REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE PODA DE VID Y DE POSIDONIA OCEANICA EN LAS OBRAS DE BIOINGENIERÍA DEL PAISAJE

La popolazione mondiale è in continua espansione e la crescita demografica ed economica inducono allo sfruttamento progressivo dell’ambiente ed al depauperamento delle risorse naturali (acqua ed energia in particolare), con conseguenti impatti potenzialmente importanti sul cambiamento globale. Si rende, pertanto, necessaria ed urgente una più efficiente gestione delle risorse basata sulla rielaborazione di obiettivi sostenibili di politiche e strategie ambientali e sulla riduzione del consumo delle risorse, promuovendo la transizione da un modello di economia lineare ad uno circolare, costituito da un ciclo continuo di sviluppo positivo che preserva e migliora il capitale naturale, ottimizzando l'utilizzo delle risorse a tutte le scale. Come noto, l’Ingegneria Naturalistica (IN) utilizza le piante come materiale da costruzione nelle opere per la riqualificazione ambientale e paesaggistica del territorio. Le opere di IN sono infatti a basso impatto ambientale ed in grado di innescare processi di rinaturalizzazione che favoriscono la biodiversità, offrendo una promettente strategia di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici. Fondamentale per il raggiungimento di questi obiettivi, risulta essere quindi l’uso di materiali adeguati, sostenibili, di facile reperimento e basso costo. Tenuto conto della grande disponibilità dei residui derivanti dalla potatura annuale delle viti (sarmenti) e dallo spiaggiamento annuale delle foglie di Posidonia oceanica (banquette) in Sicilia, la presente tesi ha come obiettivo principale la descrizione e l’analisi di questi nuovi materiali organici di scarto in relazione alla possibilità di uso degli stessi in opere di Ingegneria Naturalistica. Ogni anno infatti la potatura dei vigneti produce un elevato quantitativo di residui (sarmenti), che rappresentano una biomassa da smaltire; nel contempo, il fenomeno dello spiaggiamento dei residui di P. oceanica è percepito come un disagio dai cittadini, entrando in conflitto con alcune attività economiche (turismo, stabilimenti balneari, ecc). Nonostante il fondamentale ruolo ecologico che rivestono le fanerogame marine sia per limitare l’erosione della costa che per favorire la formazione del sistema dunale costiero, la presenza di residui di P. oceanica lungo la costa può comportare la riduzione del valore turistico delle spiagge; conseguentemente è richiesta alle amministrazioni locali la rimozione delle banquette ed il loro conferimento in discarica. L'utilizzo della biomassa prodotta comporta quindi un duplice vantaggio: la risoluzione del problema dello smaltimento dei residui prodotti e la creazione di nuovi prodotti, locali ed a basso costo, riutilizzabili anche nel campo del risanamento ambientale. La biomassa residuale viene vista in questo modo come una risorsa e non più un rifiuto, acquisendo un valore sia dal punto di vista ecologico che dal punto di vista economico Nell’ottica dell’economia circolare, i sarmenti sono stati assemblati in forma di fascina per costituire l’elemento base per realizzare il modulo di una fascinata, opera lineare di IN con funzioni antierosive, consolidanti e di stabilizzazione, mentre, i residui di P. oceanica sono stati utilizzati come substrato di coltivazione per rendere “viva” l’opera dopo la messa a dimora di specie autoctone al suo interno. Nella tesi sono state eseguite una serie di analisi e sperimentazioni volte: i) a caratterizzare i due materiali per valutarne l’idoneità come costituenti della fascina, ii) ad individuare le specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera, iii) ad eseguire una prima valutazione sulla funzionalità dell’opera nel suo insieme utilizzando osservazioni fatte su un piccolo prototipo di fascinata messa in opera nei campi sperimentali dell’Università di Palermo. Viene infine presentata una tecnica costruttiva innovativa delle fascinate oggetto di brevettazione da parte dell’Università degli Studi di Palermo e sviluppata nel corso delle attività di questo dottorato di ricerca. Con l’obiettivo di stimare indicatori di resistenza e durabilità delle fascine sperimentali sono state, in primo luogo, individuate quattro aziende vitivinicole che operano nel territorio siciliano, disponibili a fornire