to determine the rill flow resistance law, analyzing the behavior and the contribution to the total resistance of the grain component, due to the characteristic dimension of the elements which determine bed roughness, morphological resistance, due to bed forms as step-pools, and the resistance related to sediment transport phenomena. A theoretical flow resistance law was deduced integrating a power flow velocity profile (Ferro, 1997, 2003), obtained applying the dimensional analysis (Barenblatt, 1993; Ferro, 1997) and the self-similarity hypothesis (Ferro and Pecoraro, 2000; Di Stefano et al., 2017b; Ferro, 2017). Rills were manually shaped on plots and deepened by a clear flow and experimental runs were carried out on rill reaches to measure mean flow velocity, water depth, cross-section area, wetted perimeter, and channel slope. An image-based technique, which couples Structure from Motion (SfM) and Multi-View Stereo (MVS), was applied for obtain the ground measurements by 3D models. The plots were filled with five different soil types, the plot slopes sp varied from 9 to 26%, and both mobile and fixed bed conditions were examined. Using the obtained measurements three analyses were developed. For the first investigation 472 experimental runs, characterized by different soil textures and slopes, were used to calibrate and test the equation to estimate the Γ function of the velocity profile and consequently obtain the flow resistance law. The different soil textures were represented by clay and silt percentage. The analysis demonstrated that clay and silt fractions of the investigated soils are sufficient for representing the effect of erosion and transport of soil particles on rill flow velocity. In fact, the friction factor increases when silt fraction increases (high detachability) and clay fraction decreases (low transportability). In other words, this result expresses that the increase of flow resistance due to sediment load is affected by both soil detachability and transportability. The second investigation, carried out using 199 experimental runs for which step-pools occurred, allowed to calibrate and test the equation to estimate the Γ function for both mobile and fixed bed rills characterized by the occurrence of the morphological resistance. The equation calibrated by mobile bed rills is applicable to the fixed bed condition and this result is explainable since the effect of sediment transport on the flow resistance law can be considered negligible respect to the form-induced flow resistance (spill resistance) due to the presence of step-pools structures. The analysis confirmed that the step-pool configuration is characterized by Darcy-Weisbach friction factor values higher than those obtained for rills with a flat bed. The aim of the third and last analysis was to evaluate the contribution of the resistance due to sediment transport on total one comparing the runs carried out on mobile and fixed bed rills for two different databases. For these experimental conditions this type of resistance resulted often negligible. The theoretical approach resulted successful and was characterized by low errors in the estimate of the Darcy-Weisbach friction factor for the three conducted analyses. In all cases the “feedback mechanism” hypothesis suggested by Govers (1992), for which the mean flow velocity is independent by the slope gradient, was confirmed. For fixed bed runs this result can be justified by a “frozen” feedback caused by mobile bed runs before fixing operations or by the shaping phase. In conclusion, the estimate of the Γ function of the velocity profile and the application of the theoretical flow resistance is successful and reliable for both grain and morphological resistance and is also useful to investigate sediment transport effects.

I processi erosivi costituiscono un rilevante problema ambientale con impatto anche di tipo socioeconomico. Infatti, questi processi determinando l’asportazione degli strati superficiali di suolo, causano la riduzione della fertilità e produttività del suolo, e hanno un considerevole impatto sulla biodiversità. La perdita di suolo dovuta all’erosione idrica è un fenomeno naturale ed inevitabile, che può divenire intollerabile in condizioni particolari che spesso dipendono da fattori antropici (Di Stefano e Ferro, 2016). I processi di erosione idrica sono generalmente caratterizzati dall’erosione interrill o rill. Nelle aree interrill, caratterizzate da correnti overland, il processo erosivo preponderante è dovuto all’impatto delle gocce di pioggia, e il sedimento viene trasportato dalla corrente da queste aree verso i rill. I rill, invece, sono solchi di modeste dimensioni planimetriche, poco profondi ed effimeri, che operano come principale sorgente di sedimento, in cui vengono trasportate le particelle provenienti delle aree interrill e quelle distaccate dalla superficie laterale del rill stesso (Di Stefano et al., 2013). L’erosione rill rappresenta la principale fonte di sedimento a scala di versante dato che più dell’80% delle particelle erose nei versanti è trasportato nei rill (Mutchler e Young, 1975). Lo studio dei processi fisici e dei meccanismi che determinano l’erosione idrica risulta necessario per meglio comprendere il fenomeno