ANALISI IDRAULICA DELL AREA DI

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE FACOLTÀ DI INGEGNERIA Tesi di laurea specialistica in INGEGNERIA PER LA TUTELA DELL AMBIENTE E DEL TERRITORIO ANALISI IDRAULICA DELL AREA DI LAMINAZIONE PONTE NUOVO SUL TORRENTE PESA ABSTRACT Relatori: Candidato: Prof. Ing Enrica Caporali Novelli Luca Prof. Ing Ignazio Becchi Ing. Piragino Francesco Ing. D Amico Lorenzo Anno accademico 2010/2011

2 Indice INDICE INTRODUZIONE....pag.1 1. INQUADRAMENTO DELL AREA DI STUDIO...pag L area di laminazione delle piene Ponte Nuovo...pag Pericolosità idraulica nell area di studio...pag.6 2. ANALISI IDROLOGICA...pag Modellazione idrologica dell area di studio...pag.8 3.CARTOGRAFIA, RILIEVI E MODELLO DIGITALE DEL TERRENO...pag Rilievo topografico delle sezioni fluviali...pag Il rilievo LIDAR...pag Estrazione sezioni topografiche da software ArcGIS pag Confronto tra rilevamento topografico e da DTM LIDAR delle sezioni idrauliche del tratto di torrente in esame...pag.11 4.MODELLAZIONE IDRAULICA MONODIMENSIONALE...pag Modellazione idraulica mediante uso del software HEC-RAS pag SIMULAZIONE IDRAULICA MONODIMENSIONALE DELL ALVEO E BIDIMENSIONALE DELLE AREE INONDABILI...pag Premessa...pag Creazione del modello monodimensionale mediante utilizzo di MIKE11...pag MIKE21: il modello bidimensionale...pag Creazione del modello bidimensionale mediante utilizzo di MIKE21...pag MIKE FLOOD...pag Analisi dei risultati della simulazione allo stato attuale...pag Ipotesi di progetto: studio di possibili interventi e analisi dei risultati...pag Cassa in linea: briglia a bocca tarata...pag Cassa in derivazione...pag.43 CONCLUSIONI...pag.52 BIBLIOGRAFIA...pag.54

3 Introduzione INTRODUZIONE Lo studio presentato in questo lavoro di tesi nasce e si sviluppa nell ambito dell attività di tirocinio svolta presso il Consorzio di Bonifica della Toscana Centrale. L obiettivo è stato quello di svolgere un analisi idraulica dell area di espansione Ponte Nuovo e formulare ipotesi di progetto per potenziarne la capacità di laminazione. Il lavoro svolto si compone principalmente di cinque fasi successive qui di seguito presentate: A) Modello idrologico dell area di interesse, sviluppato attraverso l utilizzo del software ALTO2000. B) Utilizzo del modulo HEC_GeoRAS del software ArcGIS 9.2, per l estrazione delle sezioni idrauliche del torrente Pesa da DTM LIDAR e successivo confronto tra queste e le sezioni ottenute per via topografica. Operazione, quest ultima, svolta con la finalità di verificare l attendibilità delle sezioni idrauliche ottenute da rilevamento mediante LIDAR. C) Utilizzo del software HEC-RAS 4.0 (River Analysis Sistem) sviluppato dal U.S Army Corps of Engineering (USACE) del Hydrological Engineering Center. Questo ha permesso di sviluppare un modello idraulico, in moto vario, che ha fornito una simulazione idraulica del corso d acqua per vari tempi di ritorno. Tale simulazione ha consentito di effettuare una prima verifica delle condizioni di criticità presenti nel tratto di interesse del torrente Pesa. HEC-RAS 4.0 è stato utilizzato per la determinazione dei parametri idraulici in alveo e come termine di confronto per il modello monodimensionale realizzato mediante il software MIKE11. D) Utilizzo del software MIKE by DHI 2009 adoperato nelle sue componenti MIKE11 per la simulazione monodimensionale dell alveo, MIKE21 per l analisi bidimensionale delle aree inondabili, MIKE FLOOD per l accoppiamento dei due moduli sopra citati al fine di determinare le eventuali aree di esondazione nel tratto del corso d acqua in cui sarà presente la cassa di espansione. E) Analisi e studio dei risultati ottenuti per quanto concerne la capacità di invaso dell area di laminazione allo stato attuale per eventi con tempi di ritorno 30, 100 e 200 anni. Successivo studio di interventi strutturali al fine di migliorare l efficienza di laminazione del picco di piena da parte dell area di laminazione con presentazione e discussione di diversi scenari di intervento. 1

