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MoDiTeLongarone (BL), 20 marzo 2009

MODELLI PER LA GESTIONEDI SEDIMENTI A SCALA DI BACINO

IN PRESENZA DI SERBATOIE DI ALTRI INTERVENTI ANTROPICI

G. Di SilvioUniversità degli Studi di Padova

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ANALOGIA FRA SEDIMENTI& RISORSE IDRICHE

Precipitazioni Portate liquide(coefficienti di deflusso e trasferimento)

Produzione di sedimenti Trasporto solido(delivery ratio)

MODELLI IDROLOGICI E IDRAULICI

MODELLI MORFOLOGICI

Pericolo/Costo Risorsa/Beneficio

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EVOLUZIONE STORICADELLE ATTIVITÀ DI INTERVENTO

● DIFESA & UTILIZZAZIONE[ARGINI, DIGHE, TRAVERSE, CANALI NAVIGABILI, CAVE, …](Singole costruzioni indipendenti: pura idraulica)

● GESTIONE DEL BACINO FLUVIALE[PREVISIONI DI PIENA, USO PLURIMO DELL’ACQUA, STRATEGIE INTEGRATE, …](Autorità e Piani di Bacino: idraulica & idrologia)

● RESTAURO & RECUPERO AMBIENTALE[CORRIDOIO FLUVIALE LIBERO, GOLENE E ISOLE APERTE, RIPRISTINO DELLAMORFOLOGIA, …]

(Ri-naturalizzazione: idrologia, idrodinamica, morfodinamica, biodinamica)

Importanza

crescente

del trasporto

solido e dei

processi di

sedimentazione

e deposito

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PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE

Restauro (totale o parziale)dell’ambiente fluviale pristino

● Vincoli tecnici e socio-economici● Compatibilità ambientale● Sostenibilità

Alcuni esempi, in particolare:PRESENZA DI SERBATOI

5

PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE

Ricostruzionedella morfologia

“Rapide & Pozze”

● OBIETTIVO ANTROPICO: DIFESA DALLE PIENE & ACCESSIBILITÀ FLUVIALE

Fondo stabile e scala delle portate costante

● OBIETTIVO AMBIENTALE: AUMENTARE LA DIVERSITA MORFOLOGICA & BIOLOGICA

Riduzionedella pendenza

con sogliedi calcestruzzo

Fondo instabilee distruzione periodicadella morfologia(T = 10÷20 anni)*Rinforzo artificialedelle strutture naturali

ESEMPIO 1 : FIUMI DI MONTAGNA

Qmax

Q

QmaxQ

6

PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE

Riattivazione parziale di canali secondari

tramite abbassamento della quota dei pennelli

● OBIETTIVO ANTROPICO: MIGLIORARE LA NAVIGAZIONE (Germania, Austria, …)Canale navigabilepiù profondo:eliminazionedi barre mobilie di rami vaganti

● OBIETTIVO AMBIENTALE: INCREMENTO ZONE UMIDE

Approfondimentodi un canale

quasi dritto con pennelli trasversali

Diminuzione della portata nel canale navigabile:ancora barre mobilie rami vaganti

ESEMPIO 2 : FIUME DI PIANURA

Canali secondari residui

Canalisecondari riattivati

Pennelli

Pennelli ribassati

7

PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE

Riattivazione parziale dei canali secondari

tramite abbassamentodella quota dei pennelli

● OBIETTIVO ANTROPICO: MIGLIORARE LA NAVIGAZIONE (Italia, Francia, …)Canale di navigazione curvo ma stabile: eliminazionedi barre mobilie rami vaganti

● OBIETTIVO AMBIENTALE: INCREMENTO ZONE UMIDE

Meandri “forzati”per mezzo

di curve fisse

Tendenza al ritornodella morfologiaprecedente.

ESEMPIO 3 : FIUME DI PIANURA

Canali secondari residui

Canali secondari riattivati

Pennelli

Pennelli ribassati

*Con pennelli longitudinali: soluzionepiù flessibile della (2)

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PROGETTI DI RINATURALIZZAZIONE

Allargamentodel canale principale.