a titolo gratuito i sarmenti appena potati. Le prove meccaniche di resistenza a flessione (valutazione di tensioni di rottura e modulo di elasticità) sono state quindi eseguite su 122 provini di 8 differenti cultivar di sarmento (Cabernet, Inzolia, Nero d'Avola, Grecanico, Grillo, Chardonnay, Sirah e Catarratto). I provini di sarmento, di lunghezza L=10 cm ed umidità “normale" (12%), sono stati selezionati con criterio di assenza di nodi ed imperfezioni, uniformità di diametro ed asse longitudinale rettilineo (cilindricità). Sotto l’ipotesi di validità della legge di Hook, le prove di resistenza a flessione eseguite secondo lo schema a tre punti (3 point bending test) sino alla rottura delle fibre inferiori dei provini, hanno permesso di ricavare il modulo di elasticità longitudinale (lungo le fibre), E, e la tensione di rottura sulla base dei diagrammi sforzo/deformazione e della forza a rottura. Dai primi risultati si rileva come i vitigni Cabernet, Grillo e Sirah presentino le migliori caratteristiche di resistenza flessionale (maggiore rigidità) con netta prevalenza del Sirah (4878.6 MPa), mentre più deformabili risultano essere i sarmenti di Grecanico, Chardonnay, Catarratto e Nero d’Avola (1200 - 2000 MPa). I valori maggiori di tensioni di rottura si riscontrano invece per il Cabernet (70 MPa). Nel complesso, mettendo in relazione le tensioni di rottura campionarie ai corrispondenti moduli di elasticità, le migliori caratteristiche di resistenza e di maggiore durabilità riscontrate sono quelle del Cabernet e dello Chardonnay, che possono quindi trovare potenziale impiego come materiale da costruzione nelle opere di Ingegneria Naturalistica. Pertanto, i sarmenti di Cabernet sono stati utilizzati per il confezionamento delle fascine nell’installazione sperimentale, insieme al Catarratto che è la cultivar maggiormente coltivata nella regione e che, conseguentemente, produce il maggior quantitativo di biomassa annuale. L’area di prelievo dei residui di P. oceanica è stata individuata nella costa prospicente l’abitato di Custonaci in provincia di Trapani. La banquette dalla quale sono stati prelevati i residui presenta un’altezza di 4 m e si estende per centinaia di metri lungo la costa rocciosa alle spalle di Monte Cofano. I residui di P. oceanica spiaggiata sono stati rimossi meccanicamente e depositati in un’area di stoccaggio appositamente realizzata nel vicino Parco Sub urbano di Custonaci. Allo scopo di valutare l’abbattimento della salinità a mezzo dilavamento naturale è stato studiato il processo di infiltrazione che si attua nei residui di P. oceanica accumulata nei siti di stoccaggio. Un contributo alla caratterizzazione idrologica dei residui di P. oceanica è stato fornito eseguendo una sperimentazione su campioni di residui sottoposti ad una pioggia di fissata intensità, al fine di mettere a punto un modello semplificato di infiltrazione, valido per ammassi porosi altamente permeabili. Più precisamente il modello di infiltrazione a base fisica adottato stima il tempo di ritardo, (o di primo gocciolamento) ovvero il tempo necessario affinchè il fronte di umidità, a partire dall’inizio dell’evento piovoso, raggiunga la base dell’ammasso. Il protocollo di sperimentazione è stato studiato in modo da variare progressivamente le condizioni iniziali di umidità sullo stesso campione così da non alterare le caratteristiche fisiche del campione stesso rendendo omogenei i risultati. I campioni di residui di P. oceanica, preparati in laboratorio con una densità apparente, pari a quella misurata su campioni indisturbati nel sito di stoccaggio, sono stati posti in anelli metallici di diametro, D = 200 mm liberamente drenanti al fondo, chiusi con tessuto non tessuto e rete metallica di contenimento. Le prove di infiltrazione sono state condotte con un simulatore di pioggia di diametro pari a quello degli anelli, alimentato con una bottiglia di Mariotte (pressione costante). Nella sequenza delle prove le condizioni iniziali di umidità sono variate da 0.030 a 0.197, mentre il volume drenato, si è incrementato da 0.030 a 0.32. La condizione iniziale di umidità ha influenzato i tempi di ritardo che sono passati dai 3.87 minuti della prima prova ai 13.62 minuti dell’ultima prova. La densità apparente, stimata empiricamente in funzione dell’altezza H del campione, ha mostrato una variazione, da 0.130 a 0.140 