4 Capitolo 1 Inquadramento dell area di studio INQUADRAMENTO DELL AREA DI STUDIO 1.1 Inquadramento geografico. Il bacino imbrifero del torrente Pesa, affluente di sinistra del fiume Arno, ha un estensione complessiva di 335 km 2 mentre l asta principale del torrente ha una lunghezza di circa 55 km. Il corso d acqua nasce e si sviluppa tra le province di Siena e Firenze, ed è compreso tra una quota massima di 892 m s.l.m (monte S.Michele) ed una minima di 50 m s.l.m (Pesa a Montelupo F.no). Si estende nei comuni di Tavarnelle Val di Pesa, San Casciano in Val di Pesa, Scandicci, Lastra a Signa, Montelupo F.no. La forte incidenza della superficie compresa tra quota 200 e 400 m (circa il 60%) unita a quella tra i 100 e i 200 m (25%) quantifica la predominanza del territorio collinare. Il bacino idrografico può essere diviso in modo approssimativo in due porzioni. La prima comprende il bacino superiore a monte di Sambuca, abbastanza stretto e a carattere montano. In questo tratto il corso del torrente Pesa ha un andamento sinuoso. L altimetria del torrente è compresa tra i 183 m s.l.m alla Sambuca e i 350 m s.l.m in corrispondenza di Radda in Chianti. La seconda parte è costituita dal bacino medio inferiore, con una morfologia dei versanti collinare a pendenze più dolci e fondo valli più aperti, i quali comprendono anche qualche tratto di terreno pianeggiante. Questa parte coincide con la porzione di territorio sulla quale verrà realizzata la cassa d espansione e sulla quale è stato sviluppato il lavoro di tesi. Tabella 1.1: Principali grandezze caratteristiche del bacino idrografico del torrente Pesa. 2

5 Capitolo 1 Inquadramento dell area di studio Figura 1.1: Inquadramento geografico del bacino del torrente Pesa. Figura 1.2: Il bacino idrografico del torrente Pesa. [cartografia morfologica Val di Pesa] 3

6 Capitolo 1 Inquadramento dell area di studio 1.2 L area di laminazione delle piene Ponte Nuovo. Il lavoro di tesi è incentrato sull analisi morfologica e sullo studio idrologico ed idraulico di una porzione dell asta fluviale del torrente Pesa, in particolare della zona compresa tra il Ponte Nuovo lungo la strada regionale via Cassia per Siena (in seguito identificato come Ponte Nuovo) e la località Olmo. Il tratto risulta essere delimitato dal corso d acqua ed il raccordo autostradale Firenze Siena situato in sinistra idraulica. Detto tratto si sviluppa tra le località Bargino e Sambuca, nel quale il torrente Pesa ha una lunghezza dell asta principale di 6 km. Figura 1.3: Inquadramento geografico del tratto di studio con localizzazione dell area di laminazione Ponte Nuovo (CTR regione Toscana1:10000) 4

7 Capitolo 1 Inquadramento dell area di studio L area geografica è una cassa d espansione naturale utilizzabile per la laminazione delle piene con accumulo di volumi d acqua nella cassa stessa. A questa primaria funzione se ne possono associare altre, come lo sfruttamento dell area a disposizione ottimizzandone l uso dello spazio previo studio idraulico della stessa. Figura 1.4:Particolare dell area di laminazione Ponte Nuovo (CTR Regione Toscana 1:10000). Figura 1.5: Particolare dell area di laminazione Ponte Nuovo (google maps) 5

