Studio Tecnico di Geologia Ambientale

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1 Dott. Geol. Pierpaolo Chiraz Dott. Geol. Otello Massarelli COMUNE DI GUARDEA LOCALITÀ "FLAMINIA" COMMITTENTE COMUNE DI GUARDEA VERIFICA IDRAULICA DEL FOSSO CONFINO Amelia, Dicembre 2013 IL TECNICO Dr.Geol. Otello Massarelli IL TECNICO Dr.Geol. Pierpaolo Chiraz Consulenza, Progettazione, Elaborazioni GIS, Formazione, Pianificazione territoriale Via Roma, 13/B 0022 Amelia (Tr) Voc Col Martino, Stroncone (Tr) Tel/FAX: 0744/ / studio.chiraz@alice.it otello.massarelli@gmail.com

2 SOMMARIO 1. PREMESSA FASI DI LAVORO Acquisizione Dati Implementazione dei Dati Verifiche idrauliche RISULTATI DELLE VERIFICHE Verifica idraulica di base...1 Pagina 1 di 19

3 1. PREMESSA Per incarico del Comune di Guardea (Tr), in ottemperanza a quanto riportato nelle N.T.A del Piano di Assetto Idrogeologico dell'autorità di bacino del Fiume Tevere (procedura indicata nell'allegato alle NTA Procedura per la definizione delle fasce fluviali e delle zone di rischio ), è stato eseguito uno studio di carattere idraulico condotto lungo Il corso d acqua denominato Fosso Confino che scorre in prossimità del settore occidentale del territorio comunale ed è situato al confine con il territorio comunale di Alviano. L analisi ha interessato porzioni di territorio che non attraversano centri abitati e zone limitrofe a infrastrutture ma che, per informazioni tratte da fonti storiche provenienti dalla provincia di Terni U.O. Protezione civile, sono state oggetto di limitati e circoscritti fenomeni di esondazione o problemi correlati alla dinamica del corso d acqua. Su consiglio della provincia di Terni U.O. Protezione civile, si è pertanto condotta una verifica idraulica del fosso considerato. Per condurre gli studi in modo appropriato sono stati utilizzati strumenti software di gestione dati territoriali (G.I.S.) e di analisi idraulica. Il Software GIS usato è G.R.A.S.S. (Geographic Resources Analysis Support System). Si tratta di un Sistema Informativo Geografico (GIS) utilizzato per la gestione, elaborazione, modellamento spaziale e visualizzazione di dati geografici; è un software che può essere acquisito, modificato e ridistribuito nei termini del GNU General Public License ( come pubblicato dalla Free Software Foundation. É utilizzabile con i seguenti sistemi operativi: GNU/Linux (Intel, PowerPC, Sun,...), Solaris (SPARC, i86), SGI IRIX, HP UX, MacOS X (Darwin), IBM AIX, varianti BSD-Unix, FreeBSD, CRAY Unicos, ipaq/linux e altre piattaforme UNIX (32/64bit), Windows, NT/Cygnus e permette di importare ed esportare i seguenti formati di dati: Raster: ASCII, ARC/GRID, E00, GIF, GMT, TIF, PNG, ERDAS LAN, VisD, SURFER (.grd)... Mediante la libreria GDAL è possibile leggere altri formati, come CEOS (SAR, LANDSAT7, ecc.) Vettoriali: ASCII, ARC/INFO ingenerate, ARC/INFO E00, ArcView SHAPE (con correzione della tipologia), BIL, DLG(U.S.), DXF, DXF3D, GMT, GPS-ASCII, USGS-DEM, IDRISI, MOSS, MapInfo MIF, TIGER, VRML,... Immagini (foto aeree e da satellite): AVHRR, BIL/BSQ, ERDAS LAN, HDF, LANDSAT TM/MSS, foto aeree NHAP, SAR, SPOT,... GRASS contiene oltre 30 moduli per elaborare dati raster, vettoriali e immagini multispettrali, restituire carte ed immagini sul monitor e su carta, immagazzinare dati con connessioni a diversi DBMS (PostgreSQL, ed altri tramite ODBC), visualizzare dati tridimensionali, mediante interfacce grafiche semplici e intuitive. Pagina 2 di 19

