Sediment transport: from averages to fluctuations

This thesis focuses on bedload transport in rivers, particularly on the definition, measure, and modeling of the solid flowrate. It can be expressed in three different ways. First, it is the total volume of sediment crossing a line per unit width and time interval. Second, it is the product of an average particle activity (volume of moving particles per unit bed area) and an average velocity. Third, it is a product of an average entrainment rate (volume of particle entrained per unit bed area and unit time) and an averaged hop length (space traveled from start to halt). Here, I show that these three definitions are different time/space averages of the same equation, describing the local and instantaneous flux through an area. Then, for the rest of the thesis, I restrict the attention to the second definition. I show that the problem of measuring flowrate, concentration, and velocities is not yet completely solved. Any statistics related to the moving particles (as well as the still ones) depend on how we distinguish between movement and stillness. In this thesis, I conceptualized and proposed definitions for three states: stillness, ‘transport’, and ‘non-transport’, considering that not all the particle motions contribute significantly to the mean sediment transport rate. While the transport state presents a clear distinction between stream-wise and transverse particle velocity, the non-transport state is related to isotropic particle jiggling and does not significantly contribute to the bed-load rate. Vice-versa, the particle motions in the non-transported state are relevant for other summary indicators of the transport process, such as the mean concentration and mean particle velocity. Eventually, I study how turbulence affects sediment transport at the reach scale. I attacked the problem experimentally, modifying the turbulence level in a flume employing different arrays of cylinders. Asynchronous measurements of fluid velocity, bed shear stress, and sediment motion allow us to describe the effect of average flow and fluctuation on bedload. I found that, for a given bed shear stress, sediment flowrate, concentration, and velocity increase for increasing fluctuations. In particular, for sediment flowrate modeling, the effect of fluctuation on concentration is a first-order effect with respect to its impact on velocity.

Questa tesi si concentra sul trasporto di materiale solido (bedload) nei fiumi, in particolare sulla definizione, misurazione e modellazione della portata solida. Essa può essere espressa in tre modi diversi. Primo, è il volume totale di sedimenti che attraversa una linea per unità di larghezza e intervallo di tempo. Secondo, è il prodotto dell’attività media delle particelle (volume di particelle in movimento per unità di area del letto) e di una velocità media. Terzo, è il prodotto del tasso medio di entrainment (volume di particelle entrate in movimento per unità di area del letto e unità di tempo) e di una lunghezza media del salto (spazio percorso dalla partenza all'arresto). Qui, mostro che queste tre definizioni sono diverse medie temporali/spaziali della stessa equazione, che descrive il flusso locale e istantaneo attraverso un'area. Successivamente, per il resto della tesi, mi concentro sulla seconda definizione. Dimostro che il problema della misurazione della portata, della concentrazione e delle velocità non è ancora completamente risolto. Qualsiasi statistica relativa alle particelle in movimento (così come a quelle ferme) dipende da come distinguiamo tra movimento e immobilità. In questa tesi, ho concettualizzato e proposto definizioni per tre stati: immobilità, ‘trasporto’ e ‘non-trasporto’, considerando che non tutti i movimenti delle particelle contribuiscono in modo significativo alla velocità media di trasporto dei sedimenti. Mentre lo stato di trasporto presenta una chiara distinzione tra la velocità delle particelle lungo il flusso e quella trasversale, lo stato di non-trasporto è associato al movimento casuale isotropo delle particelle e non contribuisce in modo significativo alla portata del bedload. Viceversa, i movimenti delle particelle nello stato di non-trasporto sono rilevanti per altri indicatori riassuntivi del processo di trasporto, come la concentrazione media e la velocità media delle particelle. Infine, studio come la turbolenza influenzi il trasporto di sedimenti alla scala di un tratto di canale. Ho affrontato il problema sperimentalmente, modificando il livello di turbolenza in un canale utilizzando diverse configurazioni di cilindri. Misurazioni asincrone della velocità del fluido, dello sforzo di taglio del letto e del movimento dei sedimenti ci permettono di descrivere l’effetto del flusso medio e delle fluttuazioni sul trasporto di materiale solido. Ho scoperto che, per un dato sforzo di taglio del letto, la portata, la concentrazione e la velocità dei sedimenti aumentano con l’aumento delle fluttuazioni. In particolare, per la modellazione della portata dei sedimenti, l'effetto delle fluttuazioni sulla concentrazione è un effetto di primo ordine rispetto al suo impatto sulla velocità.