8 Capitolo 1 Inquadramento dell area di studio 1.3 Pericolosità idraulica nell area di studio. L area di studio risulta situata a valle della zona industriale della Sambuca. In questo tratto del torrente Pesa non sono presenti centri urbani o industriali né in sinistra né in destra idraulica, ma la maggior parte del territorio è costituito da terreni coltivati (soprattutto in destra idraulica). L area pertanto non presenta elevato livello di rischio idraulico da esondazione. Nella figura seguente si riporta un estratto del PAI (livello di sintesi in scala 1:10000) relativo all area di studio in cui appare evidente la non elevata criticità delle zone situate a valle dell area di laminazione Ponte Nuovo. Figura 1.6: Perimetrazione aree con pericolosità idraulica tra Sambuca e Bargino [Autorità di Bacino del fiume Arno]. 6

9 Capitolo 2 Analisi idrologica 2. ANALISI IDROLOGICA 2.1 Modellazione idrologica dell area di studio. La modellazione idrologica dell area di studio è volta alla determinazione degli eventi di piena di progetto cioè alla definizione dell andamento temporale delle portate per assegnate frequenze, nelle sezioni di interesse dell asta principale del torrente Pesa. La procedura di calcolo si è basata sull impiego del modello di regionalizzazione delle portate ALTO2000 (ALluvioni in TOscana) predisposto dalla Regione Toscana. Tale metodo di calcolo permette la ricostruzione delle caratteristiche geomorfologiche e territoriali del bacino considerato, il calcolo dei parametri delle trasformazioni afflussi deflussi, la valutazione delle precipitazioni sul bacino ed il calcolo degli idrogrammi di piena per vari tempi di ritorno. Sono stati ricavati idrogrammi di piena generati da piogge con tempi di ritorno rispettivamente di 30, 100 e 200 anni. Figura 2.1: Inquadramento del bacino del t.pesa all'interno del bacino idrografico del fiume Arno. Il modello ALTO (ALluvioni in TOscana) si basa sulla trasformazione afflussi deflussi ottenuta tramite la teoria dell Idrogramma Istantaneo Unitario di Nash. Il programma consente di estrarre i valori delle portate in funzione del tempo nelle zone di interesse del reticolo idrografico toscano. ALTO2000 necessita dell inserimento da parte dell utente di una 7

10 Capitolo 2 Analisi idrologica serie di parametri, il software, ad esempio, è in grado di generare un input meteorico a partire dall analisi statistica condotta sulle serie storiche delle altezze di pioggia massime annuali, registrate nelle stazioni pluviometriche del territorio toscano. L analisi è finalizzata alla costruzione delle curve di possibilità pluviometrica utilizzate nel calcolo degli ietogrammi di durata fissata e intensità costante relativi ad un dato tempo di ritorno. Per un dato bacino l intensità dello ietogramma viene, quindi, calcolata a partire dai parametri della curva di possibilità pluviometrica. Il modello di piena ALTO2000 è strutturato in modo da ricercare, per un dato tempo di ritorno, il valore critico della durata di pioggia che massimizza la portata di piena in una determinata sezione di chiusura, in funzione delle caratteristiche geomorfologiche del bacino idrografico. Su tale base viene definita una pioggia di determinata durata con intensità costante. In alternativa l utente ha la capacità di ietogrammi di qualsiasi forma e durata secondo le diverse esigenze di studio. Per il calcolo degli idrogrammi di piena sono stati necessari i valori dei coefficienti ricavati dalle curve di possibilità pluviometrica fornite da ALTO Sono stati quindi ricostruiti gli scenari previsti per i tempi di ritorno di 30, 100, 200 anni. IDROGRAMMI TEMPO (HH:MM) Figura 2.2: Idrogrammi di piena per gli eventi con tempo di ritorno di 30, 100, 200 anni. 8