4 GRASS nasce all'inizio degli anni '80 come progetto dell esercito degli Stati Uniti (US Army Corp of Engineering Research Laboratory USACerl); lo sviluppo avviene in particolare utilizzando il linguaggio C ed UNIX come sistema operativo di riferimento. Nel 1996 l esercito degli Stati Uniti prende la decisione di abbandonare lo sviluppo di GRASS; gli utenti sono invitati a migrare verso sistemi commerciali, mentre l'ultima versione di GRASS (4.1) rimane nel pubblico dominio. Alla fine del 1997, dopo oltre un anno, riesce a formarsi un nuovo team internazionale che si fa carico di continuare lo sviluppo. L'aggiunta di nuovi moduli e porzioni di codice al software di pubblico dominio pone però il problema del diritto d'autore. Nell'ottobre 1999 dopo un'ampia discussione il GRASS Development Team (GDT) decide di rilasciare GRASS (.0b) con la licenza GNU GPL. Attualmente il centro di sviluppo del software ha sede a Povo (Trento Trentino-Italia), presso l'itc-irst, ma si avvale di molti collaboratori esterni. Originariamente scritto come strumento per la gestione del territorio e la pianificazione ambientale per scopi militari, GRASS si è evoluto divenendo rapidamente un potente strumento in un ampio campo di applicazioni in molte differenti aree della ricerca scientifica. GRASS è attualmente utilizzato in tutto il mondo in ambienti accademici e commerciali, in molti settori governativi, che includono NASA, NOAA, USDA, DLR, CSIRO, il National Park Service, l' U.S. Census Bureau, USGS, e in molte compagnie di consulenza ambientale. Il software usato per l'analisi e le verifiche idrauliche è HEC-RAS. HEC-RAS è il sistema d analisi dei corsi d'acqua dell Hydrologic Center (HEC), del Corpo degli Ingegneri dell Esercito degli Stati Uniti d America ed è disponibile solo per Sistemi Operativi MS Windows. HEC-RAS analizza le reti di canali naturali ed artificiali, calcolando i profili del pelo libero basandosi su di un analisi a moto permanente e/o moto vario monodimensionale. Il programma è in grado di effettuare l analisi di più profili contemporaneamente, prevedendo la possibilità di inserire punti singolari (ponti, sottopassi, ecc.) e portate con vari tempi di ritorno; è possibile, inoltre, un loro confronto per sovrapposizione (es. stato attuale e modificato). Sebbene HEC-RAS sia stato sviluppato da U.S. Army Corps of Engineers, il software è disponibile (free software) ed il suo uso non è circoscritto al solo Corpo degli Ingegneri dell Esercito degli Stati Uniti d America. ( L'acquisizione dei dati processati con il GRASS per l'importazione dei punti quotati rappresentanti le sezioni è stato eseguito automaticamente realizzando un modulo ad hoc nel linguaggio python; analogamente, attraverso un altro modulo, è stata effettuata l'importazione dei dati di output dall'hec-ras nel Grass per la definizione delle aree di esondazione. Pagina 3 di 19

5 Procedura utilizzata per l'importazione in Hec-Ras e per l'esportazione dei risultati Per l'importazione, l'analisi e la gestione dei dati territoriali, si sono create due location di lavoro ben distinte: una nel sistema di riferimento wgs84 (lat, long) dove sono stati importati i dati del rilievo plano-altimetrico battuti con l'ausilio di uno strumento gps professionale; mentre l'altra (Gauss-Boaga fuso EST) coincidente con il sistema di riferimento che la provincia di terni e la Regione Umbria esigono per la consegna degli elaborati. Pagina 4 di 19

6 2. FASI DI LAVORO Il presente lavoro si è articolato secondo delle fasi ben specifiche che hanno interessato la raccolta ed acquisizione dati bibliografici esistenti, l'implementazione di dati raccolti o ottenuti in fasi successive, la taratura degli stessi e la creazione di un modello 'omogeneo' ed infine la realizzazione delle verifiche idrauliche secondo le specifiche già citate in premessa Acquisizione Dati I dati bibliografici usati per la realizzazione del presente lavoro provengono dalla Cartografia Tecnica regionale. Si tratta di dati di fondamentale importanza ai fini del modello di simulazione perché su questi vengono implementati i dati puntuali rilevati lungo gli argini e l'alveo del fosso. Modello Digitale del Terreno (DEM) realizzato a partire dalle curve di livello del CTR quotate Nel corso di tale studio sono stati realizzati dei rilievi topografici dell'alveo fluviale lungo tutta l'estensione. Questi (rilievi), sono caratterizzati da un dettaglio molto elevato in termini di dato topografico e, presentando una breve distanza, possono essere utilizzati per aumentare il dettaglio in termini di precisione topografia dell'alveo stesso. I dati sono stati forniti in un file a formato di interscambio testuale 'ascii' nel sistema di riferimento wgs84 (lat, long) che è stato oggetto di formattazione per poter essere importato correttamente nella location di grass e quindi riproiettato nel sistema di riferimento che la Regione Umbria (Gauss-Boaga fuso EST) impone di usare. Pagina di 19