g/cm3 che ha comportato una riduzione della porosità. Dalle prove eseguite è emerso come la compattazione dei residui di Posidonia abbia giocato un ruolo determinante durante il processo di infiltrazione. Sulla base di questa osservazione il modello teorico di infiltrazione adottato, valido su mezzi altamente porosi ma a porosità costante, è stato modificato introducendo sia l’effetto della compattazione che quello della parzializzazione della superficie effettivamente interessata dal processo di infiltrazione. La legge di infiltrazione tarata sui dati sperimentali per valori dell’intensità di pioggia variabili da i=20 a i=100 mm/h, per un ammasso di P. oceanica, messa a confronto con l’analoga legge di infiltrazione relativa ad un terreno con stesse caratteristiche idrologiche della P. oceanica, ha evidenziato in definitiva la differenza di comportamento dei due media. I residui di P. oceanica mostrano rispetto al terreno, tempi di ritardo molto brevi (infiltrazione veloce), poco variabili sia con l’intensità che con le condizioni iniziali di umidità. Per condizioni di umidità iniziale superiori a 0.15 i tempi di ritardo per il campione dei residui di P. oceanica tendono a crescere all’aumentare dell’umidità indicando, in questo campo, una lieve riduzione della permeabilità del mezzo. L’abbattimento della salinità nei residui di P. oceanica è stato valutato in laboratorio simulando in un campione un processo di lavaggio a pressione costante. I campioni di residui di P. oceanica appena spiaggiati mostrano un elevato valore di conducibilità elettrica (CE) iniziale nell’acqua di drenaggio ( 20 mS/cm) ed un rapido abbattimento del contenuto in sali già con i primi tre lavaggi unitari (di peso pari al peso del materiale dilavato). Gli ulteriori sei lavaggi hanno affinato la riduzione di CE fino al raggiungimento di valori accettabili all’utilizzo agricolo ( 2 mS/cm). Assunta una densità della P. oceanica pari a 0,1 g/cm3 un lavaggio unitario di un ammasso alto un metro corrisponde allora ad un volume d’acqua specifico di 100 mm. I valori estremi del processo di lavaggio dei residui appena spiaggiati sono stati confermati da analisi di salinità svolte secondo metodo standard con diluizione 1:20. L’abbattimento del contenuto salino dei residui di P. oceanica accumulati nel deposito all’aperto di Custonaci è avvenuto, in modo sostenibile, a mezzo di un dilavamento naturale durato poco più di un anno che ha ridotto il valore di CE a 2,8 mS/cm. Tale riduzione concorda con le sperimentazioni fatte, infatti, tenuto conto che la precipitazione media annua alla stazione pluviografica di S. Vito Lo Capo vale 474 mm e che lo spessore medio dell’ammasso è di 1 m, il deposito è stato soggetto a circa 6 lavaggi unitari che sono bastati per abbattere significativamente il valore di CE. Ulteriori lavaggi unitari applicati ad un campione di P. oceanica prelevato dal deposito hanno portato ad un CE pari a 1,8 mS/cm, dopo il primo lavaggio, che si è ridotto ulteriormente del 33,3% (CE=1,2 mS/cm) al terzo lavaggio unitario. L’individuazione delle specie vegetali biotecnicamente più idonee a rendere viva l’opera è stata condotta a mezzo di prove di resistenza a trazione, Tr, delle radici. Il prelievo delle specie vegetali autoctone da utilizzare per rendere vive le fascine è stato eseguito in 5 differenti stazioni nella provincia di Palermo. Gli elevati valori di tensioni di rottura delle radici delle specie vegetali prese in esame nello studio (A. mauritanicus, O. miliaceum, H. coronarium. M. lupulina, L. spartum, B. distachyon, R. officinalis, R. coriaria e S. junceum) confermano la loro adeguatezza nel campo del ripristino ambientale, della stabilizzazione dei versanti e nella prevenzione delle frane. In particolare S. junceum ha mostrato le migliori caratteristiche biotecniche in termini di legge tensioni/diametri e quindi è stato individuato come materiale da utilizzare preferibilmente per rendere vive le fascine. Da un’analisi più approfondita delle radici di S. junceum che crescono nelle due differenti giaciture di piano e di pendenza (22°- 28°- 40°), è stato possibile evidenziare come la giacitura in pendenza influenzi significativamente sia l’architettura complessiva del sistema radicale che lo stato tensionale dello stesso. L’indagine è stata eseguita in tre siti di prelievo (A, B e C) tutti in provincia di Palermo