UNIVERSITA ROMA TRE Laurea Specialistica in Infrastrutture Viarie e di Trasporto. Corso di Infrastrutture di Trasporto e Grandi Rischi

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1 UNIVERSITA ROMA TRE Laurea Specialistica in Infrastrutture Viarie e di Trasporto Claudio Cosentino Corso di Infrastrutture di Trasporto e Grandi Rischi I rischi eccezionali sulle infrastrutture di trasporto: progetto e principi per la gestione ordinaria e gli interventi di protezione civile Inondazioni Seminario 29 e 31 ottobre 2003, Roma

2 Relazione tra rischio idrologico e infrastruttura stradale (1) Il rischio idrologico fa riferimento alla possibilità di accadimento di eventi meteo (precipitazioni) - idrologici (piene) di modalità ed intensità tale da provocare danni ad elementi del territorio (persone, beni, infrastrutture, ambiente) Nel caso specifico delle strada il rischio idrologico può realizzarsi come: Innesco di fenomeni gravitativi (frane, valanghe, colate detritiche) Fenomeni di insufficienza idraulica Esondazioni Il rischio idrologico ha un doppio legame causa-effetto con la rete viaria: Le conseguenze dell evento meteoidrologico sulla sicurezza, funzionalità ed integrità della rete stradale L impatto della realizzazione di infrastrutture viarie sul territorio in termini di incremento del rischio idrologico per effetto della riduzione della capacità di infiltrazione, aumento della celerità dei deflussi, interruzione della continuità della rete naturale di drenaggio, riduzione delle aree di espansione fluviale Cause pericolosità idraulica in Sardegna DL180/98 2

3 Esempi di danni per ruscellamento delle acque 3

4 Relazione tra rischio idrologico e infrastruttura stradale (2) Il sistema dei trasporti, con particolare riferimento alla rete viaria, rientra a pieno titolo tra i Sistemi di Lifeline. Pertanto nella valutazione del rischio idrologico e delle possibili misure di prevenzione, mitigazione e gestione dell emergenza è necessario tenere conto: Esposizione diretta degli utenti stradali (sicurezza) Esposizione indiretta della popolazione residente per la riduzione della disponibilità/funzionalità della rete viaria Ruolo della rete viaria nelle attività postevento di evacuazione, soccorso, ripristino delle condizioni di vita ordinarie 4

5 La gestione del rischio idrologico Programmazione nazionale di assetto del territorio (L.183/89) Conoscenza del territorio Pianificazione di bacino Programmazione interventi difesa del suolo Attività di Protezione Civile (L.225/92) Previsione Prevenzione Soccorso Ripristino Analisi e mappatura del rischio Piani Straordinari di Assetto Idrogeologico Piani Stralcio di Assetto Idrogeologico Piani di bacino Misure di prevenzione e mitigazione Vincoli di salvaguardia Interventi di rinforzo preventivo (pericolosità) e protettivo (vulnerabilità) Interventi di manutenzione Sistemi di monitoraggio ed allerta Gestione del traffico Gestione dell emergenza post evento Pronto intervento di salvataggio e assistenza sanitaria Evacuazione Restrizioni, deviazioni del traffico Ispezione e rilievo dei danni diretti ed indiretti Interventi immediati e temporanei 5

6 La gestione del rischio idrologico Programmazione nazionale di assetto del territorio (L.183/89) I Piani Stralcio di Assetto Idrogeologico 6

