Experimental investigation of overloaded channel and celerity of sediment aggradation propagation in near-critical and supercritical conditions

River sediment transport is a significant geomorphologic process and plays a crucial role in floods, posing risks to human health, the environment, cultural heritage, and economic activities. In fact, the European Floods Directive (FD) and Water Framework Directive (WFD) highlight the importance of this process, as inundations can be obviously caused by increased water discharge or also by decreased river conveyance due to aggradation. Therefore, the role of sediment aggradation needs to be appropriately accounted for in risk assessment. Besides the magnitude of morphologic changes, the time scales of the process are also crucial in hazard studies, as knowing the time needed for sediment to reach key spots is essential for emergency planning as a mitigation measure. The present study aims to experimentally investigate the dynamics of sediment aggradation under supercritical or near-critical flow conditions where the flow velocity is relatively high. The current thesis follows some other ones and includes seven aggradation experiments and two preliminary experiments aimed at characterizing background hydraulic and sediment transport conditions. The experimental data, which comprise the water and bed profiles, the sediment feeding rate, and the sediment transport capacity of the channel, are derived by processing movies recorded throughout the experiments. In the experiments, an aggradation wave propagates downstream, causing a major change in the bed configuration due to the imposed sediment overloading conditions. Particular attention is devoted to quantifying the time scales of the sediment wave, identified with a celerity of propagation. A local celerity, determined experimentally, is compared to that returned by formulations provided by literature studies where the properties of the partial differential equations depicting the process have been analyzed. In particular, theoretical studies dispute over the eigenvalues of the system of equations governing the morphologic evolution of riverbed and their relationship with the celerities of the water surface and bed waves in mobile-bed flows. The analysis demonstrates that none of the eigenvalues corresponds to the celerity of the aggradation wave, even though correlation trends could be revealed. Finally, in a bulk analysis, a correlation between an average celerity and the control parameters of the experiments is sought; experiments are not enough to obtain clear trends but, generally, it is found that the celerity of propagation of an aggradation wave is around 3% of the flow velocity.

Il trasporto di sedimenti nei corsi d’acqua è un processo geomorfologico che svolge un ruolo cruciale nelle inondazioni, comportando rischi per la salute umana, l'ambiente, il patrimonio culturale e le attività economiche. Infatti, la Direttiva alluvioni (FD) e la Direttiva Acque (WFD) dell’Unione Europea sottolineano l'importanza di questo processo, poiché le inondazioni possono essere ovviamente causate da un aumento del deflusso idrico o anche da una diminuzione della capacità di convogliamento del fiume a causa dell’accumulo di sedimenti. Oltre alle modifiche morfologiche, le scale temporali a esse relative sono fondamentali per la valutazione del rischio, poiché conoscere il tempo necessario affinché i sedimenti raggiungano punti chiave è essenziale per la mitigazione del rischio attraverso la pianificazione di emergenza. Il presente studio indaga sperimentalmente la dinamica dell'accumulo dei sedimenti in condizioni di flusso supercritico o quasi critico, in cui la velocità del flusso è relativamente elevata. La presente tesi fa seguito ad altri studi e comprende sette esperimenti di sovralluvionamento e due esperimenti preliminari volti a identificare le condizioni idrauliche e la capacità di trasporto di riferimento. I dati sperimentali, che includono i profili dell'acqua e del fondo, la portata di alimentazione dei sedimenti e la capacità di trasporto solido del canale, sono ottenuti elaborando diversi filmati registrati durante gli esperimenti. Negli esperimenti, un'onda di accumulo si propaga a valle, causando un importante cambiamento nella configurazione del letto a causa del sovraccarico di sedimenti. Particolare attenzione è dedicata alla quantificazione delle scale temporali dell'onda di sedimenti, identificate con una celerità di propagazione. Una celerità locale, determinata sperimentalmente, viene confrontata con quella ottenuta attraverso le formule fornite dagli studi di letteratura, in cui sono state analizzate le proprietà delle equazioni differenziali alle derivate parziali che descrivono il processo. In particolare, gli studi teorici dibattono sugli autovalori del sistema di equazioni che governano l'evoluzione morfologica del letto fluviale e sulla loro relazione con le celerità delle onde superficiali dell'acqua e del letto in flussi su letti mobili. L'analisi dimostra che nessuno degli autovalori corrisponde alla celerità dell'onda di sovralluvionamento, anche se possono essere rivelate tendenze di correlazione. Infine, in un'analisi globale, si cerca una correlazione tra una celerità media e i parametri di controllo degli esperimenti. Gli esperimenti non sono sufficienti per definire tendenze chiare ma, in generale, si rileva che la celerità di propagazione di un'onda di accumulo è circa il 3% della velocità del flusso idrico.