Nelle prove di trazione effettuate, in accordo con il maggiore sviluppo e la differente architettura radicale, i campioni di S. junceum prelevati in giacitura di pendenza hanno presentato i valori di tensione a rottura mediamente più alti. In corrispondenza dei diametri più bassi (0,5 mm) i valori di tensione a rottura sono risultati molto simili (61-70 MPa) nelle due giaciture mentre in corrispondenza dei diametri maggiori (>1 mm) la tensione a rottura dei campioni in piano risulta minore rispetto ai campioni in pendenza. Il test di covarianza (ANCOVA) applicato al campione delle tensioni di rottura con covariata il Diametro e variabili indipendenti il sito (A, B, C) e la giacitura (piano, pendenza) ha permesso di considerare non significativa la differenza tra i siti (suoli) e significativa la differenza tra le due giaciture. Nell’installazione delle fascine sperimentali si è stimata la crescita delle piantine in fitocella di S. junceum messe a dimora in diversi substrati. Dalle prime evidenze le piante cresciute sul substrato costituito dai residui di P. oceanica hanno presentato la maggior percentuale di attecchimento e la maggiore crescita epigea. Tale risultato può essere, con buona probabilità, attribuito alle proprietà fisiche ed alla capacità isolante dei residui. Difatti, la maggiore capacità drenante del substrato costituito dai residui di P. oceanica, rilevato durante le prove di infiltrazione, sembra aver giocato un ruolo positivo nell’attecchimento e sviluppo della pianta. Il controllo del microclima all’interno delle fascine è stato eseguito con misure di temperatura rilevate ad intervalli di 30 minuti da sensori hobo data logger inseriti ad una profondità di 5 cm, lasciati indisturbati per tutta la durata delle misure (dal 14.07.2017 al 20.11.2017). I dati sono stati misurati: a) nell’ambiente atmosferico, b) all’interno dei residui di P. oceanica contenuti nelle fascine e c) nel terreno contiguo all’istallazione. In totale sono stati raccolti 6201 valori di temperatura per ognuno dei tre sensori. Le misure di temperatura hanno evidenziato l’elevata capacità isolante dei residui di P. oceanica che si è manifestata con una significativa attenuazione, a livello dell’apparato radicale, delle temperature massime (36.6°C) nei residui di Posidonia e minime giornaliere (9.7°C), rispetto alle temperature massime (55.1°C) e minime (5.6°C) misurate nell’ambiente esterno nei due periodi considerati (estate e autunno). Le temperature medie più basse si sono registrate nei residui di Posidonia all’interno delle fascine, sia nel periodo estivo (25.7±3.6) che nell’arco temporale delle misure (21.8±5.2). È interessante osservare come il ruolo che tale materiale ha nel campo dell’edilizia come isolante termico possa risultare di interesse anche nel campo della coltivazione di specie vegetali. Infine, la ricerca svolta nei tre anni di dottorato ed i risultati conseguiti hanno portato al miglioramento della tecnica di realizzazione della fascinata le cui metodologie sono oggetto di una domanda di brevetto depositata dall’Università di Palermo. I vantaggi della nuova metodologia rispetto alle tecnologie attuali, possono sintetizzarsi come segue: • Riutilizzo sostenibile di materiali organici di scarto (sarmenti e P. oceanica spiaggiata e dilavata) con conseguente economia di realizzazione di una fascinata (opera I.N. lineare di consolidamento e protezione idrogeologica). • Meccanizzazione della produzione dei manufatti modulari (fascina) costituenti l’opera, che nell’attuale pratica prevede un assemblaggio solo di tipo manuale, con conseguente riduzione dei tempi di costruzione e dei costi ad esso associati. • Il prodotto proposto rende “strutturale”, con un sistema di collegamento dei moduli, un’opera che staticamente non è resistente alle azioni di spinta delle terre. • Riduzione dei tempi di messa in opera del manufatto lineare. Con la tecnica innovativa avanzata, grazie alla caratteristica strutturale del manufatto, si potranno realizzare opere su più piani (non più di tre) o opere chiuse. I residui di potatura della vite ed i residui di P. oceanica sono stati utilizzati anche nell’ambito di un progetto, finanziato dalla Comunità Europea, al Comune di Custonaci dal titolo “Primi interventi finalizzati a contenere il fenomeno della desertificazione del territorio Comunale Parco sub-urbano Portella del