La sperimentazione ecoidraulica

e gli effetti del thermopeakingMauro Carolli

Fondazione E. Mach, Centro Ricerca e Innovazione,

Area

Ambiente

•5 canalette in acciaio, situate sul torrente Fersina in località

Canezza

(Pergine)

•Lunghezza 25 m, larghezza e profondità

0,3 m•Pendenza regolabile in ogni canaletta

20062007

•

Apparato sperimentale•

Permette di sottoporre la comunità

bentonica a stress controllati, simulando le stesse condizioni presenti in “natura”

•

Permette la separazione delle variabili ambientali (ad es. portata e temperatura)

Le Canalette

25 m

eter

s

Vasca di carico

Sezione di una canaletta

Vasca di raccolta alimentata dal torrente Fersina

Le paratie scorrevoli permettono di regolare le portate in ingresso

Le canalette

sono

state riempite

con materiale

fluviale

per riprodurre

in modo

accurato

l’ambiente

naturale

Componente faunistica principale di un fiume: comunità

di invertebrati che vivono sul fondo (zoobenthos);

Drift dello zoobenthos: trasporto verso valle degli organismi ad opera della corrente;

Importante ruolo nell’ecologia di un corso d’acqua quale meccanismo di colonizzazione e dispersione degli invertebrati acquatici (che sono soprattutto larve di insetto, poco mobili).

drift

Risposta agli stress ambientali: il drift

Tipologie: costante, distribuzionale, comportamentale e catastrofico

Effetto dei rilasci

Aumento improvviso di portata

Aumento o diminuzione improvvisi di temperatura

Thermopeaking

Hydropeaking

Thermopeaking in canaletta

•Pochi studi in letteratura su effetti ecologici•Ipotesi: l’immissione improvvisa di acqua a temperatura più

bassa o più

alta

costituisce uno stress per la comunità bentonica?

•In particolare, il thermopeaking induce un aumento del drift con conseguente impoverimento della comunità?

•

Settembre 2008: Thermopeaking freddo•

acqua raffreddata utilizzando un misto di granatina e ghiaccio in cubetti (~250 kg)

•

2 canalette•

25 campioni di drift per ognuna: 4 pre

impatto (ogni ora)

19 durante l’impatto (in continuo) 2 post impatto (ogni ora)

•

Durata della simulazione: ~20 minuti•

2230 individui raccolti

Canaletta A. thermopeaking freddo

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

N. i

nd/m

3

12

13

14

15

16

T (°C

)

Abundance of drifting invertebratesWater temperaturePoli. (Abundance of drifting invertebrates)Poli. (Water temperature)

ΔT Max = -3,7° C

Canaletta B. thermopeaking freddo

0102030405060708090

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

N. i

nd/m

3

12

13

14

15

16

T (°C

)

Abundance of drifting invertebratesWater temperaturePoli. (Abundance of drifting invertebrates)Poli. (Water temperature)

ΔT Max = -3,6° C

Andamento del drift inversamente proporzionale a T

Andamento del drift inversamente proporzionale a T

Anova

(One-Way), normalizzazione log (x+1), test post-hoc di Scheffè (più conservativo);Fattore Discriminante (1,2)= Categoria 1 pre

e post esperimento

Categoria 2 durante l’esperimento

Abbondanza Can A

Abbondanza Can B

Temperatura Can A

Temperatura Can B

p <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Molto significativa per tutti i parametri considerati

Le differenze tra le due canalette non sono risultate significative (test T)

•

Thermopeaking caldo: novembre 2008•

Acqua riscaldata utilizzando una vasca con resistenze alimentate da un gruppo elettrogeno e un fornello a gas

•

Protocollo di campionamento diverso: tre canalette di cui una scelta casualmente utilizzata come controllo (canaletta B)

•

Durata della simulazione: ~15 minuti;•

15 campioni di drift per ogni canaletta:

5 pre

impatto (ogni ora)7 durante l’impatto (in continuo)3 post impatto (ogni ora);

•

ΔT Max=

+2,3°C;•

306 individui raccolti.

Canaletta A Thermopeaking Caldo

0

5

1015

20

25

30

3540

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

N. i

nd/m

3

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

T (°C

)

Abundance of drifting invertebrates WaterTemperature

Poli. (Abundance of drifting invertebrates) Poli. (WaterTemperature)

Canaletta B Thermopeaking Caldo

0

510

15

20

2530

35

4045

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

N. in

d/m

3

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

T (°

C)

Abundance of drifting invertebrates WaterTemperaturePoli. (Abundance of drifting invertebrates) Poli. (WaterTemperature)

Canaletta C Thermopeaking Caldo

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

N. in

d/m

3

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0T

(°C)

Abundance of drifting invertebrates WaterTemperaturePoli. (Abundance of drifting invertebrates) Poli. (WaterTemperature)