11 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno 3. CARTOGRAFIA, RILIEVI E MODELLO DIGITALE DEL TERRENO 3.1 Rilievo topografico delle sezioni fluviali. Il rilievo topografico utilizzato nel presente studio è stato realizzato sul torrente Pesa dal Consorzio di Bonifica della Toscana Centrale nell anno Nel tratto oggetto di studio che si estende per una lunghezza di circa 6 km, sono state rilevate 47 sezioni trasversali e la geometria di opere idrauliche quali 2 briglie e 3 ponti. Il rilevamento è stato ottenuto mediante l utilizzo della cartografia 1:2000 e 1:10000 della zona di interesse e di una stazione totale per il rilevamento di alta precisione di una serie di punti in corrispondenza delle variazioni morfologiche presenti nelle singole sezioni idrauliche. Il rilievo topografico della singola sezione comporta un costo relativo, pertanto le sezioni idrauliche sono state rilevate, previo studio dell andamento del corso d acqua, solo in corrispondenza di variazioni sensibili della morfologia d alveo. Il successivo inserimento delle sezioni nei vari software utilizzati quali HEC-RAS 4.0 o MIKE11 ha permesso, di interpolare le sezioni battute così da avere una ricostruzione delle caratteristiche idrauliche del corso d acqua che fosse il più possibile dettagliata e attinente alla realtà. 3.2 Il rilievo LIDAR. Il LIDAR (laser imaging Detection and Ranging) è una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser. Come per il radar, che al posto della luce utilizza onde radio, la distanza dell oggetto è determinata misurando il tempo trascorso tra l emissione dell impulso e la ricezione del segnale retro diffuso. Il Lidar risulta essere molto più utilizzato rispetto alla rilevazione radar in quanto usa lunghezze d onda (ultraviolette o infrarosso) che permettono di localizzare e ricavare immagini e informazioni su oggetti molto piccoli di dimensioni pari alla lunghezza d onda usata. Affinché un oggetto rifletta un onda elettromagnetica, deve produrre una discontinuità dielettrica alle frequenze del radar (radio o microonde) pertanto un oggetto metallico produce un buon eco, mentre i non metalli come la pioggia gli specchi d acqua (vedi torrente Pesa) o le rocce producono riflessioni molto più deboli e in alcuni casi non ne producono affatto. Il laser fornisce una soluzione a tali problemi avendo una lunghezza d onda molto più breve rispetto al sistema radio. Questo facilita la riflessione di oggetti molto piccoli e non percepibili mediante radar, ne consegue una maggiore accuratezza e dettaglio dei rilevamenti LIDAR e dei prodotti che da esso ne derivano come i DTM (digital terrain model) ad elevata risoluzione. 9

12 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Estrazione sezioni topografiche da software ArcGIS 9.2 Avendo a disposizione il DTM ad alta risoluzione (1m x1m) realizzato dalla regione Toscana sono state estratte le sezioni idrauliche del tratto di studio del corso d acqua direttamente dal modello digitale del terreno. Per fare questo è stato necessario l utilizzo del software ArcGIS 9.2 che permette di elaborare elementi di tipo grid (come il DTM) o shapefile. In particolare è stata sfruttata l estensione Hec- GeoRAS visualizzabile tramite l interfaccia di Arc Map. Nel caso specifico del torrente Pesa è stato seguito un percorso che ha permesso la creazione dei profili delle sezioni idrauliche del corso d acqua. Inizialmente è stato importato in arcmap il DTM della zona di interesse, che è lo strato informativo di base per tutte le successive operazioni. E stato digitalizzato il corso d acqua (stream centerline), successivamente attraverso il comando Create banks theme sono stati digitalizzati gli argini delle varie sezioni, il tutto sfruttando la planimetria georeferenziata della zona elaborata con il software AutoCAD. In seguito è stato necessario definire il Flow Path ovvero la direzione e l andamento della corrente sia nel centro del canale che in corrispondenza della sponda destra e sinistra dello stesso. E stato poi utilizzato il comando Create XS Cut Lines per digitalizzare le sezioni idrauliche, basandosi sullo shapefile delle sezioni ricavato sempre dal file DWG della planimetria in AutoCAD, infine come ultimo passaggio è stata creata una tabella di dati sia per l asta principale che per le sezioni idrauliche. Figura 3.1: Elaborazione di DTM, asta principale, argini e sezioni idrauliche digitalizzate. 10