Abbassamento di quota delle golene e isole(co-finanziamento!).

Ripristinodelle zone umide

● OBIETTIVO ANTROPICO: REGOLAZIONE E DIVERSIONE DEGLI AFFLUSSI (DIGHE O TRAVERSE)Golene e isoletendono a fissarsie a sviluppare vegetazione permanente(Rischiodi inondazioneper Q eccezionale)

Canale principale piùstretto e profondo,

rami secondari obliterati, interrimento

di golene e isole

Possibile ritornoverso la morfologiaprecedente

ESEMPIO 4 : FIUME PEDEMONTANO

● OBIETTIVO AMBIENTALE: RIPRISTINO DEL PAESAGGIO ORIGINALE

QmaxQ

Qmax

QSedimentirimossi

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DIGHE, TRAVERSEe SERBATOI ARTIFICIALI

Effetti morfodinamici

• NEL SERBATOIO: interrimento(riduzione di capacità)

• A MONTE: sovralluvionamento(rischio di inondazione)

• A VALLE: modificazioni della morfologia(erosione e deposito)

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EFFETTI DI UN SERBATOIO SULLA CURVA DI DURATA…

…E CONSEGUENTE RIDUZIONE DELLA PORTATA EQUIVALENTE DEL FIUME

01-m

0eq VQQ ∝max.

portata annuavolume di

deflusso annuo

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BILANCIA DI LANE (1953)Riduzione dellaimmissione deisedimenti (G)

Riduzione dellacapacità di

trasporto (Q)qpnm

DBIQ

G ∝

Opposte possibili conseguenze!

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•SERBATOIO(processi di trattenuta e di rilascio)

•UN TRATTO (più o meno breve) DEL CORSO D’ACQUA(processi di evoluzione morfologica)

• INTERA RETE IDROGRAFICA(gestioni a scala di bacino)

MODELLI MORFOLOGICI

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SCALE SPAZIALI E TEMPORALIE CORRISPONDENTI MODELLI

Dura

ta d

elle s

imul

azio

ni

Dim

ensio

ni d

el sis

tem

a

Pote

re ri

solu

tivo

Velo

citàd

i dat

i det

tagl

iati

3D

2D

1D

+ +

+ +

14

MODELLI DEL SERBATOIO3D u,v,w,c = f(x,y,z,x)

z y

x

z

x

Materiale coesivoCorrenti stratificateVariazioni di temperaturae torbidità

U,W,C = f(x,z,t)Serbatoi profondi e strettiCorrenti stratificateVariazioni di temperatura e torbidità

z

x

1D (media sulla sezione trasversale)

U,V,C = f(x,y,t)

Serbatoi poco profondiCorrenti poco stratificateVelocità reativamenteelevate

2D-H(mediasulla profondità)

Q,C,Z = f(x,t)

Serbatoi relativamentelunghi e stretti

Manovre frequentiVariazioni del fondo

2D-V (media sulla trasversale)

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GESTIONE DEL SERBATOIO• Modello a lungo termine (parametri tecnici ed economici

variabili nel tempo lungo)Es. RESCON (World Bank, 2003)

• Modulo economico sofisticato• Modulo idraulico rudimentale

(zero-dimensionale)• Tecniche di gestione

limitate

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Classificazionedei serbatoiper la gestionedei sedimenti basatasui volumi(schemazero-dimensionale)

SCHEMA ZERO-DIMENSIONALE

V, WD, WS

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Classificazionedei serbatoi basatasu volumi,forma dell'invasoe disuniformitàgranulometrica.