7 Programmazione nazionale di assetto del territorio I contenuti del piano D.P.R. 18 luglio STATO DELLE CONOSCENZE Descrizione dell'ambiente fisiografico Individuazione del bacino Morfologia, geologia, pedologia ed idrogeologia del bacino, uso del suolo Climatologia ed idrologia Sedimentologia e trasporto solido Normativa e caratterizzazione delle ripartizioni amministrative Descrizione dell'ambiente antropico Utilizzo delle acque Censimento degli scarichi nei corpi idrici Stato di qualità delle acque Stato di manutenzione e di efficienza delle opere 2. INDIVIDUAZIONE DEGLI SQUILIBRI Situazioni di rischio idraulico, geologico, sismico Alterazioni nella qualità degli ecosistemi (flora, fauna) Insufficienze nella disponibilità quali-quantitativa delle risorse Sovrasfruttamento delle risorse disponibili Inquinamento delle acque e del suolo Mancata rispondenza delle opere esistenti agli specifici obiettivi da raggiungere 3. AZIONI PROPOSITIVE La legge 189/89 ha introdotto il concetto di programmazione e gestione del territorio come una attività unitaria basata sul riconoscimento del bacino idrografico come sistema ambientale integrato. A questo fine il territorio nazionale è suddiviso in bacini a rilevanza nazionale, interregionale e regionale Il Piano di bacino ha valore di piano territoriale di settore ed è lo strumento conoscitivo, normativo e tecnico-operativo mediante il quale sono pianificate e programmate le azioni e le norme d'uso finalizzate alla conservazione, alla difesa e alla valorizzazione del suolo e la corretta utilizzazione delle acque, sulla base delle caratteristiche fisiche ed ambientali del territorio interessato Data la sua complessità il Piano di bacino può essere elaborato per stralci funzionali (L. 493/93) 7

8 I Piani di Assetto Idrogeologico Il decreto-legge 180/98, convertito con la legge 267/98, all indomani dell evento Sarno, ha imposto una accellerazione della pianificazione di bacino finalizzata all individuazione e perimetrazione delle aree a rischio idrogeologico In particolare è stabilito: L dozionedi piani stralcio per l'assetto idrogeologico L adozione di misure di salvaguardia per le aree a rischio idrogeologico La predisposizione per le aree a rischio idrogeologico, da parte degli organi di protezione civile, con priorità assegnata a quelle in cui la maggiore vulnerabilità del territorio si lega a maggiori pericoli per le persone, le cose e il patrimonio ambientale, piani urgenti di emergenza contenenti le misure per la salvaguardia dell'incolumita' delle popolazioni interessate, compreso il preallertamento, l'allarme e la messa in salvo preventiva, anche utilizzando i sistemi di monitoraggio L individuazione delle infrastrutture e i manufatti che determinano il rischio idrogeologico al fine di adeguare le infrastrutture e di rilocalizzare fuori dell'area a rischio le attività produttive e le abitazioni private Nelle more della redazione dei PAI, all indomani delle alluvioni del nord d Italia dell inverno , il decreto-legge 132/99, convertito con legge 266/99 ha imposto l approvazione di piani straordinari per l'assetto idrogeologico diretti all'individuazione e perimetrazione delle aree a rischio idrogeologico più elevato. Per dette aree sono adottate temporanee misure di salvaguardia fino all adozione dei PAI 8

9 Gestione preventiva delle aree a rischio idrogeologico Atto di indirizzo e coordinamento D.P.C.M. 29 settembre 1998 Ai fini della classificazione e dell applicazione obbligatoria dei vincoli di salvaguardia, sono definite quattro classi di rischio: moderato R1: danni sociali, economici e al patrimonio ambientale marginali medio R2: possibili danni minori a edifici, a infrastrutture e al patrimonio ambientale che non pregiudicano l'incolumità delle persone, l'agibilità degli edifici e la funzionalità delle attività economiche elevato R3: possibili problemi per l'incolumità delle persone, danni funzionali a edifici e infrastrutture (inagibilità), interruzione di funzionalità delle attività socioeconomiche e danni rilevanti al patrimonio ambientale molto elevato R4: possibili perdite di vite umane e lesioni gravi, danni gravi a edifici, infrastrutture e al patrimonio ambientale, distruzione di attività socioeconomiche Obiettivo dei PAI, ovvero dei PSAI, è la gestione preventiva delle aree a rischio, in tre fasi: Individuazione delle aree a rischio idraulico Individuazione delle aree soggette a rischio idrogeologico, attraverso l'acquisizione delle informazioni disponibili sullo stato del dissesto (es. progetto Aree Vulnerate Italiane - AVI) Perimetrazione e valutazione dei livelli di rischio 1. Delimitazione aree inondabili (pericolosità) (progetto VAPI) 2. Identificazione dei valori esposti e della loro vulnerabilità rispetto a eventi idraulici 3. Perimetrazione delle aree a rischio Programmazione della mitigazione del rischio Individuazione interventi per mitigazione o rimozione dello stato di rischio immediato Individuazione interventi strutturali e non strutturali di mitigazione del rischio idraulico Apposizione di vincoli definitivi all'utilizzazione territoriale edefinizione misure di 9