13 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Una volta definite le sezioni idrauliche il programma, attraverso il comando XS plot, è in grado, sfruttando il DTM, di plottare il profilo di qualsiasi sezione idraulica precedentemente digitalizzata fornendoci oltre al grafico una serie di informazioni tra cui, per i vari punti costituenti le sezioni, i valori delle progressive lungo l asse x e i corrispondenti valori di quota lungo l asse y. Figure 3.2: Visualizzazione del profilo di una sezione estratta con ArcGIS usando come strato informativo di base il DTM. 3.3 Confronto tra rilevamento topografico e da DTM LIDAR delle sezioni idrauliche del tratto di torrente in esame. Il confronto è stato effettuato su tutto il tratto di studio che va dalla Sambuca al Bargino, con la valutazione di 47 diverse sezioni, ottenendo diverse tipologie morfologiche e quindi un quadro generale più completo delle differenze e similitudini tra sezioni estratte da DTM LIDAR e topografiche. In seguito sono stati riportati soltanto i casi ritenuti più significativi e di più immediata comprensione delle relazioni presenti tra le due tipologie di rilevamento. Si riporta la cartografia CTR 1:10000 con evidenziata la localizzazione delle sezioni idrauliche presenti nell area di studio: 11

14 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Figura3.3:Disposizione delle sezioni lungo il tratto in esame e particolare delle stesse suddivise in zone.[ctr 1:10000]. 12

15 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Dalla sezione n.347 alla n.329 a monte dell area di laminazione Ponte Nuovo. Sono state riscontrate differenze sostanziali nella quota del fondo alveo che possono essere attribuite in parte all evoluzione morfologica del corso d acqua. Testimonianza di ciò è la sezione n.347 che risulta situata in un tratto curvilineo, conferma ci viene dal fatto che il thalweg si trova in corrispondenza della sponda esterna, proprio a causa dei processi morfodinamici di erosione della sponda. L incongruenza consiste nel fatto che il rilievo DTM (2010) successivo a quello topografico (2008) fornisce una quota del fondo maggiore rispetto a quella della sezione battuta in controtendenza con la logica evolutiva del corso d acqua appena descritta. SENSIBILE VARIAZIONE IN ALVEO SOSTANZIALE COINCIDENZA QUOTE Figura 3.4: Confronto tra sezione n.347 rilevata topograficamente ed estrapolata da DTM. Questo potrebbe essere riconducibile alla presenza di elementi come tronchi in alveo che hanno bloccato il trasporto solido con effetto di sedimentazione oppure, altrettanto logica, potrebbe essere l ipotesi che nel corso degli anni si sia verificata una deviazione del corso d acqua causata da interventi o variazioni a monte della sezione, anche in questo caso con sedimentazione dell esterno curva prima in erosione. Il dato che risalta maggiormente nell analisi di queste sezioni è quello relativo alla conformità tra i due tipi di rilevamento in corrispondenza delle sponde e degli argini che in molti casi risultano pressoché coincidenti. Per quanto riguarda il fondo alveo si può affermare che le maggiori incongruenze risultano presenti nelle sezioni rilevate in un tratto curvilineo del corso d acqua analogamente a quanto descritto in modo dettagliato per la sezione n.347. Per il resto ove il rilevamento è stato fatto in un tratto rettilineo del corso d acqua non si presentano particolari problematiche, e una forte corrispondenza tra i due rilevamenti è più che evidente. 13