Leggero aumento drift corrispondente ad aumento di T

Aumento drift corrispondente ad aumento di T

Controllo, nessuna variazione

T Student: confronto globale tra canalette

Abb. Can A-B

Abb. Can B-C

Abb. Can A-C

T (°C)Can A-B

T (°C)Can B-C

T (°C)Can A-C

p <0,001 <0,001 =0,95 <0,001 <0,001 =0,35

Anova

(One-Way), normalizzazione log (x+1), test post-hoc di Scheffè

(più

conservativo);

Fattore Discriminante (1,2)= Categoria 1 pre

e post esperimento Categoria 2 durante l’esperimento

Abb. Can A

Abb. Can B

Abb. Can C

T (°C)Can A

T (°C)Can B

T (°C)Can C

p =0,53 =0,95 =0,06 =0,009 =0,1 =0,009

Le due canalette impattate non differiscono significativamente tra loro né

per abbondanza di

drift, né

per temperature, ma differiscono dalla canaletta di controllo: l’onda di calore induce il drift

Nonostante il passaggio dell’onda di calore, non vengono indotte differenze significative nel drift delle due canalette impattate.

IN SINTESI:

1)

l’esperimento di thermopeaking freddo (09-2008) ha dimostrato effetti significativi sulle comunità

bentoniche, inducendo un massiccio drift;2)

l’esperimento di thermopeaking caldo (11-2008) ha causato un drift, ma di ridotta entità.

Possibili cause: 1. esperimento condotto troppo presto, con gli organismi ancora abituati a forti fluttuazioni termiche giornaliere2. periodo di minima abbondanza nella comunità

bentonica (esperimento ripetuto il 10/03/2009, ΔT ~ +4°C)

Effetto dei rilasci

Aumento improvviso di portata

Aumento o diminuzione improvvisi di temperatura

Thermopeaking

Hydropeaking

Gli effetti ecologici dell’hydropeaking

M. Cristina Bruno

Fondazione E. Mach, Centro Ricerca e Innovazione,

Area

Ambiente

1.

Attività

canalette Fersina: esperimenti hydropeaking

2.

Attività

sul campo: 2.1. breve riassunto delle puntate precedenti (drift)2.2. connessione verticale

CANALETTE FERSINA, ESPERIMENTO 1), campionamento DRIFT, Settembre 2007

•simulare e confrontare in un impianto sperimentale gli effetti di un aumento improvviso della portata pari a 7x (simile all’hydropeaking) e uno graduale a 2x (simile a condizioni naturali)

•valutare la validità

dell’impianto sperimentale, confrontando i risultati con quelli ottenuti nello studio di un’onda di hydropeaking in condizioni naturali

Carolli

M., Bruno M. C., Maiolini

B., Silveri

L. Assessment of hydropeaking- induced alterations of benthic communities in experimental flumes. Biologia Ambientale, in rev.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

numero progressivo campione drift

N. i

nd. m

-3

Confronto: stazione NB8, torrente Noce Bianco, rilascio sperimentale 24-09-06

•Canaletta A: aumento portata graduale 2x (simile a condizioni naturali)•Canaletta B: aumento portata improvviso 7x (simile all’hydropeaking)•NB8 (Torrente Noce): aumento portata improvviso 7x (onda hydropeaking)

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Numero progressivo campione drift

m3 s

ec-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

m3 s

ec-1

Canaletta A (sin)Canaletta B (sin)Noce NB8 (des)

•aumento massiccio del drift in risposta agli aumenti di portata;

l’aumento rapido (can B) comporta una quantità

significativamente più

alta di

individui mobilitati nel drift rispetto ad un aumento graduale (can A).

0100200300400500600700800900

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Numero progressivo campione drift

N. i

nd/m

3

Canaletta A (sin)Canaletta B (sin)

•andamento temporale e di valore del drift nella stazione a valle della centrale simile a quello delle due canalette sperimentali, in particolare a quello della canaletta con aumento improvviso.

0

20

40

60

80

100

120

140

NB8 Noce (des)

La risposta degli organismi era più

veloce nel caso dell’aumento improvviso (tutti i taxa

presenti nel drift dopo 45’) che nell’aumento graduale (60’)

7

8

9

10

11

12

13

0' 15’ 30’ 45’ 48’ 51’ 54’ 57’ 60’ 63’ 88’Tempo dall'inizio dell'esperimento

num

ero

taxa

Canaletta ACanaletta B NB8

Arri

vo o

nda

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Numero progressivo campione drift

m3 s

ec-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

m3 s

ec-1

Canaletta A (sin)Canaletta B (sin)Noce NB8 (des)