10 Delimitazione delle aree inondabili Perimetrazione delle aree soggette a pericolosità idraulica: D.P.C.M. 29 settembre 1998 delineazione di 3 fasce fluviali caratterizzate da 3 diverse probabilità di evento ovvero da diversa pericolosità di piena: A) aree ad alta probabilità di inondazione Tr = anni B) aree a moderata probabilità di inondazione Tr = anni C) aree a bassa probabilità di inondazione Tr di anni 10

11 Esposizione e vulnerabilità della rete viaria Atto di indirizzo e coordinamento D.P.C.M. 29 settembre 1998 Sono da considerarsi come valori prioritari esposti a rischio: l'incolumità delle persone ed inoltre, con carattere di priorità gli agglomerati urbani comprese le zone di espansione urbanistica le aree su cui insistono insediamenti produttivi, impianti tecnologici di rilievo, in particolare quelli definiti a rischio, ai sensi di legge le infrastrutture a rete e le vie di comunicazione di rilevanza strategica, anche a livello locale i beni ambientali e culturali di interesse rilevante le aree sede di servizi pubblici e privati, di impianti sportivi e ricreativi, strutture ricettive ed infrastrutture primarie Analisi delle criticità strutturali ed infrastrutturali tratti delle rete soggetta a danneggiamento crollo di strutture dissesto del manto tratti e componenti di rete soggetti a interruzione di funzionalità: esondazione anche locale accumulo di materiale influenza della rete stradale sulla dinamica ed estensione dell inondazione (attraversamenti, ambiente urbano) Valutazione delle caratteristiche funzionali identificazione dei principali componenti critici presenti nell ambito della rete: determinazione dei flussi medi interpretazione dei caratteri della domanda di mobilità identificazione delle condizioni maggiormente critiche 11

12 Determinazione delle aree a rischio idrogeologico Perimetrazione e valutazione dei livelli di rischio D.P.C.M. 29 settembre 1998 La sovrapposizione della carta delle aree inondabili con la carta degli insediamenti, delle attività antropiche e del patrimonio ambientale delinea le zone con differenti livelli di rischio, al fine di stabilire le misure più urgenti di prevenzione mediante interventi e/o misure di salvaguardia Tevere tratto Orte Castel Giubileo 12

13 Misure di salvaguardia (1) Aree a rischio molto elevato sono consentiti gli interventi idraulici volti alla messa in sicurezza delle aree a rischio sono consentiti interventi a condizione che non comportino significativo ostacolo al deflusso o riduzione apprezzabile della capacità di invaso delle aree stesse: demolizione senza ricostruzione, manutenzione ordinaria e straordinaria, restauro, risanamento conservativo, senza aumento di superficie o volume ei volti a mitigare la vulnerabilità dell'edificio manutenzione, ampliamento o ristrutturazione delle infrastrutture pubbliche o di interesse pubblico riferiti a servizi essenziali e non delocalizzabili, nonché la realizzazione di nuove infrastrutture parimenti essenziali, purché non concorrano ad incrementare il carico insediativo e non precludano la possibilità di attenuare o eliminare le cause che determinano le condizioni di rischio, e risultino essere comunque coerenti con la pianificazione degli interventi d'emergenza di protezione civile Aree a rischio elevato Sono consentiti esclusivamente: interventi consentiti nelle aree a rischio molto elevato ristrutturazione edilizia, a condizione che aumenti il livello di rischio e non comporti significativo ostacolo o riduzione apprezzabile della capacità di invaso ovvero che le superfici destinate ad uso abitativo o comunque ad uso economicamente rilevante siano realizzate a quote compatibili con la piena di riferimento interventi di ampliamento degli edifici esistenti unicamente per motivate necessità di adeguamento igienico-sanitario, purché siano compatibili con le condizioni di rischio che gravano sull'area. manufatti che non siano qualificabili quali volumi edilizi purché siano compatibili con le condizioni di rischio che gravano sull'area 13