16 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Dalla sezione n.328 a ridosso dell area di laminazione fino alla n.300 sezione finale del tratto analizzato. In questo caso, a differenza delle sezioni precedentemente esaminate, i due modelli di rilevamento, non hanno riportato maggiori congruenze nelle sezioni poste in tratti rettilinei rispetto a quelle situate in presenza di curvatura del corso d acqua. Pertanto l ipotesi di un miglior rilevamento dovuto all andamento lineare della sezione deve essere scartata. A titolo esplicativo si riportano i profili trasversali, topografico e da DTM LIDAR, di due sezioni poste rispettivamente in un tratto curvilineo e rettilineo del corso d acqua. Sezione idraulica n.324 situata in un tratto curvilineo del corso d acqua: Figura 3.5: Confronto della sezione n.324 rilevata topograficamente ed estratta da DTM. Sezione idraulica n.320, situata in un tratto rettilineo del corso d acqua: Figura 3.6: Confronto della sezione n.320 rilevata topograficamente ed estratta da DTM. In conclusione non si può definire con certezza una motivazione per cui il rilievo mediante DTM risulti differire da quello topografico, possono però essere avanzate una serie di ipotesi. 14

17 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Come già sostenuto, la presenza di tratti curvilinei in cui nel corso degli anni si è avuto una variabilità morfologica con deviazione del corso d acqua, è una delle possibili motivazioni con cui giustificare le differenze tra sezioni topografiche e da DTM. Questa assume ancor più valore considerando che i due rilievi non sono contemporanei, ma realizzati a due anni di distanza. Infine la nota più rilevante è legata ai limiti del sistema LIDAR. Il LIDAR non ha possibilità di rilevare la parte sommersa delle sezioni come spiegato nel paragrafo 3.2 determinando il fondo alveo in modo errato, poiché a quota superiore rispetto a quella effettiva, e in modo meno preciso. Capitolo a parte meritano le sezioni in prossimità delle opere idrauliche presenti lungo il torrente. In prossimità di briglie sono presenti incongruenze: nella sezione centrale dovute alla presenza dell opera e in quella filo valle ad un abbassamento del fondo alveo conseguenza di processi erosivi causati dalla struttura. Infine è da considerare come la modellazione con DTM LIDAR fornisca una quota del fondo più elevata in quanto le parti sommerse non vengono rilevate. Figura 3.7: Confronto della sezione n.302b (briglia) rilevata topograficamente ed estratta da DTM. Figura 3.8: Confronto della sezione n.302a (a valle briglia) rilevata topograficamente ed estratta da DTM. 15

18 Capitolo 3 Cartografia rilievi e modello digitale del terreno Nella sezione a valle del ponte (sez n.303c) si ha una forte discordanza tra i due modelli dove, in questo caso, non solo la zona dell alveo attivo presenta diversità, ma si riscontrano anche nelle aree golenali. Figura 3.9: Confronto della sezione n.303c (monte ponte) rilevata topograficamente ed estratta da DTM. In conclusione come andamento generale è stata riscontrata una buona, in alcuni casi ottima, corrispondenza tra la geometria delle sezioni rilevate topograficamente e quelle ottenute dal DTM ad alta risoluzione. Deve essere comunque posta attenzione nell utilizzo di quest ultime poiché sono state rilevate alcune difformità soprattutto in corrispondenza di opere idrauliche siano esse briglie o ponti, e nell alveo attivo. 16

19 Capitolo 4 Modellazione idraulica 4. MODELLAZIONE IDRAULICA MONODIMENSIONALE. 4.1 Modellazione idraulica mediante uso del software HEC-RAS La modellazione idraulica del torrente Pesa è stata effettuata mediante l utilizzo del software HEC- RAS 4.0 (Hydrologic Engineering Center s River Analysis Sistem) elaborato dall U.S Army of Corps of Engineers che permette di effettuare calcoli in condizioni stazionarie e non stazionarie, per condizioni di corrente lenta, veloce e mista ricavando le principali caratteristiche del moto. Per quanto riguarda il caso in esame la modellazione idraulica ha riguardato un tratto di corso d acqua di circa 6 km compreso tra le località di Sambuca e Bargino. Figura 4.1: Tratto di studio del torrente Pesa tra le località Sambuca e Bargino con indicazione numerica delle opere idrauliche. 17

