Università degli studi di Firenze

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1 Università degli studi di Firenze C.d.L. Civile Edile e Ambientale Indirizzo strutture Analisi idrogeologica del bacino idrografico del torrente Settola Docente: Castelli Fabio 1 Studenti: Oliva Vincenzo Urbanelli Matteo Vigni Federico

2 Indice generale 1) Inquadramento del bacino e localizzazione geografica 2) Morfologia del bacino 2.1) Caratteristiche planimetriche 2.2) Tempo di corrivazione 2.3) Curva ipsografica 2.4) Curva ipsografica adimensionalizzata 3) Caratteristiche d uso del suolo 3.1) Carta d uso del suolo 3.2) Coefficienti di deflusso 4) Caratteristiche geologiche 4.1) Carta geologica 5) Caratteristiche pedologiche 5.1) Carta pedologica 5.2) Coefficienti di filtrazione 6) Analisi climatica 6.1) Analisi pluviometrica 6.2) Linea segnalatrice di probabilità pluviometrica 6.3) Termometria 6.4) Igrometria 6.5) Calcolo delle portate di piena 7) Bilancio idrologico 8) Simulazione con HEC-RAS 8.1) Analisi e interpretazione dei punti significativi 8.2) Profilo altimetrico 8.3) Risultati tabulati di HEC-RAS 8.4) Analisi e interpretazione dei risultati 2

3 1) Inquadramento del bacino e localizzazione geografica Il bacino imbrifero del torrente Settola è situato nel comune di Montale. L area del bacino è identificabile nelle tavolette della Cartografia Tecnica Regionale della regione toscana in scala 1:

4 2) Morfologia del bacino 2.1) Caratteristiche planimetriche DIMENSIONI PLANIMETRICHE Area bacino [Kmq] A 8.18 Perimetro bacino [Km] P Lunghezza asta principale [Km] L 6.59 DIMENSIONI ALTIMETRICHE Quota massima s.l.m. [m] Z max 780 Quota minima s.l.m. [m] Z min 53 Dislivello [m] ΔZ 727 MACROMORFOLOGIA PLANARE Rapporto di circolarità R c = 4πA/p Rapporto di uniformità 2 R u =1/ Rc 1.33 Fattore di forma R f = A/L Rapporto di allungamento R a = 2 L A π PENDENZE Pendenza media [%] i i 0.24 Pendenza media dell'asta principale[%] i m ) Tempo di corrivazione Il tempo di corrivazione viene stimato utilizzando le formule di Giandotti, Kirpich, Pasini e Ventura. Sulla base di parametri morfologici stimati precedentemente si ottiene il tempo di corrivazione facendo la media dei valori forniti dalle varie formule: TEMPO DI CORRIVAZIONE Formula di Giandotti Formula di Kirpich Formula di Pasini Formula di Ventura tc = 4 2 A L Zm tc= l 0.77 i tc = AL 2 2 tc = A im im 1,63 h 0,72 h 1,36 h 1,22 h Facendo la media dei valori ottenuti, si ottiene il seguente valore del tempo di corrivazione: t c = 1,23 h 4

5 2.3) Curva ipsografica Integrando la curva ipsografica dimensionale si ottiene il volume di rilievo, che diviso per l area del bacino restituisce il valore della quota media del bacino z m. 2.4) Curva ipsografica adimensionalizzata La curva ipsografica adimensionalizzata è uno strumento che permette di misurare la stabilità del bacino idrografico. Integrando questa curva è possibile stimare l evoluzione volumetrica del bacino e classificarlo in una delle seguenti classi: - I p > 0,6 Stadio giovanile - 0,4 < I p < 0,6 Stadio maturo - I p < 0,4 Stadio senile Per questo bacino, dal calcolo dell integrale con metodi numerici, si ottiene il valore I p = 0,30 ; il bacino, per quanto già detto, si trova quindi nello stadio senile. 5