14 Misure di salvaguardia (2) Direttive tecniche per l'individuazione e perimetrazione delle aree a rischio idrogeologico D.M. Lavori pubblici 14 febbraio 1997 Nelle zone ad alto rischio di esondazione (T1 = 30 anni), imposto o confermato il vincolo di inedificabilità o avviati interventi di protezione o di delocalizzazione degli insediamenti Per le zone a moderato rischio di esondazione (T2 = 200 anni), regolamentato l uso salvaguardando le aree di naturale espansione al fine, da un lato di mantenere e migliorare le condizioni di funzionalità idraulica, dall'altro di mantenere e migliorare le caratteristiche naturali e ambientali dei siti. Interventi potranno essere autorizzati a condizione che gli stessi non comportino una riduzione o una parzializzazione apprezzabile della capacità di invaso e di laminazione Nelle zone a bassa probabilità di inondazione (T3 = 500 anni), l'aumento del livello di sicurezza delle popolazioni affidato alla predisposizione di adeguati piani di allertamento e di interventi atti a mitigare l'effetto delle inondazioni. 14

15 Le mappe di rischio: il caso del Tevere a Roma S.S. 2 bis FASCE INONDABILI TR = 50, 200, 500 ANNI CARTA DEGLI INSEDIAMENTI, DELLE ATTIVITÀ ANTROPICHE E DEL PATRIMONIO AMBIENTALE PERIMETRAZIONE AREE A RISCHIO IDROGEOLOGICO VINCOLI DI SALVAGUARDIA MISURE DI PREVENZIONE S.S. 3 G.R.A. S.S. 4 15

16 La gestione del rischio idrologico Attività Protezione Civile (L.225/92) I Piani di Emergenza per il rischio idrogeologico 16

17 Procedure di emergenza della Protezione Civile Il Piano di protezione civile è lo strumento per fronteggiare le emergenze in aree soggette a frequenti inondazioni. Il Piano è uno strumento di pianificazione che, sulla base di scenari di riferimento, individua e disegna le diverse strategie finalizzate a ridurre il danno ovvero al superamento dell'emergenza Obbiettivo del Piano è la salvaguardia delle persone e, quando e se possibile, dei beni presenti in un'area a rischio attraverso l'utilizzo di strategie non strutturali finalizzate alla minimizzazione del danno producibile Il Piano è sostanzialmente costituito da uno Scenario di evento e da un Modello di intervento di emergenza e di soccorso dove lo scenario costituisce elemento di supporto decisionale nella predisposizione del suddetto modello di intervento In generale sono individuabili 5 principali tipologie di scenario di riferimento (Direttiva Sperimentale del Dipartimento della Protezione Civile novembre 1996): fenomeni di inondazione ed allagamento connessi a fognature, scoli di drenaggio ed a rii con bacini di dimensioni fino a 10 Km 2 fenomeni di inondazione nell ambito di bacini di dimensioni comprese tra qualche decina di Km 2 fino a qualche centinaia fenomeni di inondazione nell ambito di bacini di dimensioni comprese tra qualche centinaia di Km 2 fino a qualche migliaia fenomeni di inondazione conseguenti a rotte di argini maestri nei tratti terminali arginati di grandi fiumi fenomeni di allagamento conseguenti all innalzamento del livello dei laghi o della falda in zone depresse 17