Canaletta A

Acarina

Diptera L P

HemipteraNematodaOligochaeta

Ostracoda

Copepoda

Plecoptera LSimuliidae L P Trichoptera L

Baetidae L

Chironomidae L

NB8 Noce

Chironomidae L

Acarina

Diptera L P

Hemiptera

NematodaOligochaeta

Ostracoda

Copepoda

Plecoptera LSimuliidae L PTrichoptera L

Baetidae L

Canaletta B

Acarina

Diptera L P

HemipteraNematoda

OligochaetaOstracoda

Copepoda

Plecoptera LSimuliidae L P Trichoptera L

Baetidae L

Chironomidae L

La composizione in taxa

del drift delle due canalette era simile, e simile a quella registrata sul Noce

L’impianto sperimentale simula efficacemente un torrente naturale, e può essere utilizzato per manipolare la portata al fine di sviluppare linee guida per una gestione ecosostenibile dei corsi d’acqua alpini impattati da hydropeaking.

CANALETTE FERSINA, ESPERIMENTO 2), campionamento BENTHOS, Giugno 2008

Scopo: verificare se e come le diverse portate selezionano le comunità

bentoniche.

Possibili applicazioni gestionali: definizione del DMV

Regolazione della portata nelle tre canalette, circa un mese prima dell’inizio dell’esperimento:

Canaletta A: Q=

10,96 l/s; Velocità=

0,75 m/s (3x)Canaletta B: Q=

4,062 l/s; Velocità=

0,5 m/s (2x)

Canaletta C: Q=

0,714 l/s; Velocità=

0,25 m/s (valore minimo)

Campioni di benthos raccolti nelle canalette A e B (C intasata e quindi inutilizzabile): tre campioni per canaletta, uno all’ingresso, uno a metà, e uno prima dell’uscita di ogni canaletta.

Velocità

maggiore all’inizio e alla fine di ogni canaletta (ingresso turbolento e uscita a caduta)

A totale

Trichoptera_AChironomi

dae_A

Simuliidae_A

Plecoptera_A

Baetidae_A

Haeptageniidae_A

B totale

Trichoptera_BChironomi

dae_B

Simuliidae_B Plecopter

a_B

Baetidae_B

Haeptageniidae_B

02000400060008000

10000120001400016000

1 2 3

n. in

d/m

2

TOTALI A TOTALI B La velocità

più

alta (can A) favorisce una comunità

più

ricca qualitativamente e quantitativamente

entrata uscita

entrata uscita

0

500

1000

1500

2000

1 2 3

n. in

d/m

2

Simuliidae A Simuliidae B

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3

n. in

d/m

2

Haeptageniidae AHaeptageniidae B

Taxa

reofili

più abbondanti nei tratti a

maggiore velocità, e in generale nella canaletta a velocità

maggiore

entrata uscita

0500

1000150020002500300035004000

1 2 3

n. in

d/m

2

Baetidae A Baetidae B

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1 2 3

n. in

d/m

2

Plecoptera A Plecoptera B

Taxa

non reofili

più

abbondanti nei tratti a minore velocità

e in

alcuni casi nella canaletta a velocità

minore (accumulo

materiale organico)

0

1000

2000

3000

4000

5000

1 2 3

n. in

d/m

2

Chironomidae A Chironomidae B

entrata uscita

Canaletta con velocità

bassa seleziona una comunità con pochi taxa

reofili.

Il DMV, se troppo ridotto, può agire da filtro e selezionare una comunità

adattata a basse velocità.

Diminuisce la resilienza (capacità

di recuperare dopo gli impatti).

drift

Esperimenti in condizioni naturali: effetti dell’hydropeaking sulla fauna bentonica

e iporreica

NB7

NB8

NB13NB15

Campionamenti biologici durante il rilascio sperimentale:

•Drift (4 campioni di 3 repliche ogni 15’ prima del rilascio, 7 campioni ogni 5’ durante il rilascio a NB7, NB8, NB13, NB15)

6 km

2 km

NB8-5NB8-6NB8-7NB8-8NB8-9

NB8-10NB8-11NB15-8NB15-9NB15-7NB15-5NB15-6NB13-9NB13-8NB13-5NB13-6NB13-7NB8-4NB8-3NB8-1NB8-2

NB15-1NB15-10NB15-3NB15-2NB15-4

NB13-10NB13-1NB13-3NB13-2NB13-4

100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40Bray- Curtis Similarity

site before-afterNB13-beforeNB13-afterNB15-beforeNB15-afterNB8-beforeNB8-after

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

numero progressivo campione drift

N. i

nd. m

-3

NB8 NB13 NB15

Drift catastroficoDrift comportamentale

Ambiente iporreico: zona interstiziale satura situata sotto il letto del fiume e in parte lungo le rive del fiume stesso. L’ambiente iporreico rappresenta la zona di transizione e scambio tra le acque superficiali del fiume e la falda freatica.