6 Si riporta di seguito il grafico della curva ipsografica adimensionalizzata: 6

7 3) Caratteristiche d uso del suolo Per effettuare l analisi idrologica del bacino è necessario conoscere il tipo di suolo, informazione desumibile dalla carta di uso del suolo; le informazioni presenti sulla stessa hanno portato anche al calcolo dei coefficienti di deflusso φ, opportunamente riportati nel paragrafo successivo. 3.1) Carta d uso del suolo Si riporta di seguito la carta d uso del suolo, ritagliata sulla zona di interesse per il progetto: Si riporta la tabella dove sono state misurate le aree e la relativa quota di area percentuale rispetto all area totale: 7

8 A Kmq % Codice A A A A A A / A A A A A A A / 3.2) Coefficienti di deflusso Viene riportata la tabella dei coefficienti di deflusso, per definizione il rapporto tra i deflussi e gli afflussi: Codice Livello 1 Livello 2 Livello 3 Kmq % f 311 Territori boscati Zone boschive Boschi di latifoglie Territori boscati Zone boschive Boschi di conifere Territori boscati Zone boschive Boschi misti Territori modificati Territori modificati Zone Zone Tessuto urbano Tessuto urbano artificialmente artificialmente urbane urbane continuo discontinuo / Territori modificati Infrastutture artificialmente viarie Strade. aereoporti Territori modificati Aree sportive Infrastrutture artificialmente e ricreative sportive Territori agricoli Zone agricole Seminative irrigui e non Territori agricoli Zone agricole Vivai Territori agricoli Zone agricole Vigneti Frutteti e frutti Territori agricoli Zone agricole minori 223 Territori agricoli Zone agricole Oliveti Il coefficiente di deflusso, pesato in base alle varie aree, è pari a φ m =

9 4) Caratteristiche geologiche 4.1) Carta geologica Si riporta di seguito la tabella dove sono state misurate le aree e la relativa quota di area percentuale rispetto all area totale: A Descrizione Kmq % A1 Membro pelitico grenaceo A2 Argille varicolori A3 Formazioni di Sillano A4 Depositi alluvionali terrazzati A5 Depositi alluvionali recenti

10 5) Caratteristiche pedologiche Per poter condurre un analisi idrologica del bacino si deve conoscere le caratteristiche dei suoli in esso presenti. Queste informazioni si possono ricavare dallo studio della carta pedologica della zona. 5.1) Carta pedologica Legenda Z Descrizione Kmq Z1 Da Franco sabbiosa a Franca 3.32 Z2 Da Franco a Franco argillosa 2.34 Z3 Da Franco sabbiosa argillosa a Franco limosa argillosa 1.93 Z4 Da Franco sabbiosa a Franca 0.47 Z5 Franco limosa

11 5.2) Coefficienti di filtrazione L'analisi della carta pedologica del bacino indica che esistono 5 diverse aree a tessitura omogenea. Per ognuna di queste aree si ricava la descrizione della tessitura del terreno che la caratterizza con maggior frequenza. Dopo aver determinato ciò, è possibile stimare per ogni zona il coefficiente di filtrazione Ks. PONTEPETRI_MARESCA_POGGIO DI PETTO (PON1_MRS1_PGG1) - ZONA 4 Litologia principale: arenarie quarzoso feldspatiche spesso turbiditiche con intercalazioni di marne e argilliti - Formazione del Macigno del Chianti "Macigno A", Pietraforte, Arenarie di Monte Senario. Morfologia: versanti con vallecole subparallele mediamente lunghi e lunghi, spesso con canali di erosione di notevoli dimensioni, da fortemente pendenti a molto scoscesi, soggetti ad erosione idrica da moderata a forte di tipo prevalentemente incanalato. Uso del suolo: cedui di faggio e castagno e rimboschimenti di conifere e secondariamente da pascoli ed ex pascoli colonizzati da ginestreti. GRETI_PODERE ELCI (GRT1_PEL1) - ZONA 1 Litologia principale: Arenarie quarzoso feldspatiche spesso turbiditiche con intercalazioni di marne e argilliti - Formazione del Macigno del Chianti "Macigno A". Morfologia: versanti con vallecole a pendenza prevalentemente forte e scoscesa soggetti ad erosione superficiale da moderata a forte, di tipo sia diffuso che incanalato, con limitate aree d accumulo a pendenza minore. Uso del suolo: boschi cedui di latifoglie a riposo invernale con aree dominate da conifere; molto secondariamente seminativo ed oliveto. GIACCAI_VILLA (GCC1_VIL1) - ZONA 2 11