18 Lo schema del Piano di Emergenza Linee guida per la predisposizione del piano comunale di Protezione Civile, Rischio idrogeologico CNR 1998 Contenuti Schema Guida del Piano Procedure Modalità di formazione del Piano Obbiettivi Priorità ed obbiettivi Interrelazioni Altri strumenti di pianificazione alutazione e controllo dell operatività Formazione e comunicazione 18

19 Caratteristiche del territorio Identificazione della pericolosità idraulica 19

20 Scenario di Evento Ubicazione della aree soggette a esondazione 20

21 Scenario di Rischio (1) Identificazione degli elementi di vulnerabilità della rete viaria 21

22 Scenario di Rischio (2) Mappatura di dettaglio degli elementi a rischio della rete viaria 22

23 Modelli di intervento (1) Fase di emergenza (t 0 ) Fase di pre-allerta (t 0 48 h) Fase di allerta(t 0 24 h) Il Comune riceve il messaggio di Pre-allerta tipo: si comunica che per le prossime 48 ore sono previste precipitazioni molto 1. Il Sindaco convoca e mantiene il Comitato Comunale di Protezione Civile costituito da: Sindaco, Assessore LL.PP., Tecnico/i del Comune, Vigili Urbani, Rappresentante del locale volontariato, Rappresentante del locale Comando dei Carabinieri. 2. Immediata ricognizione nelle zone potenzialmente inondabili per localizzare tutte le situazioni che potrebbero determinare incremento di danno 3. Restrizioni al traffico, ai parcheggi, messa in sicurezza de cantieri Esondazione avvenuta Fase di soccorso Il Sindaco avvia le attività del Piano di Soccorso comunale 1. Analisi delle situazioni e valutazioni delle necessità di primo intervento per la viabilità di soccorso, evacuazione, assistenza sanitaria, movimentazione materiali Verifica interruzioni / Percorsi alternativi / Piste temporanee / Interventi immediati 2. Controllo della funzionalità della rete per la gestione del traffico Chiusura, deviazioni e rinstradamento del traffico, segnaletica temporanea 3. Valutazione dei danni ai componenti della rete dei trasporti Danni diretti (evento principale) Danni indiretti (eventi correlati): crolli successivi, caduta massi, instabilità pendii, danni ai sottoservizi, incidenti stradali 23

24 Modelli di intervento (2) Valutare la perdita di funzionalità dei trasporti Individuare i relativi percorsi alternativi in relazione alle diverse situazioni possibili Rispetto alle diverse interruzioni previste identificare le necessità per il ripristino funzionale nel più breve tempo possibile 24

25 Modelli di intervento (3) Schema operativo di acquisizione dati (da compilare in caso di evento al fine di dare supporto durante le fasi del soccorso) Linee guida per la predisposizione del piano comunale di Protezione Civile Rischio idrogeologico CNR

26 La cartografia di supporto: il caso di Reggio Emilia (1) 26

27 La cartografia di supporto: il caso di Reggio Emilia (2) 27

28 La gestione del rischio idrologico Sistemi di monitoraggio ed allerta Il preannuncio meteo-idrologico 28

29 Diramazione di allarmi di condizioni meteo (1) Direttiva Sperimentale del Dipartimento della Protezione Civile novembre

30 Diramazione di allarmi di condizioni meteo (2) Direttiva Sperimentale del Dipartimento della Protezione Civile novembre

31 Diramazione di allarmi di condizioni meteo (2) Direttiva Sperimentale del Dipartimento della Protezione Civile novembre