Cerriolo”. Recenti controlli di qualità dell’Unione Europea sulle opere realizzate con i suddetti materiali di scarto nel Parco sub-urbano Portella del Cerriolo a Custonaci, hanno evidenziato gli ottimi risultati raggiunti dal progetto. Per tale motivazione, La UE ha proposto la candidatura del suddetto progetto come best practices nell’area mediterranea per la lotta al fenomeno della desertificazione. L’uso dei due materiali, che rappresentano uno scarto di produzione agricola ed un rifiuto solido, ampiamente presenti sia in Sicilia che nella maggior parte dell’area mediterranea, si inquadra in un uso efficiente delle risorse (riuso sostenibile), nel risparmio economico ed energetico e nel pieno rispetto dell’ambiente.The world population is expanding continuously, and economic and demographic growth are leading to the exploitation of the environment and the reduction of natural resources (water and energy in particular), with potentially important impacts on global climate change. Therefore, more efficient management of resources is necessary, based on the reworking of sustainable objectives of environmental policies and strategies and lower consumption of resources, thus promoting the transition from a linear economy model to a circular one, consisting of a continuous positive development cycle that preserves and improves natural capital, optimizing the use of resources. Soil and Water Bioengineering uses plants as living building material in environmental and landscape development works. Such works with low environmental impact, promote biodiversity and, in addition, offer a promising strategy for mitigation and adaptation to climate change. Thus, the use of adequate, sustainable, easy to find and low-cost materials are essential for the achievement of these objectives. Considering the great availability of residues resulting from the annual pruning of vines and the annual cleaning of beaches from the leaves of Posidonia oceanica in Sicily, the aim of this thesis is to describe and apply innovative Soil and Water Bioengineering techniques that involve the construction of modular structures made with organic waste materials, namely, the residues of vine pruning (vine shoots) and beachside P. oceanica (banquette). In fact, every year, the pruning of vines produces high quantity residues (vine shoots), which represent a biomass to be disposed. At the same time, the beaching of P. oceanica residues is considered a problem by the population. It conflicts with a number of economic activities (tourism, bathing establishments, etc.). Even though seagrasses have a fundamental ecological role to play in limiting coastal erosion and promoting the formation of the coastal dune system, the presence of P. oceanica residues along the coast can reduce the tourism value of beaches. As a result, local authorities are required to remove banquette and dispose of them in landfills. Therefore, the use of this biomass has a double beneficial effect. It constitutes a solution to the problem of waste disposal and an opportunity for the creation of local and low-cost new products. Moreover, this waste can also be used in the field of environmental restoration. Therefore, the residual biomass considered a resource and no longer as waste, and has ecological and economic value. From the viewpoint of the circular economy, vine shoots were assembled in the form of fascines to constitute the basic element used to create a fascinate module, a linear Soil and Water Bioengineering work with anti-erosive, consolidation and stabilization functions, while the residues of P. oceanica were used as a growing medium to render the work "alive" after planting with native species. A series of analyses and experiments were carried within the framework of the thesis, in order to i) characterize both materials and evaluate their suitability as constituents of fascines, ii) identify the most biotechnically suitable plant species for rendering the work “alive”, and iii) evaluate the functionality of the work as a whole using observations made on a small prototype of fascinate set up in experimental fields at the University of Palermo. Finally, an innovative fascinates construction technique is presented, which is the object of patenting by the University of Palermo and was developed during the activities of this research doctorate. First of all