12 Litologia principale: argille e marne con calcari,arenarie e calcareniti intercalati; complesso indifferenziato, i F.106 e 107; complesso caotico: masse scompaginate a matrice argillosa inglobante calcari marnosi, brecce ofiolitiche, calcareniti, calcari. Formazione delle Argille scagliose. Morfologia: versanti lineari, talora terrazzati, a pendenza da debole a forte, soggetti ad erosione idrica diffusa prevalentemente moderata, talora forte e secondariamente a fenomeni d erosione di massa. Uso del suolo: oliveto e vigneto specializzati, seminativo avvicendato e secondariamente pascolo,arbusteto e bosco misto. PANATTONI_GALLELORO (PAN1_GAL1) - ZONA 3 Litologie principali: Sedimenti lacustri del Quaternario talvolta con livelli ciottolosi e depositi alluvionali terrazzati. Morfologia: Superfici di versante e terrazzamenti antichi di origine fluviale. Uso del suolo: seminativo e vigneto. VERCIANO_ANCHIONE (VRC1_ANC1) - ZONA 5 Litologia principale: Depositi alluvionali recenti ed attuali. Morfologia: Piana alluvionale in parte bonificata. Uso del suolo: seminativo a cereali, barbabietola, prato avvicendato. 12

13 Zona Codice Tessitura K s [cm/h] Superficie [Kmq] Superficie relativa [%] Porosità Z1 GRT1_PEL Da Franco sabbiosa a Franca Z2 GCC1_VIL Da Franco a Franco argillosa Z3 PAN1_GA Da Franco L1 sabbiosa argillosa a Franco limosa argillosa Z4 PON1_MR Da Franco Z5 S1_PGG1 VRC1_AN C1 sabbiosa a Franca Franco limosa Il coefficiente di deflusso medio rispetto alle aeree vale: k s = 1.10 cm/h 13

14 6) Analisi climatica 6.1)Analisi pluviometrica Lo strumento utilizzato per la misurazione delle altezze di pioggia caduta durante un evento meteorologico è il pluviometro. Si tratta di un recipiente cilindrico dentro il quale è sistemato un imbuto che convoglia le acque sul fondo dello strumento stesso. L'altezza della precipitazione è data dal rapporto tra il volume d'acqua raccolto e la superficie dell'apertura del pluviometro: h=v/a I dati pluviometrici utilizzati per la seguente analisi abbiamo fatto riferimento alle stazione di Baggio, la quale si trova all'interno del Bacino dell'ombrone Pistoiese, e abbiamo tenuto conto anche del fatto che la quota della stazione (circa 500m) è confrontabile con l'altezza media del bacino (420m). I dati riportati provengono dagli annali idrologici pubblicati nel sito Mese Altezze acque(mm) Gennaio Febbraio 191 Marzo 80 Aprile Maggio Giugno Luglio 49.4 Agosto Settembre 110 Ottobre Novembre 357 Dicembre

15 Mese Nr giorni di pioggia Gennaio 11 Febbraio 13 Marzo 9 Aprile 12 Maggio 16 Giugno 8 Luglio 2 Agosto 4 Settembre 11 Ottobre 6 Novembre 21 Dicembre 16 Le precipitazioni massime annuali in relazione ai tempi di ritorno si calcolano con la funzione distribuzione di Gumbel. Riportiamo innanzitutto i dati che come in precedenza provengono dal sito BAGGIO 1h 3h 6h 12h 24h ,4 32, , ,7 52,1 53,5 72,0 82, , ,8 118, ,2 41,4 49,8 51,8 51, ,8 28,2 44,2 49,6 54, ,8 67,8 75,8 89, ,2 51,4 56,2 56,2 65, ,6 38,2 52,8 78,6 97, , ,8 78,4 92, ,6 46,6 52,4 74,8 90, ,8 45,8 48,6 56,2 70, ,6 28, ,