32 Sistemi di monitoraggio ed allerta La gestione dell emergenza pre (previsione e preparazione) e post evento (soccorso e ripristino) richiedono Sistemi di Monitoraggio ed Allerta che forniscano con quanto più anticipo possibile stime affidabili del realizzarsi di eventi idrologici a rischio in termini di: localizzazione intensità durata Metodo di Previsione Dati d ingresso Tempo di allerta Affidabilità PREANNUNCIO IDRAULICO modello idraulico di propagazione delle piene misure di livelli idrici lunghezza asta di fiume, celerità di propagazione ottima PREANNUNCIO IDROLOGICO modello idrologico afflussi-deflussi osservazioni di precipitazione in tempo reale dimensioni del bacino, tempo di risposta buona PREANNUNCIO METEO- IDROLOGICO modello meteorologico quantitativo + modello idrologico afflussi-deflussi condizioni iniziali per modello meteo ed idrologico prestazioni del modello meteo accettabile fino a? 32

33 Il preannuncio meteo-idrologico Allo stato attuale dell arte solo i sistemi di preannuncio basati sull accoppiamento di modelli meteorologici numerici modelli afflussi-deflussi possono : fornire stime affidabili delle precipitazioni caratterizzato da un sufficiente anticipo (tempi di preavviso oltre le 6 ore) consentire il tempestivo allertamento degli organi decisionali e l attivazione dei Piani di Protezione Civile tenuto in conto della complessità morfologica e orografica della penisola italiana e di conseguenti tempi di risposta idrologica molto breve alle sollecitazioni pluviometriche Classe Fondamenti Affidabilità Tecniche di cloud tracking Modelli parametrici alla scala di nube Metodi statistici basati sull impiego di sensori remoti, satelliti e radar, attraverso il riconoscimento e la predizione della traiettoria dei corpi nuvolosi basati sull equazione globale di conservazione del contenuto di acqua all interno del volume di atmosfera sull area di studio basati sulla correlazione temporale delle serie di precipitazioni fino a 1-2 ore fino a 3 ore fino a 4 ore Modelli metereologici numerici integrano le equazioni fondamentali di conservazione del momento, della massa e dell energia su griglia spazio-temporale oltre le 6 ore 33

34 Schema operativo per il preannuncio (1) PREVISIONE METEOROLOGICA Previsione dell evento meteorologico critico Identificazione della sezione stradale critica MODELLO IDROLOGICO IDRAULICO GEOMECCANICO Simulazione degli effetti sul territorio Azioni di protezione attiva PROTOCOLLO DI EMERGENZA SISTEMA DI GESTIONE DELLA RETE STRADALE Valutazione dell impatto sull infrastruttura viaria Azioni di mitigazione e soccorso Attivazione delle procedure di protezione e mitigazione 34

35 Schema operativo per il preannuncio (2) Lo schema concettuale di preannuncio è una procedura complessiva che, a partire dalle previsioni meteorologiche fornisce stime quantitative di scorrimento superficiale in una area di riferimento e quindi, indica dei livelli crescenti di attenzione nelle sezioni stradali individuate come critiche. Ne risulta la possibilità dell attuazione dei piani di emergenza sulla base del modello di viabilità e gestione del traffico interessato alla crisi. 1. Fase di previsione meteorologica Previsione delle precipitazione mediante modello meteorologico ad area limitata, le cui condizioni iniziali ed al contorno sono fornite, mediante un processo di annidamento, dal modello del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio-termine 2. Fase di accoppiamento modello meteorologico modello idrologico Pre-elaborazione delle previsioni di precipitazione prima dell ingresso al modello idrologico, anche mediante l integrazione con le osservazioni in tempo reale da reti di rilevamento. Le motivazioni di queste operazioni risiedono nella necessità di superare le problematiche di differenza di scala e di calibrazione 3. Fase di simulazione idrologica-idraulica Valutazione degli effetti della precipitazione in termini di deflussi, livelli idrici, cedimenti ed altri parametri che indicano l entrata in crisi di una sezione stradale sotto controllo, attraverso l applicazione sul sistema naturale in esame di un modello distribuito fisicamente basato 4. Fase di avvio delle procedure di emergenza Individuazione degli itinerari alternativi per il dirottamento del traffico, ovvero attivazione di misure di protezione temporanea (argini mobili, scolmatori) e di soccorso, sulla base del modello di viabilità e di gestione del traffico 35

