Experimental hydrodynamics analysis on an artificial structure aimed at coastal restoration

Durante gli ultimi decenni, l’attenzione verso la degradazione degli ecosistemi costieri si è sviluppata in diversi parti del mondo. BESE-elements® è una struttura tridimensionale composta da una griglia solida progettata in Olanda che mira al risanamento costiero tramite l’attenuazione della velocità delle correnti e lo smorzamento dell’energia delle onde. La presente tesi si pone l’obiettivo di valutare l’influenza di questa struttura artificiale sul campo di moto e sui processi di trasporto solido in relazione a diverse condizioni idrodinamiche. La campagna sperimentale è stata condotta in un laboratorio di idraulica del centro di ricerca scientifico olandese NIOZ (Royal Netherlands Institute for Sea Research), situato a Yerseke. I test sono stati svolti mantenendo costante il tirante idrico e modificando la velocità del flusso e l’altezza delle onde. La velocità della corrente e la quota di fondo sono stati misurati tramite un Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) in diverse posizioni attorno e all’interno della struttura. Un primo gruppo di test preliminari sono stati eseguiti per determinare l’accuratezza dello strumento nella misurazione della velocità di flusso e dei livelli di turbolenza. I test sperimentali sono stati analizzati separatamente in base al tipo di moto: i risultati relativi a test di moto permanente hanno mostrato come la velocità di flusso è attenuata dell’80% all’interno e a valle della struttura, mentre i livelli di turbolenza attorno alla struttura sono dipesi dall’intensità delle forzanti idrodinamiche. Esperimenti sul trasporto solido hanno mostrato la capacità della struttura nel trattenere sedimenti nelle aree dove la velocità del flusso è attenuata. Un’erosione localizzata si è sviluppata al di sotto del bordo della struttura rivolto verso monte; le dimensioni dello scavo sono risultate essere funzione crescente della velocità della corrente. I risultati relativi al moto ondoso hanno mostrato che la velocità orbitale e l’energia contenuta nelle onde è attenuata attorno alla struttura, in modo diverso a seconda dell’altezza delle onde. Tuttavia, in presenza di onde, la struttura non ha influenzato in modo evidente i processi di trasporto solido che avvengono quando la struttura non è posizionata. I risultati hanno permesso di ottenere una caratterizzazione dettagliata del dominio di influenza della struttura sul campo di moto e di dimostrare, a seconda del tipo e dell’intensità delle forzanti idrodinamiche, se la struttura sia in grado o meno di proteggere gli organismi animali e vegetali ed intensificare così il risanamento costiero.

Within the last decades, awareness of the degradation of coastal ecosystem has developed in many parts of the world. BESE-elements® is a three-dimensional solid grid structure designed in the Netherlands which aims at coastal restoration through the energy attenuation of waves and currents. This thesis assesses the influence of this artificial structure on the flow field and solid transport processes under different hydrodynamics conditions. The experimental campaign has been conducted in a flume laboratory at NIOZ (Royal Netherlands Institute for Sea Research), Yerseke. The tests have been carried out maintaining constant the water depth and varying flow velocity and wave height. Flow velocity and bottom elevation have been measured through an Acoustic Doppler Velocimeter in several position around the structure. A first group of preliminary tests were carried out to determine the accuracy of the instrument in measuring flow velocity and turbulence levels. The experimental tests were analysed separately accordingly to the type of flow motion: steady flow results on hydrodynamics showed that flow velocity is attenuated by 80% inside and downstream of the structure, while turbulence levels variations around the structure depended by the intensities of the hydrodynamics stress. Solid transport experiments showed the capability of the structure in retaining sediments in the same areas where flow velocity is attenuated; a scouring process has developed at the leading edge of the structure which dimensions appeared to be increasing function of the intensity of current velocity. Wave motion results showed that orbital velocity and energy content of the waves are attenuated approximately homogeneously around the structure, with different rate depending on the wave heights. However, the structure did not show positive feedbacks in retain sediments in presence of high waves. The results allowed to have a detailed characterization of the flow field around the structure and to demonstrate, depending on the type and intensity of the hydrodynamics stresses, whether the structure would be able to protect organisms and enhance coastal restoration.