20 Capitolo 4 Modellazione idraulica 4.2 Modellazione idraulica del tratto di studio del torrente Pesa. La geometria del tratto in analisi risulta essere definita da 47 sezioni idrauliche e lungo l asta principale del torrente risultano ubicate anche 5 opere (3 ponti e 2 briglie) come evidenziato dalla numerazione nella figura 4.1. E stata effettuata una simulazione in moto vario poiché permette di valutare la propagazione dell onda di piena e quindi più rappresentativa delle variazioni spazio temporali dell andamento dei livelli idrici sulla base degli idrogrammi di piena calcolati. Come condizioni al contorno abbiamo scelto proprio gli idrogrammi di piena per la condizione di monte mentre per quella di valle è stata utilizzata la pendenza del tratto vallivo del torrente pari a 0.72%. La geometria con cui sono state rappresentate le sezioni e le strutture è stata ottenuta da un rilievo topografico del 2008 (realizzato dal Consorzio di Bonifica della Toscana Centrale), abbastanza recente e quindi attendibile. Per una maggiore stabilità della simulazione e per una maggior facilità di calcolo da parte del software sono state inserite delle sezioni interpolate con densità di inserimento variabile relativamente a quanto sensibile è risultata essere la variazione della geometria tra due o più sezioni consecutive e in base alla variazione morfologica del corso d acqua. Ogni singola sezione è stata inoltre georeferenziata e le è stato attribuito un coefficiente di scabrezza (coefficiente di Manning espresso con la lettera n) variabile all interno della sezione stessa a seconda della tipologia di vegetazione presente con valori di scabrezza sensibilmente più elevati su sponde e piana inondabile (n=0.04) dove spesso era presente una folta vegetazione composta da rovi arbusti ed alberi rispetto all alveo attivo n (n=0.034) Figura 4.2: Sezione idraulica con differenti valori di Manning in corrispondenza delle sponde e dell alveo. 18

21 Capitolo 4 Modellazione idraulica Figura 4.3 e 4.4: Foto relative all alveo e all area golenale della sez n.325. La modellazione delle opere è stata condotta a partire dall inserimento della loro geometria, e mediante inserimento dei parametri idraulici di riferimento. Per i ponti l opzioni di calcolo usate prevedono l utilizzo del metodo dell energia o della conservazione della quantità di moto nel caso di low flow e solo del metodo dell energia in situazioni di high flow. Le simulazioni di moto vario monodimensionale sono state eseguite per tempi di ritorno 10, 30, 100, 200 anni selezionando l opzione mixed flow regime e fissando un passo di calcolo pari a 10 s. Di seguito vengono riportati i risultati grafici, in termini di altezza d acqua, raggiunta nelle varie sezioni idrauliche del tratto di torrente analizzato per tempi di ritorno pari a 10 e 200 anni. AREA DI LAMINAZIONE SEZ N.324 SEZ N Figura 4.5: Profilo longitudinale dei massimi livelli idrici per evento con Tr=10 anni (in magenta e in viola sono rappresentate la sommità della sponda sinistra e destra rispettivamente). 19

