Problematiche connesse all utilizzo di softwares per la modellazione idrologico-idraulica dei bacini idrografici
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- Silvano Catalano
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1 Norme in materia urbanistica, paesaggistica e di assetto del territorio 6 giugno 2014 Jesi - Hotel Federico II Problematiche connesse all utilizzo di softwares per la modellazione idrologico-idraulica dei bacini idrografici Marco Materazzi, Marco Giacopetti (Scuola di Scienze e Tecnologie Sezione di Geologia - UNICAM)
2 TUFLOW MIKE FLOOD FLO2D SMS Surface Modeling System HEC-RAS
3 WMS Watershed Modeling System HEC-HMS
4 IL MODELLO GEOMORFOLOGICO IL MODELLO IDROLOGICO IL MODELLO IDRAULICO
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6 FORMULA DI KIRPICH Tc L 0.77 S Tc = tempo di corrivazione (ore) L = lunghezza asta principale (m) S = pendenza media del bacino FORMULA DI VENTURA Tc A I 0.50 Tc = tempo di corrivazione (ore) A = area del bacino (km 2 ) I = pendenza media dell asta principale FORMULA DI GIANDOTTI Tc 4 A 1.5L 0.8 Z Tc = tempo di corrivazione (ore) A = area del bacino (km 2 ) L = lunghezza asta principale (km) Z = altezza media del bacino (m) FORMULA DI PEZZOLI Tc L I Tc = tempo di corrivazione (ore) L = lunghezza dell asta principale (km) I = pendenza media dell asta principale FORMULA DI TOURNON FORMULA DI PUGLISI 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max I S h min 0.72 ) 1/3 Tc = tempo di corrivazione (ore) A = area del bacino (km 2 ) I = pendenza media dell asta principale S = pendenza media del bacino L = lunghezza dell asta principale (km) Tc = tempo di corrivazione (ore) h max = quota massima bacino h min = quota sezione chiusura L = lunghezza dell asta principale (km)
7 La curva ipsometrica esprime la distribuzione cumulativa delle quote in una zona. Nella figura un bacino idrografico è diviso in 8 parti uguali che coprono l altezza totale H. La superficie totale (A) è la somma delle aree dei singoli sottobacini, mentre (a) è l'area del sottobacino individuato al di sopra della corrispondente altezza h.
8 L altezza media (z mean ) viene determinata dalla curva ipsografica dalla seguente relazione z mean 1 A b Ab z A 0
9 Metodo di Alvard-Horton Il metodo consiste nel misurare la lunghezza totale L delle curve di livello incluse nel bacino (di assegnata equidistanza Δz) e poi calcolare la pendenza media i m dalla relazione zl i m A Metodo della griglia Consiste nel sovrapporre una griglia a maglia quadrata sulla rappresentazione topografica del bacino. Per ogni nodo della griglia si misura la distanza minore d tra le curve di livello posizionate in due riquadri differenti della griglia. Se Δz è il dislivello fra le curve di livello, la pendenza locale i i in corrispondenza del nodo i-esimo sarà La pendenza media del bacino, dove N è il numero di nodi, sarà perciò la media aritmetica delle singole pendenze i m 1 N ( i i i i z d... i 1 2 N i ) Maggiore il dettaglio della griglia, maggiore la precisione del metodo
10 Z (elevation of the river bed) E definita come la pendenza della linea di compensazione disegnata sopra il grafico che mostra il profilo longitudinale del corso d acqua La linea di compensazione deve essere tracciata cosi che le aree al di sopra e al di sotto del profilo longitudinale mostrino la stessa estensione. Compensation line slope L (distance from the spring)
11 ETE MORTO ALTO METAURO Valore integrale ipsografico Valore integrale ipsografico 0.319
12 PROBLEMATICHE CONNESSE ALL UTILIZZO DI ALCUNI SOFTWARES FREEWARE DATI MORFOMETRICI DEL BACINO IDROGRAFICO SOTTESO ALLA SEZIONE DI CHIUSURA CONSIDERATA TEMPO DI CORRIVAZIONE tc (ore) Superficie del Bacino Lunghezza percorso idraulico principale S = Km 2 4 S 1.5L Giandotti tc = Hm - H0 L = Km Altitudine max percorso idraulico Hmax = m (s.l.m.) Altitudine min percorso idraulico H0 = m (s.l.m.) Kirpich, Watt- Pendenza media percorso idraulico P = 0.01 (m/m) Chow, Pezzoli Altitudine max bacino Altitudine sezione considerata Altitudine media bacino Hmax = m (s.l.m.) H0 = m (s.l.m.) Hm = m (s.l.m.) Dislivello medio bacino Hm - H0 = m Giandotti tc Kirpich, Watt-Chow, Pezzoli... L = P Software freeware distribuito da geologi.it 0.8