SCHEMA UNIDIMENSIONALE

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MODELLO UNIDIMENSIONALETEMPO DI RIEMPIMENTO

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

S

D

RO

D

Wf

S

Dfill

ddf

V

V,

V

Vτ

W

VT

tempo diinterrimento teorico

effetto dellamorfologia (3,5÷9)

effetto dellagranulometria (0,5÷7)

(fino a 10-20 volte più lungodel caso zero-D)

effetto della regolazione

disumiformitàgranulometrica

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BILANCIO DI SEDIMENTIA SCALA DI BACINO

Es. Fiume Adige

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FIUME ADIGE

Bolzano

Verona

Trento

Porto Fossone

21

Tratto pensile del fiume a sud di Verona

EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50

Tratto pensile dell’Adige ad Albaredo d’Adige (Vr)

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Espansione della foce verso il mare, con il progressivo aumento della superficiedell’Isola del Bacucco (Isola Verde)

EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50

Cartografia I.G.M.1887

Cartografia I.G.M.1908

Cartografia I.G.M.1918

23

Cartografia I.G.M.1931

Cartografia I.G.M.1944

EVOLUZIONE RECENTE: prima degli anni ‘50

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Deficit di sedimenti, con conseguente erosione del tratto veneto

EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50

Erosione

Deposito

Verona

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Retrocessione dell’intero apparato di foce

EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50

Confronto fra i rilievi batimetrici eseguiti nel 1968 e nel 1975

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EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50

Foce regolata con pennelli fissi

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EVOLUZIONE RECENTE: dopo gli anni ‘50

Diminuzione del trasporto solido misurato a Trento e Boara Pisani

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CAUSE PLAUSIBILMENTE ADDOTTE

● Azione di trattenuta dei sedimenti ad opera dei serbatoi idroelettrici(31 bacini artificiali, con invaso totale pari a 571 milioni di m3)

● Modificazione della curva di durata delle portate liquide, a causa dell’utilizzazioneidroelettrica (specialmente nel tratto pedemontano)

● Riduzione dei deflussi liquidi, provocata dall’aumento delle derivazione a scopo irriguoed idropotabile (specialmente nel tratto di pianura)

● Modificazione della vegetazione fluviale nelle isole e nelle golene

● Diminuzione del sedimento presente nel fiume, a causa dell’aumento delle estrazionidi sabbia e ghiaia nelle cave poste in alveo

● Diminuzione dell’apporto solido dalle pendici montane, anche a causa del diverso usodel suolo (opere anti-erosione e di consolidamento dei versanti)

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COMPLESSITÀSPAZIO-TEMPORALE

● Origine del disturbo in datae luoghi diversi

● Propagazione del disturbo lungola rete fluviale

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MODELLAZIONE IDRO-MORFODINAMICA

● Simulazione dell’evoluzione del profilo e della composizione dell’alveo

- per durate storiche (vari decenni o secoli)

(la propagazione delle perturbazioni di tipo morfologico è molto lenta)

- sull’intera rete (varie centinaia di chilometri)

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MODELLO MORFODINAMICO1-D

De St. Venant

Exner

Hirano

Chézy

Engelund-Hansen

Egiazaroff

iiqi

P

nm

i dBIQT ξβα=

si

s

ii

ii d

dd

d⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∑

=β

ξ

(1) EQUAZIONE DI CONTINUITA'

(2) EQUAZIONE DELL’ENERGIA (O QUANTITA' DI MOTO)

(3) BILANCIO DEI SEDIMENTI LUNGO LA CORRENTE

(4) BILANCIO DEI SEDIMENTI NELLO STRATO DI MESCOLAMENTO

(5) RESISTENZA IDRAULICA

(6) PORTATA SOLIDA DELLA CLASSE i-esima

(7) COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE / NASCONDIMENTO

fIHAQ ⋅⋅⋅= χ

tzB

xT

tB iii ∂

∂⋅⋅−

∂∂

−=∂∂⋅⋅ ββδ

tzB

xTN

i

i

∂∂⋅−=

∂∂∑

=1

Gauckler-Strickler

0=∂∂

+∂∂

tA

xQ

JxU

gAgQzH

x−

∂∂⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

++∂∂ 1

2 22

fs IHAKQ ⋅⋅⋅=3/2

32

SEMPLIFICAZIONI NECESSARIE

● Per utilizzare dati topografici aggregati(rilievi di dettaglio solo in parte disponibili)

● Per abbattere i tempi di calcolo(passi spaziali e temporali più lunghi)