7 E' stato possibile ottenere i valori di quota lungo dei punti quotati. Punti quotati rilevati lungo l'alveo e gli argini del fosso. In rosso i tratti intubati Dettaglio dei punti quotati battuti Pagina 6 di 19

8 2.2. Implementazione dei Dati L'implementazione dei dati provenienti dal rilievo si è reso necessario così da ottenere un dettaglio maggiore per l'importazione delle sezioni nel software di analisi idraulica. Al fine di ottenere un dettaglio davvero accurato dell'andamento dell'alveo e degli argini presenti, si è creato un modulo script all'interno di GRASS il quale, dati due punti quotati ad una certa distanza l'uno dall'altro, ne possa interpolare i valori lungo la direzione. Si è ottenuto così un rilievo maggiormente dettagliato dell'alveo e degli argini. Nella fattispecie si sono implementati i dati altimetrici del fondo alveo e quelli degli argini considerando, di questi ultimi, l'apice e la base ed inoltre, si è proceduto alla implementazione delle aree limitrofe agli argini utilizzando i valori di quota delle curve di livello. Rilievo implementato dei punti quotati lungo l'alveo del fosso e gli argini - dettaglio Pagina 7 di 19

9 Rilievo implementato dei punti quotati lungo l'alveo del fosso e gli argini veduta d'insieme Questa operazione ha permesso di ottenere un modello digitale del terreno maggiormente dettagliato. Inoltre, nella figura soprastante (punto rosso accanto alla form tabellare) viene riportata come informazione il valore di quota battuto in prossimità dell'incrocio stradale coincidente con il punto quotato presente nella Cartografia Tecnica Regionale ed in base al quale si è tarato nei valori di quota ( Z ) il rilievo plano-altimetrico. Il dettaglio ottenuto con l'implementazione dei dati ha eliminato le imprecisioni dovute alla scala iniziale della cartografia di riferimento ottenendo il vantaggio che, davvero, ovunque passi la traccia di una ipotetica sezione da importare in HEC-RAS, questa sia ricostruita nel modello di simulazione idraulica in maniera corretta. Pagina 8 di 19

10 Visualizzazione 3D dell'area oggetto di studio il cui dem è stato implementato con i dati provenienti dal rilievo plano-altimetrico e dall'elaborazione successiva. Vengono riportate anche la traccia delle sezioni di verifica (in nero) e le aree di probabile allagamento (in blu, indistintamente per i vari tempi di ritorno) Pagina 9 di 19

11 Visualizzazione 3D dell'area oggetto di studio il cui dem è stato implementato con i dati provenienti dal rilievo plano-altimetrico e dall'elaborazione successiva. Dettaglio (si noti il tratto intubato nel settore di valle) Pagina 10 di 19

12 Visualizzazione 3D dell'area oggetto di studio il cui dem è stato implementato con i dati provenienti dal rilievo plano-altimetrico e dall'elaborazione successiva. In Nero la traccia delle sezioni di verifica Dettaglio 2.3. Verifiche idrauliche Una volta messo a punto il modello digitale del terreno, elemento di partenza per l'acquisizione dei dati plano-altimetrici da importare nel software di simulazione idraulica, si è provveduto a tracciare le sezioni tramite le quali ottenere i valori plano-altimetrici per le verifiche idrauliche con il software HEC-RAS. Le modellazioni e le verifiche idrauliche sono state effettuate con il software Hec-Ras in regime di moto permanente. I moduli software di interoperabilità tra i dati geometrici e morfologici (vettoriali e raster) di input (v.grass2hec.py, v.hec2grass.py), sviluppati specificatamente (Chiraz, 2008), hanno permesso l'importazione diretta ed automatizzata delle progressive e delle Pagina 11 di 19