13 BACINO: Ete Morto Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.21 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 510 Quota sezione chiusura (h min ) 23 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 BACINO: Ete Morto Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.21 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 510 Quota sezione chiusura (h min ) 23 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Q max ch ( t, T ) 3.6Tc Tc (Giandotti) = 9.34 h Tc (Giandotti) = h A Metodo razionale Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) % Qmax (m 3 /sec) Tr (anni)
14 BACINO: Metauro Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.37 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* 523 Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 BACINO: Metauro Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.37 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Tc (Giandotti) = 4.85 h Tc (Giandotti) = 5.97 h Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) % Qmax (m 3 /sec) Tr (anni)
15 BACINO: Ete Morto 4 A 1.5L Tc 0.8 Z Giandotti 9.34 Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.12 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 510 Quota sezione chiusura (h min ) 23 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h L Tc A S I S ) /3 min Kirpich 2.55 Ventura media Pezzoli Tournon Puglisi 8.82 Viparelli 0.19 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) BACINO: Ete Morto 4 A 1.5L Tc 0.8 Z Giandotti % Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.21 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 510 Quota sezione chiusura (h min ) 23 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h L Tc A S I S ) /3 min Kirpich 2.05 Ventura media Pezzoli Tournon Puglisi 8.82 Viparelli 0.19 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni)
16 BACINO: Metauro Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.15 Pendenza media asta principale (I) 0.04 Altezza media bacino (Z)(m)* 523 Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) A 1.5L Tc 0.8 Z Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h L Tc A S I S ) /3 min Giandotti 4.85 Kirpich 1.68 Ventura 7.97 media Pezzoli Tournon Puglisi 5.16 Viparelli 0.16 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) BACINO: Metauro 4 A 1.5L Tc 0.8 Z Giandotti % Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.37 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h L Tc A S I S ) /3 min Kirpich 1.19 Ventura 6.74 media Pezzoli Tournon 7.75 Puglisi 5.16 Viparelli 0.16 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni)
17 SOTTOBACINO_1 SOTTOBACINO_2 Valore integrale ipsografico Valore integrale ipsografico 0.361
18 BACINO: Sottobacino 1 (Metauro) Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.1 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 447 Coefficiente di deflusso ( c ) A 1.5L Tc 0.8 Z Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L S I S 0.72 Giandotti 2.52 Kirpich 1.11 Ventura 2.92 media Pezzoli Tournon 6.09 BACINO: Sottobacino 1 (Metauro) Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.47 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 1384 Quota sezione chiusura (h min ) 447 Coefficiente di deflusso ( c ) A 1.5L Tc 0.8 Z Tc L A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L S I S 0.72 Giandotti 2.87 Kirpich 0.61 Ventura 2.90 media Pezzoli Tournon 3.48 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) % Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) Tc 6L 2/3 ( h max h ) 1/3 min Puglisi 3.29 Tc 6L 2/3 ( h max h ) 1/3 min Puglisi 3.29 L Tc A Viparelli 0.31 L Tc A Viparelli 0.31
19 BACINO: Sottobacino 2 (Metauro) Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.13 Pendenza media asta principale (I) Altezza media bacino (Z)(m)* 230 Quota massima bacino (h max ) 798 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 BACINO: Sottobacino 2 (Metauro) Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.32 Pendenza media asta principale (I) 0.04 Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 798 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) 0.3 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) A 1.5L Tc 0.8 Z Giandotti A 1.5L Tc 0.8 Z Giandotti % Tc L S Kirpich 0.92 Tc L S Kirpich 0.65 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h 0.50 I S ) /3 min Ventura 3.17 media Pezzoli Tournon 4.64 Puglisi 3.84 A Tc I L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max h 0.50 I S ) /3 min Ventura 3.21 media Pezzoli Tournon 3.37 Puglisi L Tc A Viparelli 0.43 L Tc A Viparelli 0.43