36 I modelli meteorologici numerici (1) I modelli meteorologici numerici descrivono i moti dell'atmosfera attraverso la soluzione approssimata delle equazioni fondamentali della fluidodinamica su una griglia spazio-temporale: I modelli di circolazione globale (GCM) risolvono le equazioni primitive su una griglia estesa su tutta la terra, prevedendo l evoluzione dei campi di pressione, temperatura, velocità del vento ed umidità specifica, a partire da assegnate condizioni iniziali I modelli ad area limitata (LAM) integrano le stesse equazioni su un dominio limitato, di dimensioni sufficienti a comprendere interi fenomeni meteorologici a scala sinottica, utilizzando come condizioni al contorno ed iniziali l'analisi e le previsioni di un modello GCM. Le griglie di calcolo dei LAM si spingono fino a una risoluzione orizzontale massima di 10 km, oltre la quale non è più accettabile l'ipotesi di idrostaticità che viene assunta nella semplificazione del sistema delle equazioni utilizzato Modelli ad area limitata non idrostatici (risoluzione anche inferiore al km) sono disponibili ma necessitano di condizioni iniziali ed al contorno attualmente non disponibili in modalità operativa Il Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine, ECMWF, fornisce previsioni effettuate ogni 24 ore a partire dalle ore 12 UTM di ogni giorno, per un tempo di preannuncio fino a 10 giorni. I campi forniti sono costituiti dai valori istantanei delle variabili d integrazione mediati sulla maglia del punto di griglia di circa 60 km di lato su tutto il globo La precipitazione, pur non essendo una variabile d'integrazione, è valutata quantitativamente come conseguenza dell'evoluzione temporale dei principali processi termodinamici legati ai cambiamenti di fase dell'acqua in atmosfera Le stime del ECMWF sono usate dai Modelli ad Area Limitata operativi presso i Servizi Tecnici Nazionali e Regionali come condizioni iniziali ed al contorno 36

37 37 le basi teoriche dei modelli LAM I modelli meteorologici numerici I modelli meteorologici numerici (2) (2) I modelli meteorologici numerici risolvono alle differenze finite le equazioni primitive della dinamica dell'atmosfera, costituite da opportune approssimazioni delle equazioni fondamentali di conservazione del moto dell energia della massa ( ) ( ) ( ) ( ) σ σ Φ φ φ σ σ φ Φ ξ λ φ σ σ λ Φ φ ξ = = = ln p T R F ln p acos T R v E a 1 u f t v F ln p acos T R u E acos 1 v f t u v d v s v d u s v d & & Nelle equazioni i termini di convezione e trasporto di natura dinamica sono espressi esplicitamente mentre i contributi diabatici dovuti a: fenomeni di sottoscala quali i processi convettivi e quelli microfisici di generazione della precipitazione all'interno delle nubi (F v e F u ); fenomeni dissipativi, diffusivi e di turbolenza; forzanti dovute a processi fisici che causano riscaldamento, raffreddamento o cambiamenti di stato nelle variabili (S c e S q ) sono introdotti mediante schemi di parametrizzazione espressi in funzione delle variabili esplicitamente calcolate. La parte 'diabatica' è composta da 4 principali contributi: la diffusione verticale e orizzontale, il trasferimento radiativo (schema di Ritter e Geleyn, 1992), il riaggiustamento convettivo secco, la precipitazione a grande scala, i processi convettivi umidi (schema di Emanuel, 1991). ( ) ( ) ( ) 0 p u p a 1 u p a cos 1 t p s s s s = σ σ φ λ φ & S c c c a v c a cos u t c S a v a cos u t + = + = σ σ φ λ φ σ θ σ φ θ λ θ φ θ θ & &