13 quote dei profili lungo le sezioni di verifica e la traccia dell'alveo nella porzione di territorio in esame. L'orientazione delle sezioni è stata mantenuta ortogonale al flusso idrico, per una adeguata porzione perialveare del corso fluviale, permettendo la correttezza procedurale del metodo. Le sezioni sono state riportate nel modello del programma di calcolo con una numerazione decrescente da monte verso valle, per un totale di 23 sezioni di verifica. Il modulo di importazione (v.grass2hec.py) ha permesso di importare, dal formato Grass Gis, le informazioni raster georeferenziate del modello digitale altimetrico, la geometria del corso del fosso considerato, la geometria e la disposizione delle sezioni di verifica ed ottenere, direttamente in un formato gestibile da Hec-Ras, i principali dati geometrici di input (geometric data), costituiti dalle progressive delle sezioni di verifica e le rispettive quote (station, elevation), le reach lines e cut lines rispettivamente dell'alveo e delle sezioni in coordinate xy georeferenziate, le distanze degli estremi sinistro-centraledestro delle sezioni di verifica (downstream reach lengths LOb-COb-ROb). A causa della elevata lunghezza delle sezioni di verifica e per l'elevato numero di punti di coordinate progressive e di quota scaturiti dall'importazione del modello digitale altimetrico, è stato necessario operare una filtrazione, mediante un apposito comando di Hec-Ras, riducendo il numero di punti geometrici al valore massimo di 00 punti per sezione di verifica, gestibili dal programma. Sono state inserite le posizioni dei bank stations all'interno dei quali viene definito l'ambito dell'alveo e le condizioni di scabrezza rispetto alle porzioni esterne. I valori di scabrezza di Manning usati sono 0.03 per le porzioni dell'alveo e di 0 per le porzioni esterne. Le verifiche in moto permanente sono state effettuate con il sussidio del programma di calcolo automatico Hec-Ras, basato sulla risoluzione iterativa dell equazione dell energia in una dimensione : Y2 + Z 2 + α 2V22 αv = Y1 + Z he 2g 2g Y1 e Y2 = altezze idriche nelle sezioni di riferimento; Z1 e Z2 = quote di fondo del canale principale; V1 e V2 = velocità medie nelle sezioni di riferimento (portata totale / area totale di flusso); α1 e α2 = coefficienti di velocità; g = accelerazione di gravità; he = perdite di carico. Nel calcolo del bilancio energetico, sono considerate sia le perdite per attrito, sia quelle per espansione e contrazione del flusso. Pagina 12 di 19

14 Come condizioni al contorno è stata considerata l altezza critica (critical depth): la condizione al contorno viene posta uguale alla profondità critica che il programma calcola per ciascuno dei profili. Sono quindi stati aggiunti le opere di eventuale ostacolo al deflusso quali i tratti intubati. È stato effettuato una determinazione della pioggia di progetto in base a diversi tempi di ritorno (0,200,00 anni), sulla base dei dati disponibili sulle precipitazioni di massima intensità per intervalli discreti compresi tra 1-24 ore del pluviometro di Orvieto. Adoperando il metodo cinematico, è stato calcolato il tempo di corrivazione e le portate massime nei diversi tempi di ritorno che risultano essere: Traccia delle sezioni usate per l'acquisizione del dato plano-altimetrico da importare nel software di modellazione idraulica Le sezioni sono state quindi importate nel software Hec-RAS. Pagina 13 di 19

15 Traccia delle sezioni riportate nel progetto di hec-ras Una volta importate, si è proceduto all'inserimento delle opere antropiche presenti sul territorio (tratti intubati). Tratti intubati (in rosso) del settore di monte e di valle lungo il fosso confino Pagina 14 di 19

16 Settore di monte punto di ingresso Settore di monte punto di uscita Settore di valle punto di ingresso Settore di valle punto di uscita Elementi antropici inseriti nel progetto di hec-ras (tratti intubati). Le proporzioni risultano schiacciate a causa della scala di rappresentazione 3. RISULTATI DELLE VERIFICHE 3.1 Verifica idraulica di base La verifica idraulica di simulazione del modello, ha fornito risultati in termini di aree di esondazione con tempo di ritorno di 0,200,00 anni corrispondenti alle fasce A,B,C descritte nel Piano di Assetto Idreogeologico (PAI). Al fine di determinare le portate di punta nei diversi tempi di ritorno delle acque superficiali drenate dal bacino, è stata eseguita un analisi del bacino idrografico con sistema informativo geografico, (Grass Gis) attraverso l'uso di un modello digitale 2.D planoaltimetrico del terreno. Attraverso l'analisi con i sistemi sopra riportati, sono stati determinati i principali parametri morfometrici del bacino quali l'area, le pendenze, i dislivelli, la lunghezza dell'asta principale, ecc..., utili alla determinazione dei parametri idrologici e delle portate massime attese. Per il calcolo delle portate massime di punta è stato suddiviso il bacino di competenza dell'asta idraulica in due bacini principali: il primo quello relativo alla sezione di chiusura finale ed il secondo relativo alla parte pedemontana, ai quali sono state assegnate le portate sulle corrispondenti sezioni di verifica. Di seguito, il report per i principali parametri morfometrici Pagina 1 di 19