20 BACINO: Sottobacino 2 (Metauro) Area bacino (A) (km 2 ) Lunghezza asta principale (L) (km) Pendenza media bacino (S) 0.32 Pendenza media asta principale (I) 0.04 Altezza media bacino (Z)(m)* Quota massima bacino (h max ) 798 Quota sezione chiusura (h min ) 338 Coefficiente di deflusso ( c ) A 1.5L Tc 0.8 Z Tc L A Tc I 0.77 L Tc I 0.396L A Tc 2 I L Tc 6L 2/3 ( h max Tc h L A 0.50 S I S ) /3 min Giandotti 3.82 Kirpich 0.65 Ventura 3.21 media Pezzoli Tournon 3.37 Puglisi 3.84 Viparelli 0.43 Qmax (m 3 /sec) Tr (anni) % Qmax (m 3 /sec) Tr (anni)
21 .a parità di tutti gli altri parametri.. 1) L utilizzo del solo Metodo di Giandotti ed un errata valutazione dell altezza media del bacino portano a: SOVRASTIMARE le portate di piena nei bacini «vecchi» SOTTOSTIMARE le portate di piena nei bacini «giovani» (es: piccoli bacini alto-collinari e montani) 2) In generale, un errata valutazione dei parametri morfometrici del bacino porta a: SENSIBILI SCOSTAMENTI DAI VALORI REALI (positivi o negativi) 3) Lo scostamento è statisticamente più marcato nei BACINI MINORI 4) L utilizzo di un solo metodo, anche se metodologicamente corretto, può portare a: ERRORI ANCHE MOLTO GROSSOLANI
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23 Metodo razionale Q max ch ( t, T ) A 3.6Tc Q max = portata di piena (m 3 /s) c = coefficiente di deflusso A = superficie del bacino (km 2 ) Tc = tempo di corrivazione (ore) h(t, T) = altezza critica di pioggia con tempi di ritorno (mm) Metodo del SCS (Soil Conservation Service) Q 2 ( P I a ) ( P I ) S a I a. 2 S AMC Q = runoff (mm) P = precipitazioni (mm) S = potenziale di ritenzione (mm) I a = perdita iniziale (mm) S CN Totale di pioggia nei 5-giorni precedenti l evento (mm) Stagione di riposo Stagione di crescita I Meno di 13 Meno di 36 II Da 13 a 28 Da 36 a 53 III Più di 28 Più di 53
24 HSG A B C D Tessitura Sand, loamy sand, or sandy loam Silt loam or loam Sandy clay loam Clay loam, silty clay loam, sandy clay, silty clay or clay Gruppo A: suoli con bassa capacità di formare deflussi; elevata infiltrabilità anche in condizioni di saturazione; suoli sabbiosi o ghiaiosi profondi e ben drenati; conducibilità idrica elevata (maggiore di 7.6mm/hr). Gruppo B: suoli con modesta infiltrabilità se saturi; discretamente drenati e profondi con tessitura medio-grossolana; conducibilità idrica moderata ( mm/hr). Gruppo C: suoli con basso tasso di infiltrazione se saturi; suoli con uno strato che impedisce il movimento verso il basso oppure suoli con tessitura medio-fine e bassa infiltrabilità; conducibilità idrica bassa ( mm/hr). Gruppo D: suoli con elevata capacità di formare deflussi; suoli ricchi di argilla con capacità ringonfianti, suoli con uno strato di argilla vicino alla superficie e suoli poco profondi su substrati impermeabili; conducibilità idrica estremamente bassa (0-1.3 mm/hr).
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28 ESEMPIO 1 69 / 79 = 74 Sottobacino_2 49 / 69 = 59 Prato pascolo
29 METODI SCS CN (perdite) IDROGRAMMA UNITARIO DI CLARK (afflussi-deflussi) + 96%
30 ESEMPIO 2 Coltivazione lungo le linee di livello (counturing cropping) maggese Coltivazione a strisce alternate (strip cropping)
31 79 86
32 METODI SCS CN (perdite) IDROGRAMMA UNITARIO DI CLARK (afflussi-deflussi) + 16%
33 ESEMPIO 5 grano girasole
34 65 77
35 METODI SCS CN (perdite) IDROGRAMMA UNITARIO DEL SCS (afflussi-deflussi) + 43%
36 Corine Land Cover ESEMPIO 6
37 METODI SCS CN (perdite) IDROGRAMMA UNITARIO DI CLARK (afflussi-deflussi) + 91%
38 SCS CN (perdite) METODI (afflussi-deflussi) IDROGRAMMA UNITARIO DI CLARK IDROGRAMMA UNITARIO DEL SCS
39 1) La scelta della classe di suolo andrebbe scelta sulla base di analisi accurate come: PROVE DI LABORATORIO (granulometriche, permeabilità..) RILIEVI SUL TERRENO (areale, spessore.) CARTE PEDOLOGICHE AGGIORNATE E DI ESTREMO DETTAGLIO 2) Il valore del CN (uso del suolo) andrebbe scelto tramite: SOPRALLUOGHI E RILIEVI ANALISI AEROFOTOGRAMMETRICHE CARTE DELL USO DEL SUOLO AGGIORNATE 3) Monitoraggi sul terreno e processi di taratura del modello sulla base di eventi reali devono essere condotti al fine di: RIFINIRE (se necessario) I PARAMETRI DEL SUOLO SCEGLIERE IL METODO PIU IDONEO PER LA VALUTAZIONE DELLE PIOGGIE EFFICACI E PER LA TRASFORMAZIONE AFFLUSSI-DEFLUSSI