38 i limiti di modellazione delle precipitazioni I modelli meteorologici numerici (3) Approssimazioni che riguardano i fenomeni di sotto scala: i processi di pioggia legati a sistemi convettivi sotto griglia le circolazioni a piccola scala legate a forzanti locali i meccanismi di microfisica delle nubi di generazione e precipitazione delle gocce e cristalli di acqua Incertezza nella stima dell'umidità presente in atmosfera e nella simulazione dei processi di alimentazione delle precipitazioni: errate condizioni di umidità iniziali ed al contorno carente modellazione degli scambi di acqua e termici allo strato limite planetario incertezze nella rappresentazione della convergenza dei flussi di acqua Inadeguata rappresentazione dell'orografia interpolata alla scala del modello con una doppia influenza sulle equazioni risolutive: errore nelle quote assolute che determinano la pressione atmosferica errore nelle pendenze che determinano le velocità verticale al suolo Difficoltà di accoppiamento con i modelli geomeccanici ed idrologici per la necessità di colmare il divario tra le scale spazio-temporali che caratterizzano i modelli infiltrazione distribuiti (dai 50 ai 500 m) e la risoluzione ottenibile con i sistemi meteorologici attualmente operativi (dai 10 ai 38

39 Modelli idrologici (1) Rain time-space statistics DTM and atmosferical data DTM soil moisture DEM channel section Rainfall field generator Evapotranspiration computing Canopy storage computing Infiltration computing Runoff and channel flow OUTCOMES flood space and time functions hydrological losses space and time functions Per la trasformazione idrologica afflussi / deflussi possono essere utilizzati modelli di natura stocastica oppure a base fisica a parametri concentrati o (modelli di tipo concettuale) a distribuiti. I modelli a base fisica sono essenzialmente costituiti da due componenti: Il modulo delle perdite idrologiche P, che consente la stima della pioggia efficace I e rappresentando i processi di evapotraspirazione, intercettazione, invaso superficiale e infiltrazione Il modello di concentrazione e trasporto della pioggia efficace in deflusso superficiale Q, che simula il trasferimento dell'acqua lungo i pendii e in alveo, esprimendo l'azione modulatrice del bacino I modelli idrologici a base fisica distribuiti eseguono una previsione dell idrogramma relativo ad una data sollecitazione pluviometrica mediante soluzione nello spazio e nel tempo delle equazioni di trasformazione afflussi-deflussi su una schematizzazione a maglia (DTM) del bacino 39

40 Modelli idrologici (2) La pioggia efficace è valutata considerando l aliquota intercettata e trattenuta dalle coperture, l aliquota di evapotraspirazione, e quindi determinando l infiltrazione nella zona satura ed insatura: modello di intercettazione e trattenuta da parte delle coperture: = i e i i n in cui S è l acqua sulle coperture al tempo t, i è l intensità di pioggia, e i è la velocità di evapotraspirazione e i n la precipitazione netta ds dt modello dell evapotraspirazione: E = c1 E r + c2e a in cui E r è l evapotraspirazione potenziale limitata dalla radiazione netta, E a è l evapotraspirazione potenziale limitata dalla capacità di trasporto aerodinamico e i due parametri c 1 e c 2 dipendono dalle proprietà di trasporto, radiazione e delle coperture F ( t) Sp modulo di simulazione dell infiltrazione: f ( t) = = + 0,5[ K ( θ0 ) + K ( θi )] t 2 t in cui f(t) è la capacità di infiltrazione, F(t) è la capacità di infiltrazione cumulata, Sp èla sortività, θ 0 e θ i sono le umidità a saturazione ed iniziale dei suoli, K(θ 0 ) e K(θ i ) sono le rispettive conducibilità idrauliche. La propagazione dell onda nel reticolo idrografico è simulata secondo un modello di tipo diffusivo: Q i j + 1 j + 1 j + 1 = C1Q i + C2Q i j j C3Q i+ 1 + C 4 q i+ 1 in cui Q j i è la portata nella sezione idraulica i e al tempo j, i coefficienti C k sono calcolati secondo le espressioni fornite da Cunge e q j i è il contributo meteorologico al tempo j e sulla 40

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