16 Distribuzione statistica di Gumbel W t = -ln(ln(tr/(tr-1))) di ritorno assegnato Variabile ridotta della distribuzione stimata per un tempo h t = u + αw tr Altezza di pioggia in funzione di W(Tr) u = µ α 2 α = 6 σ π µ : media dei dati pluviometrici [mm] σ: deviazione standard del campione dei dati pluviometrici [mm] T r : tempo di ritorno considerato [anni] d: durata [ore] 1h 3h 6h 12h 24h µ σ α u ) Linea segnalatrice di probabilità pluviometrica ln (h t ) = ln(a) + n*ln(d) Con la stima dei minimi quadrati della retta interpolatrice in scala bilogaritmica mi calcolo i valori a e n che risultano essere i seguenti: Tr a (mm/ore n ) n 2 23,72 0, ,26 0, ,72 0, ,86 0, ,00 0,37 16

17 Otteniamo quindi le seguenti altezze di pioggia in base ai tempi di ritorno ed ai relativi n e a: Tr 1h 3h 6h 12h 24h ) Termometria I dati termometrici giornalieri sono stati rilevati alla stazione di Pistoia; questi dati sono reperibili dal sito Pistoia [TOS ] (PT) UTM [m]: E N GB [m]: E N Quota s.l.m. [m]: 85,24 m Bacino: Ombrone Pistoiese 17

18 Si riporta di seguito la tabella delle temperature massime, minime e medie mensili delle temperature estreme giornaliere: T ( C) Minima Media Massima Minima Media Massima Minima Media Massima Minima Media Massima gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic ) Igrometria I dati igrometrici sono stati reperiti dalla stazione di Firenze Peretola; sono stati reperiti dal servizio meteorologico dell Aereonautica Militare ( 18

19 Firenze Peretola UTM [m]: E N Quota s.l.m. [m]: 38 Tempo di osservazione: UR(%) gennaio 76 febbraio 70 marzo 66 aprile 68 maggio 68 giugno 68 luglio 65 agosto 66 settembre 69 ottobre 73 novembre 76 dicembre UR(%) UR(%) 6.5) Calcolo delle portate di piena Si procede con il calcolo della portata di piena del bacino in esame tramite il metodo cinematico e in seguito calcolando il deflusso con il metodo SCS-CN. Si utilizza entrambe le due formulazioni, cioè con l'uso del coefficiente di filtrazione e del coefficiente di deflusso. Il valore di t c riportato nelle formule seguenti è quello ricavato precedentemente nel punto 2.2 [t c =1.23]. Coefficiente di filtrazione Qmax(T)= ƩAi(at c (n-1) -Ksi) Ai : Area i-esima del bacino t c : Tempo di corrivazione Ksi : Coefficiente i-esimo di conducibilità idraulica a,n : parametri della linea segnalatrice 19

20 Portata massima nelle varie zone Tr2 Tr10 Tr50 Tr100 Tr200 ZONA ZONA ZONA ZONA ZONA Dalla tabella seguente si ricava la portata massima Tr2 Tr10 Tr50 Tr100 Tr200 Q max [m 3 /s] Coefficiente di deflusso La formula in questo caso è la seguente : Qmax(T)= AФat c (n-1) Facendo uso del coefficiente di deflusso medio, calcolato al paragrafo 3.2 si ricava la portata di piena per ogni tempo di ritorno. Tr2 Tr10 Tr50 Tr100 Tr200 Q max [m 3 /s]

21 7) Bilancio idrologico mensile Ipotizzando che il bacino in esame sia un sistema chiuso dal punto di vista idrogeologico, reso possibile ipotizzando uno schema di funzionamento a due serbatoi, sono rilevati i medi mensili delle principali componenti idrogeologiche. Per quanto riguarda la stima dei flussi lineari delle falde, essendo il sistema chiuso, si considera nullo lo scambio con altri bacini. I valori utilizzati per le equazioni sono i seguenti: Mes e P(mm/mese) Np fp Tm( C) ΔT( C) UR(% ) Epot(mm/mese) Rh(mm/mese) QI,i(mm/mese) Gennaio E febbraio E Marzo E Aprile E Maggio E Giugno E Luglio Agosto Settembre E-10 0 Ottobre Novembre E Dicembre