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41 Rilievo delle zone emerse Stazioni totali GPS Rilievo delle zone sommerse Ecoscandagli
42 La caratterizzazione della piana fluviale utilizzando DTM a diversa risoluzione
43 LA TECNOLOGIA LIDAR Componenti e funzionamento del sistema LiDAR aerotrasportato Le riflessioni multiple dell impulso laser
44 LA TECNOLOGIA LIDAR
45 Effetto del basso angolo di incidenza dell impulso laser: sottostima della profondità del canale e sovrastima delle larghezze rilevate alla sommità delle sponde (modificata da JAMES et alii, 2007). La linea blu rappresenta un ipotetica sezione topografica mentre la linea rossa indica il profilo rilevato con il LiDAR LA TECNOLOGIA LIDAR
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48 LA STIMA INDIRETTA DELL INDICE DI MANNING Type of Channel and Description Minimum Normal Maximum Natural streams - minor streams (top width at floodstage < 100 ft) 1. Main Channels a. clean, straight, full stage, no rifts or deep pools b. same as above, but more stones and weeds c. clean, winding, some pools and shoals d. same as above, but some weeds and stones e. same as above, lower stages, more ineffective slopes and sections f. same as "d" with more stones g. sluggish reaches, weedy, deep pools h. very weedy reaches, deep pools, or floodways with heavy stand of timber and underbrush Mountain streams, no vegetation in channel, banks usually steep, trees and brush along banks submerged at high stages a. bottom: gravels, cobbles, and few boulders b. bottom: cobbles with large boulders
49 3. Floodplains a. Pasture, no brush 1.short grass high grass b. Cultivated areas 1. no crop mature row crops mature field crops c. Brush 1. scattered brush, heavy weeds light brush and trees, in winter light brush and trees, in summer medium to dense brush, in winter medium to dense brush, in summer d. Trees dense willows, summer, straight cleared land with tree stumps, no sprouts 3. same as above, but with heavy growth of sprouts 4. heavy stand of timber, a few down trees, little undergrowth, flood stage below branches 5. same as 4. with flood stage reaching branches
50 Alcuni esempi di valori tabulati del coefficiente n di Manning
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53 LA STIMA DIRETTA DELL INDICE DI MANNING: UN EVENTO REALE TRATTO TERMINALE DEL FIUME POTENZA 1-2 DICEMBRE 2013 PORTATA MASSIMA REGISTRATA Q max = 586 m 3 /s
54 L INFLUENZA DEL COEFFICIENTE DI SCABREZZA
55 L ANALISI DI SENSIBILITA
56 ESPERIENZE DI TERRENO SUL COEFFICIENTE DI SCABREZZA 1) E stato stimato che la perdita dovuta alle forme di fondo sia almeno 5 10 volte più grande di quella provocata dalla scabrezza del contorno 2) Studi di dettaglio (Znamenskaya, 1967) hanno valutato che le perdite di energia che si hanno sulla faccia di valle delle forme di fondo sono di un ordine di grandezza maggiori di quelle sulla faccia di monte. 3) Vari studi sperimentali citano casi di diminuzione del fattore di attrito dell ordine di 10 volte con l aumento della portata al passaggio di una piena. Questa diminuzione di resistenza non è giustificata dalla diminuzione del valore della scabrezza relativa ma deve ascriversi al fatto che le forme di fondo vengono spianate quando la velocità della corrente aumenta
57 1) Una corretta ricostruzione della geometria dell alveo dovrebbe prevedere: RILIEVI TOPOGRAFICI DI DETTAGLIO (teodoliti, GPS.) CARTOGRAFIE DI ESTREMO DETTAGLIO (1:1000 o inferiori, LIDAR) 2) L utilizzo delle tecnologia LIDAR per la definizione della geometria dell alveo può dar luogo a errori anche significativi: SOTTOSTIMA DELLA PROFONDITA DEL CANALE SOVRASTIMA DELLE LARGHEZZE RILEVATE ALLA SOMMITÀ DELLE SPONDE 3) Studi in letteratura (Pavlovic & Moglen, 2008) confermano anche come al variare della risoluzione del DEM (diminuzione) si ha: SOVRASTIMA DELLE PORTATE DI PIENA 4) Il coefficiente di scabrezza (Manning) andrebbe preferibilmente stimato tramite: BACK ANALYSIS A PARTIRE DA UN EVENTO REALE: 5) L analisi di sensibilità effettuata utilizzando differenti valori del coefficiente di Manning e differenti tempi di ritorno ha mostrato: VARIAZIONI SIGNIFICATIVE DELLE PORTATE DI PIENA IN UN RANGE COMPRESO TRA IL 5 ED IL 30%
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