erosivo e per stimare i valori di perdita di suolo. L’erosione rill dipende strettamente dalle caratteristiche idrauliche della corrente che muove all’interno del rill (Foster et al., 1984), per cui al fine di studiare e modellare i processi erosivi, oltre alla portata Q, devono essere determinate altre caratteristiche idrauliche, come la larghezza w, il tirante idrico h, la velocità media della corrente V, e l’indice di scabrezza (Gilley et al., 1990). Nonostante le differenze tra i rill e i corsi d’acqua, uno degli approcci più comuni per la stima della velocità media della corrente nei rill è basato sull’utilizzo delle equazioni dell’idraulica classica, come quelle di Manning o di Chezy. Nella presente Tesi sono presentati i risultati di sperimentazioni condotte per la determinazione della legge di resistenza al moto nelle correnti rill. È stato, inoltre, analizzato il contributo alle resistenze totali della componente grain, dovuta alla dimensione caratteristica degli elementi che determinano la scabrezza, della morphological resistance, dovuta alle forme di fondo come gli step-pool, e della resistenza dovuta al trasporto solido. Una legge teorica di resistenza al moto è stata dedotta a partire dall’integrazione del profilo potenziale di velocità della corrente (Ferro, 1997, 2003), ottenuto applicando l’analisi dimensionale (Barenblatt, 1993; Ferro, 1997) e l’ipotesi di auto-similitudine incompleta (Ferro e Pecoraro, 2000; Di Stefano et al., 2017b; Ferro, 2017). I rill sono stati incisi manualmente su due parcelle, modellati con una corrente limpida e le prove sperimentali sono state condotte in tratti di rill al fine di misurare la velocità media della corrente, il tirante idrico, l’area delle sezioni trasversali, il contorno bagnato e la pendenza del tratto. Un metodo di rilievo di tipo image-based, che combina le tecniche Structure from Motion (SfM) e Multi-View Stereo (MVS), è stato applicato per realizzare il modello 3D dei rill. Sono stati utilizzati cinque differenti tipi di suolo, con pendenza variabile tra il 9 e il 26%, e sono state eseguite prove sia a fondo mobile che fisso. Le misure ottenute hanno consentito di sviluppare tre differenti analisi. Per la prima analisi sono state utilizzate 472 misure sperimentali, caratterizzate da differenti tessiture del suolo e pendenze della parcella, per calibrare e verificare l’equazione per la stima della funzione Γ del profilo di velocità e determinare, conseguentemente, la legge di resistenza al moto. Nella relazione proposta, la tessitura è rappresentata dal contenuto percentuale di argilla e limo. L’analisi ha mostrato che sia la frazione argillosa che quella limosa, rappresentative della distaccabilità e trasportabilità delle particelle di suolo, condizionano la velocità media della corrente rill. Infatti, l’indice di scabrezza aumenta all’aumentare della frazione limosa (elevata distaccabilità) e al diminuire della frazione argillosa (bassa trasportabilità). In altri termini, il risultato ottenuto dimostra che l’incremento di resistenza al moto dovuto al carico solido è influenzato sia dalla distaccabilità che dalla trasportabilità delle particelle di suolo. La seconda analisi, condotta utilizzando 199 misure sperimentali ottenute in presenza di step-pool nei rill, ha permesso di calibrare e verificare l’equazione per la stima della funzione Γ sia per rill a fondo mobile che per rill a fondo fisso. L’equazione calibrata per i rill a fondo mobile è risultata applicabile anche alle misure ottenute su fondo fisso perché l’effetto del trasporto solido sulle resistenze al moto può essere ritenuto trascurabile rispetto alle resistenze dovute alla morfologia a step-pool. La configurazione di rill con step-pool è risultata caratterizzata da valori dell’indice di resistenza di Darcy-Weisbach più elevati di quelli ottenuti per rill a fondo mobile senza forme di fondo. Lo scopo della terza ed ultima analisi è stato quello di valutare il contributo della resistenza al moto dovuta al trasporto solido rispetto alla resistenza totale utilizzando le misure effettuate su rill a fondo piano, sia mobile che fisso per due differenti database. Per le condizioni sperimentali esaminate questo tipo di resistenza è risultata spesso trascurabile. Per le tre analisi effettuate, l’approccio teorico è risultato applicabile in quanto sono stati ottenuti bassi valori degli errori nella stima dell’indice di resistenza di Darcy-Weisbach. In tutti i casi esaminati l’ipotesi del meccanismo “feedback” proposta da Govers (1992), per la quale la velocità media della corrente è indipendente dalla pendenza, è stata confermata. Per le prove effettuate su rill a fondo fisso questo risultato può essere spiegato da un effetto feedback “memorizzato”, determinato dalle prove a fondo mobile effettuate prima delle operazioni di irrigidimento dei solchi o dalla fase di modellamento. In conclusione, la stima della funzione Γ del profilo di velocità e la conseguente applicazione della legge teorica di resistenza al moto è risultata affidabile sia nel caso di rill a fondo piano (grain resistance), sia nel caso di rill con step-pool (morphological resistance). La suddetta equazione ha consentito anche di valutare l’effetto del trasporto solido sulla resistenza al moto della corrente rill.