22 J,i(mm/mese) W1(mm) W2(mm) W,i(mm) Rd(mm/mese) E(mm/mese) Qb,i(mm/mese) V,i(mm) Qtot(mm/mese) Qtot(m3/s) E verificato che le somme delle precipitazioni lungo l arco di un anno è uguale alla somma dei valori di evapotraspirazione più i valori delle portate su base annuale. 7.1) Curva di durata delle portate La curva di durata delle portate è stata ricostruita in maniera indiretta in quanto non erano disponibili i dati di portata necessari. Per valori di portata bassi si sono utilizzati i tre valori di portata mensile minori derivanti dal bilancio idrologico di cui sopra, mentre per valori di portata superiori si fa riferimento al modello esponenziale per la stima della probabilità di superamento della generica portata Q: P[Q q] = β α exp dd α qq AA + KKKK dove β=hp/365= 5.6 mm (precipitazione media giornaliera) α=hp/gp= 15.8 mm (precipitazione media in un giorno piovoso) d=6 h K s =11 mm/h 22

23 d (giorni) Qtot (m 3 /s)

24 8) Simulazione con HEC-RAS Per individuare situazioni a rischio di eventi di piena, a conclusione dell esercitazione è stata effettuata una simulazione con il software HEC-RAS. Il tratto del corso d acqua considerato comprende la zona urbana di Montale, per un tratto di lunghezza complessiva di circa 600 metri. Dopo aver effettuato una serie di rilevazioni in sito, abbiamo definito 19 sezioni trasversali rispetto al corso d acqua; sono stati rilevati tutti i punti significativi del tratto in esame, tra cui due ponti e due cascate. Si riporta un estratto della planimetria in cui sono evidenziate le sezioni: 8.1) Risultati simulazione con software HEC-RAS Si riportano di seguito i risultati della simulazione con HEC-RAS, in cui sono state inserite le portate di piena per tempi di ritorno pari a 50, 100 e 200 anni, calcolate con il coefficiente di deflusso medio del bacino. Vengono quindi mostrate tutte le sezioni che sono state rilevate, oltre ai ponti; l ordine progressivo è da valle verso monte. 24

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37 8.2) Profilo altimetrico 37

38 8.3) Risultati tabulati di HEC-RAS Reach River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. 38 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) montale 17 Tr montale 17 Tr montale 17 Tr montale 16 Tr montale 16 Tr montale 16 Tr montale 15 Tr montale 15 Tr montale 15 Tr montale 14 Tr montale 14 Tr montale 14 Tr montale 13.2 Tr montale 13.2 Tr montale 13.2 Tr montale 13.1 Tr montale 13.1 Tr montale 13.1 Tr montale 12 Tr montale 12 Tr montale 12 Tr montale 11 Tr montale 11 Tr montale 11 Tr montale 10 Tr montale 10 Tr montale 10 Tr montale 9 Tr montale 9 Tr montale 9 Tr montale 8.2 Tr montale 8.2 Tr montale 8.2 Tr montale 8.1 Tr montale 8.1 Tr montale 8.1 Tr montale 7.5 Bridge montale 7 Tr montale 7 Tr montale 7 Tr montale 6 Tr montale 6 Tr montale 6 Tr montale 5 Tr montale 5 Tr montale 5 Tr montale 4 Tr montale 4 Tr montale 4 Tr montale 3 Tr montale 3 Tr

39 montale 3 Tr montale 2.5 Bridge montale 2 Tr montale 2 Tr montale 2 Tr montale 1 Tr montale 1 Tr montale 1 Tr ) Analisi e interpretazione dei risultati Dai risultati della simulazione con il software si possono ricavare informazioni sul torrente Settola. Si nota che in determinate sezioni, a causa della modesta altezza degli argini, il torrente è soggetto a vari fenomeni di esondazione per tutti i tempi di ritorno considerati nell analisi. I ponti, essendo di larghezza elevata, non presentano nessun tipo di problema. Lungo alcuni tratti si presentano condizioni di rischio. Poiché in alcune delle parti suddette siamo in presenza di costruzioni adibite a civile abitazione, potrebbero nascere problemi in caso di piena poiché tali abitazioni sarebbero a rischio. 39