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SEMPLIFICAZIONE DELLE EQUAZIONIDEL MOTO DELL’ACQUA

lww qcsQc

tQ

⋅=∂∂

+∂∂

xzIJ f ∂∂

−==Moto mediamente uniforme

lqsQ=

∂∂

Propagazione istantanea

Onda cinematica

● Semplificazione delle equazioni di De St. Venant

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VALIDITÀ DELL’IPOTESIDI MOTO LOCALMENTE UNIFORME

Risoluzione spaziale e temporale limitata(medie su periodi spaziali e temporali sufficientementi estesi)

Δx > Lbox “scatola morfologica”

Δt > Twin “finestra evolutiva”

Lbox , Twin = f(Froude, altro) (Fasolato et al 2008)

● Torrenti di montagnaANCHE PER SINGOLI EVENTI (es. Spurgo del Comelico)

Δx ~ (10 - 50) mΔt ~ (10 - 60) min

● Fiumi di pianuraSOLO PER SIMULAZIONI A SCALA DI BACINO (es. Adige, Zambesi)

Δx ~ (10 - 50) kmΔt ~ (0.1 - 1) anno

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EQUAZIONE DEL TRASPORTO SOLIDO VALIDA PER MOTO QUASI UNIFORME

∑= ⎥

⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⋅⋅⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅

⋅⋅=

N

iiiq

ip

nf

m

s dBIQ

Q1

ξβα

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⋅

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=⋅=

⋅⋅−

=∫∑∫

tmmp

nf

N

iq

i

iiss eQB

Id

dtQT τγ

ττ

βξ1

qeq

p

meq

nfs

s dBQITQ⋅

⋅==

τ

portata solida

trasporto solido totale

portata solida annua

diametro equivalente

q

N

i

qsii

sN

iii

eq

d

dd

1

1

1

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅

=

∑

∑

=

−

=

β

β

coef. di esposizione / nascondimento( )

si

sN

iii

s

i dd

d

di ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

=

∑=1

β

ξ

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MODELLAZIONE SEMPLIFICATA DEGLI AFFLUENTI

qnfiume

qnaffluente

fiumeaffluente II

dd //

⋅=

iii fiumeaffluente βββ Δ+=

pendenza dell’affluente alla confluenza

percentuale di classe granulometrica

diametro equivalente affluente

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ−⋅=

HtztItIaffluente)(1)()( 0

fiumei

fiumeN

iifiume

i iddi

di

di βββ

β ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=⋅

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⋅

=Δ

∑=

11

1

37

EVOLUZIONE DEL DELTA DEL FIUME

)()()( 111 ttdLtLttL fff δδ ++=+ +++

)()()( 111 ttdTtTttT fff δδ ++=+ +++Trasporto solido nella sezione fittizia

[ ])()()(

1

11 tLz

dttTtTdL

ff

fff

+

++ ⋅⋅

⋅−=

πIncremento di distanza

Distanza della sezione fittizia

Schematizzazione della planimetria Schematizzazione della sezione

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Bolzano

Verona

Albaredo d'Adige Porto Fossone

Resia

Trento

Boara Pisani

geometria dell’asta principale

DATI NECESSARI

granulometria dell’asta principale

idrologia dell’asta principale

Schematizzazionedei principali affluenti

S = 12000 km2

L = 290 km nel bacino

L = 410 km complessivi

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Bolzano

Verona

Albaredo d'AdigePorto

Fossone

Resia

Trento

Boara Pisani

Ortofoto in Alto Adige (2005)

Rilievo batimetrico a valle di Merano (1954)

DATI GEOMETRICI DISPONIBILI

DTM del bacino idrografico (1998)

Rilievo batimetrico di tutto il fiume (1996)

Modello Hec-Ras a valle di Trento (2007)

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Verona

Porto Fossone

Resia

Trento

Boara Pisani

portate liquide giornaliere e mensili delfiume Adige misurate a:Ponte Adige (1977-2007)

Bronzolo (1957-2007)

Trento (1923-2008)

Boara Pisani (1923-2005)

portate liquide giornaliere degliaffluenti misurate a:Saltusio (Passirio) (1993-2007)

Isarco (Bolzano Sud) (2003-2008)

Le portate di Avisio e Chiampo-Alponesono stimate in base alla superficie del loro bacino