Continuità verticale: scambi acque superficiali e iporreiche.

Stigosseni: organismi

epigei, occasionali

nelle

acque

sotterranee

Stigofili: organismi

epigei, presenza

occasionale

(rifugio) o parte del ciclo vitale

nelle

acque

sotterranee, senza adattamenti

particolari

Stigobi: esclusivi

di acque

sotterranee,

forti adattamenti e specializzazioni

Iporreici occasionali: possono

trascorrere

nel

sedimento

i primi

stadi

larvali

Iporreici anfibionti: vivono

sia

nelle

acque

superficiali

che

nel

sedimento, con stadio

epigeo

obbligatorio

iporreici permanenti: vivono

sia

nelle

acque

superficiali

che

nel

sedimento, senza

stadio

epigeo

obbligatorio

Ubiquitari: in tutti

i sistemi

sotterranei

Freatobiti: ristretti

alle

falde

negli

acquiferi

porosi

(freatiche)

Raccolti campioni di fauna iporreica con scansione bimensile nei mesi invernali, e mensile da marzo a novembre per due anni, da settembre 2006.

-1

1

3

5

7

9

11

13

S-08

O-06

D-06

F-07

M-07

A-07

M-07

J-07

J-07

A-07

S-07

O-07

N-07

D-07

F-08

M-08

A-08

M-08

J-08

J-08

A-08

T ° C

NB7 SW NB8 SW NB13 SWNB7 HW NB8 HW NB13 HW

Le alterazioni di temperatura (thermopeaking) si propagano nell’iporreico

Le acque turbinate trasportano solidi e sedimento

Media Media±ES Media±DS Outlier Estremi

NB7 NB8 NB1360

80

100

120

140

160

180

200

220

Con

duci

bilit

à ip

orre

ico

(mic

roS

s-1

)

Media Media±ES Media±DS Outlier Estremi

NB7 NB8 NB13-20

0

20

40

60

80

100

NTU

Da: Brunke

& Gonser, The ecological

significance

of

exchange

processes

between

rivers

and groundwater, Freshwater Biology, 1997

Il tipo di colmation o clogging

dipende da velocità, tensione al fondo, concentrazione e taglia del materiale in sospensione, gradiente idraulico:

1) Internal clogging: aumento del sedimento fine all’interno dei primi cm del letto fluviale (diminuisce la conducibilità

idraulica), si sviluppa alle velocità più elevate (>1 m s–1)

2) armour layer clogging: il sedimenti fine riempie i pori dell’armour

layer

rendendolo molto compatto; si sviluppa alle velocità intermedie (0.3-1 m s–1) 3) external clogging: deposito di un ulteriore strato di sedimento fine al di sopra

del letto fluviale; si sviluppa alle velocità più basse (<

0.3 m s–1) )

A velocità

elevate (circa 2 m s–1), e in particolare

durante

le piene

si

verifica

il

declogging, e l’armour

layer viene

rimosso

dall’aumentata

tensione

al fondo.

Da Blatschke

et

al., Internat. Rev. Hydrobiol. 2003

NB13: velocità

diminuisce, aumento in solidi per apporto dal bacino, deposizione di materiale fine : armour

layer

e external

clogging

NB8: velocità

maggiore, solidi sospesi, deposizione di materiale più

grossolano: internal

clogging

NB7: clogging

naturale, molto ridotto

R2 = 0.8577

R2 = 0.9547

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

NB7 NB8 NB13

N. i

nd. m

-3

stigobi stigofili stigosseni

1.6 1.3 1.4

7.66.7

8.7

0.4

0.0

0.7

0123456789

NB7 NB8 NB130

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Diversità Shannon Wiener Numero stimato di taxa stb(stf+stx)

abbondanza stigobi

0

500

1000

1500

2000

2500

NB7 NB8 NB13

ind/

m3

Troglochaetus beranecki

D. cfr maisi

Parastenocaris sp

Bathynella sp.

Graeteriella unisetigera

Niphargus sp.

D. italianus

D. goticus

NB7: specie esclusivamente interstiziali, di dimensioni da piccole a medie, spazi interstiziali ampi e privi di sedimentoNB8: specie esclusivamente interstiziali, di dimensioni da molto piccole a piccole, spazi interstiziali più ridotti (internal clogging)

NB13: poche specie, spazi interstiziali estremamente ridotti, ridotti

scambi acque

superficiali-iporreico

(external clogging, armor layer clogging)

Impatti dei rilasci

Effetti ecologici

Possibili soluzioni????

Hydropeaking, thermopeaking

Drift benthos: alterazione continuità

longitudinale e laterale

Multiple: casse laminazione, bypass acque turbinate e loro riuso

Immissione sedimento fine in assenza di piene rilevanti

Clogging, alterazione continuità

verticale

Flash floods