17 BACINO_IDROGRAFICO Totale Area_Kmq : 0, ASTA_PRINCIPALE Lunghezza: 1,768 Km DEM minimum: 87 maximum: 270 range: 183 mean: 14 mean slope: 12, 21 % BACINO_IDROGRAFICO della porzione di monte area_kmq : 0, ASTA_PRINCIPALE Lunghezza: 0,7 Km DEM minimum: 110 maximum: 270 range: 160 mean: 180 mean slope: 19, 34 % Modello digitale altimetrico (DEM) Pagina 16 di 19

18 Bacino totale Bacino di monte Pagina 17 di 19

19 Pendenze Sezioni di verifica Pagina 18 di 19

20 Il modello di simulazione gestito con HEC-RAS ed il tool di importazione all'interno di GRASS, hanno quindi generato le probabili aree di esondazione per i differenti tempi di ritorno la cui planimetria viene riportata nella figura sottostante Mappa dell'esondazione con tempo di ritorno cinquantennale, duecentennale e cinquecentennale importata con il modulo v.hec2grass.py dall'elaborazione con Hec-Ras All'interno di queste aree varranno, in termini di prescrizioni, tutte le considerazioni trattate e riportate nelle Norme Tecniche di attuazione redatte nel Piano di Assetto Idrogeologico (articoli 28, 29 e 30). Amelia, Dicembre 2013 IL TECNICO Dr.Geol. Otello Massarelli IL TECNICO Dr.Geol. Pierpaolo Chiraz Pagina 19 di 19

21 ALLEGATI

22 RS = 23 RS = RS = 21 RS =

23 RS = 19 RS = RS = 17 RS =

24 RS = 1 RS = RS = 13. Culv RS = 13. Culv

25 RS = RS = RS = RS =

26 RS = RS = RS = 7. Culv RS = 7. Culv

27 RS = 7 RS = RS = RS =

28 RS = 3 RS = RS =

29 HEC-RAS Plan: Plan 01 River: fosso_guardea Reach: fosso_guardea Reach River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude # Chl (m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2) (m) fosso_guardea 23 TR fosso_guardea 23 TR fosso_guardea 23 TR fosso_guardea 22 TR fosso_guardea 22 TR fosso_guardea 22 TR fosso_guardea 21 TR fosso_guardea 21 TR fosso_guardea 21 TR fosso_guardea 20 TR fosso_guardea 20 TR fosso_guardea 20 TR fosso_guardea 19 TR fosso_guardea 19 TR fosso_guardea 19 TR fosso_guardea 18 TR fosso_guardea 18 TR fosso_guardea 18 TR fosso_guardea 17 TR fosso_guardea 17 TR fosso_guardea 17 TR fosso_guardea 16 TR fosso_guardea 16 TR fosso_guardea 16 TR fosso_guardea 1 TR fosso_guardea 1 TR fosso_guardea 1 TR fosso_guardea 14 TR fosso_guardea 14 TR fosso_guardea 14 TR fosso_guardea 13. Culvert fosso_guardea 13 TR fosso_guardea 13 TR fosso_guardea 13 TR fosso_guardea 12 TR fosso_guardea 12 TR fosso_guardea 12 TR fosso_guardea 11 TR fosso_guardea 11 TR fosso_guardea 11 TR fosso_guardea 10 TR fosso_guardea 10 TR fosso_guardea 10 TR fosso_guardea 9 TR fosso_guardea 9 TR fosso_guardea 9 TR fosso_guardea 8 TR fosso_guardea 8 TR fosso_guardea 8 TR fosso_guardea 7. Culvert fosso_guardea 7 TR fosso_guardea 7 TR fosso_guardea 7 TR fosso_guardea 6 TR fosso_guardea 6 TR fosso_guardea 6 TR fosso_guardea TR fosso_guardea TR fosso_guardea TR fosso_guardea 4 TR fosso_guardea 4 TR fosso_guardea 4 TR fosso_guardea 3 TR fosso_guardea 3 TR fosso_guardea 3 TR fosso_guardea 2 TR fosso_guardea 2 TR

30 HEC-RAS Plan: Plan 01 River: fosso_guardea Reach: fosso_guardea (Continued) Reach River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude # Chl (m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2) (m) fosso_guardea 2 TR fosso_guardea 1 TR fosso_guardea 1 TR fosso_guardea 1 TR