Bolzano

Mezzolombardo (Noce) (1986-2008)Albaredo d'Adige

Avisio

IDROLOGIA

Noce

Chi

ampo

-Al

pone

Pass

irio

Isarc

o

41

Marlengo

Merano

Cortina d'Adige

Salorno

Zevio

GRANULOMETRIA

suddivisione in:10 classi granulometriche

4 stazioni di campionamento in Alto-Adige

2 stazioni di campionamento in Veneto

Boara Pisani

42

DATI DEFINITIVAMENTE ASSUNTI NEL MODELLO

43

TARATURA DELLA FORMULA DI TRASPORTO

Trento

Boara Pisani

44

RISULTATI DELLA TARATURA

m = 2,32

α = 0,50s = 0,80

TRENTO

tratto pedemontano (a nord di Mori)

(Gauckler – Strickler)

m = 1,54

α = 0,08s = 0,20

BOARA PISANI

tratto di pianura (a valle di Albaredo d’Adige)

(Chèzy)

deq = 25,47 mm deq = 0,24 mm

m = 2,32 m = 1,54

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VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI ANTROPICI NEGLI AFFLUENTI

Alterazione del trasporto solido causato da:● sbarramenti a scopo idroelettrico● briglie di sistemazione

p

digatot

totattualediga SS

SBB

1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅=

tot

brigliaattualebriglia L

LII

211Variazione effettiva della pendenza

Variazione (virtuale) della larghezza dell’affluente

Alterazione della portata equivalente(in relazione ai nuovi dati)

● attività di cava

sQ−Riduzione dell’apporto solido per attività di cava

46

VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI ANTROPICI NEL CORSO PRINCIPALE

● derivazioni a scopo idropotabile, idroelettrico ed agricolo

Stabilizzazione della quota del fondo (talweg) dovuto alla presenza di:

COSTz f =Traverse (zone a fondo fisso)

Alterazione del trasporto solido causato da:● attività di cava

sQ−Riduzione dell’apporto solido per attività di cava:inserimento di un “affluente negativo”

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PRIMI RISULTATI CON I DATI ATTUALI

depositi massimi = + 6,5 m scavi massimi = - 3,1 m

48

PRIMI RISULTATI CON I DATI ATTUALI

erosioni

depositi

dati misurati: 1954 - 1996

risultati del modello

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),(),( ttxStxSS Δ−−=Δ

),(),(' txSTtxSS −Δ+=Δ

STTS Δ⋅ΔΔ

=Δ''

OMOGENEIZZAZIONE DEI DATI DISPONIBILI:“Macchina del Tempo”

1876 1996 2116

ΔT=120 anniα ΔT

[ ]

N

tzTtzN

i∑=

−Δ+= 1

2)()( ασscarto quadratico medio

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CONCLUSIONI & FUTURI SVILUPPI

● Validità dell’ipotesi di moto uniforme in relazione alle dimensionidella “scatola morfologica” e della “finestra evolutiva”

● Necessità di affinamento delle conoscenze granulometrichee di trasporto solido

● Implementazione di un modulo vegetazionale

ANALOGIA FRA SEDIMENTI�& RISORSE IDRICHEDIGHE, TRAVERSE�e SERBATOI ARTIFICIALIInizioUbicazione fiume AdigeEvoluzione recente: prima ’50 (1)Evoluzione recente: prima ’50 (2)Evoluzione recente: prima ’50 (3)Evoluzione recente: dopo ’50 (1)Evoluzione recente: dopo ’50 (2)Evoluzione recente: dopo ’50 (4)Evoluzione recente: dopo ’50 (5)Cause plausibiliComplessità spazio-temporaleModellazione idro-morfodinamicaModello 1-DSemplificazioni necessarieSemplificazione eq. del motoMoto uniformeTrasporto solidoequazioni AffluentiSviluppo deltaDati disponibiliGeometriaIdrologiaGranulometriaTaratura formula di trasportoTaratura formula di trasportoGrafici di regressioneOpere antropicheOpere antropicheRisultati 1876-1996 (1)Risultati 1876-1996 (2)Macchina del TempoConclusioni