22 Capitolo 4 Modellazione idraulica Dalla simulazione già per un Tr=10 anni si nota la presenza di tracimazione, in sponda sinistra idraulica in corrispondenza delle sezioni n.323 e n.324 situate al centro della zona che costituisce l area di laminazione in analisi. Mentre nel tratto a valle dell area stessa sono poche le sezioni in cui è osservabile un superamento degli argini e risultano situate in una zona priva di attività industriali o centri abitati e pertanto zona in cui le condizioni di rischio idraulico sono minime Figura 4.6: Profilo longitudinale dei massimi livelli idrici per evento con Tr=200 anni (in magenta e in viola sono rappresentate la sommità della sponda sinistra e destra rispettivamente). Nelle simulazioni riportate si nota come aumentando il battente idrico, le sezioni in cui si ha esondazione risultino in condizioni di crescente criticità. In particolare le sezioni a valle della cassa in corrispondenza delle opere idrauliche (a monte e a valle del ponte 3 e a valle della briglia 5), rispetto alla simulazione con Tr = 10 anni, risultano esposte a maggiore criticità pur sempre considerando l assenza di centri abitati o industriali che rende di fatto la zona meno problematica in termini di rischio idraulico. Per il caso di studio in analisi la simulazione idraulica mediante HEC- RAS 4.0 non è stata realizzata con la finalità di analizzare delle aree di allagamento ed i corrispondenti volumi invasabili, bensì è stata limitata allo studio della variazione del livello idrico per diversi scenari con vari tempi di ritorno così da avere un quadro preciso delle zone a rischio di esondazione. Inoltre la simulazione mediante HEC RAS 4.0 ha permesso di definire un modello idraulico in moto vario che ha fornito vari parametri idraulici da poter confrontare con quelli generati dal Mike11 al fine di poter verificare la congruenza o meno delle due simulazioni. Tale controllo è stato necessario poiché, come spiegato al capitolo 5, la simulazione realizzata con il modulo MIKE11 deve essere il più corretta e stabile possibile in quanto alla base della simulazione bidimensionale con Mike Flood. 20

23 5. SIMULAZIONE IDRAULICA MONODIMENSIONALE DELL ALVEO E BIDIMENSIONALE DELLE AREE INONDABILI. 5.1 Premessa Il software MIKE, è stato scelto per la simulazione dell area di laminazione Ponte Nuovo, poiché ha permesso la realizzazione di simulazioni idrauliche mono e bidimensionali per molteplici differenti situazioni. Il programma è composto da una serie di moduli monodimensionali (MIKE11) e bidimensionali (MIKE21) su cui si lavora separatamente con la possibilità di poterli poi accoppiare per ottenere risultati più complessi e specifici (MIKE FLOOD). Ai fini della modellazione idraulica delle aree inondabili nei pressi della zona di laminazione è stato ritenuto quindi ottimale l utilizzo di questo software. In particolare il modulo MIKE11, utilizzato al fine di generare una simulazione del flusso idrico a pelo libero nel corso d acqua, ha consentito la soluzione del problema idrodinamico di moto vario con uno schema di soluzione numerica che ha permesso un adeguata rappresentazione dell evolversi temporale dei transitori idraulici legati al passaggio dell onda di piena. Il modulo MIKE21 ha permesso la realizzazione della batimetria, oltre alla definizione di parametri idraulici e condizioni al contorno, della zona di interesse fondamentale per la modellazione di dettaglio delle aree golenali, e accoppiato in modo dinamico con il Mike11 la schematizzazione del dominio di calcolo in modo integrato mono e bidimensionale Creazione del modello monodimensionale mediante utilizzo di MIKE11. Il sistema fisico (reticolo fluviale, aree golenali, strutture idrauliche) è rappresentato nel MIKE11 mediante l inserimento del network e delle cross sections. Con il primo comando vengono immessi i dati descrittivi delle rete fluviale ovvero la digitalizzazione dell andamento planimetrico georeferenziato del corso d acqua, la definizione dei rami (branches) e le eventuali strutture idrauliche. Con il comando cross sections è possibile inserire la geometria delle sezioni oltre a varie tipologie di informazioni sul raggio idraulico e sul valore di scabrezza. Parametro fondamentale da definire nelle sezioni sono i marker ovvero dei punti che definiscono l estensione della sezione che poi sarà utilizzata dal software per le operazioni di calcolo. Si vanno ad inserire tre diversi punti in corrispondenza del limite sinistro e destro e in corrispondenza del fondo alveo, come evidenziato nella figura seguente. 21