GIS e modellazione idraulica bidimensionale per mappare il rischio idraulico

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1 GIS e modellazione idraulica bidimensionale per mappare il rischio idraulico Ing. Yaima Perez Santana, IDRAN Ingegneria e Tecnologia S.r.l., yaimaps@gmail.com Prof. Fernando Nardi, Università per Stranieri di Perugia, fernando.nardi@unistrapg.it Abstract L urbanizzazione comporta la trasformazione dei suoli naturali in terreni impermeabilizzati per aree residenziali, commerciali e industriali; influisce in modo negativo sul ciclo idrologico provocando generalmente l aumento dei caudali punta, aumento dei volumi di deflusso, e di conseguenza un aumento delle inondazioni. Già dall antichità la maggior parte delle città furono insediate attorno agli alvei fluviali, a questo si aggiunge come aggravante l effetto del cambiamento climatico alle sempre più abituali condizioni idrogeologiche che determinano presupposto per rischio idraulico. È certamente di massima importanza la comprensione degli effetti delle onde di piena nei bacini urbani di piccola estensione per mitigare le conseguenze di essi, eppure attualmente c è poca disponibilità di questo tipo di analisi idrauliche con un basso grado di incertezza. Nel presente studio si è impiegato il software di modellazione idraulica FLO-2D e si propone una procedura speditiva di applicazione del modello bidimensionale basata su un analisi di tipo idro-geomorfologico integrata in ambiente ESRI GIS. Il procedimento consiste in ottimizzare i DEM, per poi avallare la potenziale applicazione dei modelli 2D su grandi scale integrati ai GIS per analizzare e mappare il rischio idraulico in piccoli bacini. Progetto Introduzione: I bacini idrografici di piccole dimensione e di estensione superficiale fra i 150 e 200 km 2 presentano delle caratteristiche particolari dovute alla loro geomorfologia e ridotta dimensione come tempi di risposta molto brevi; precipitazioni intense possono provocare fenomeni alluvionali e franosi molto severi. La modellazione idraulica per determinare il panorama conoscitivo della pericolosità risultata dai fenomeni alluvionali, così come per la mappatura del rischio idraulico in questo tipo di bacini è molto critica perché generalmente sono bacini non strumentati cioè che non contano con stazioni di misura idrometrica. Tuttavia con le tecniche sempre più attuali di telerilevamento, sono disponibili in GIS supporti cartografici digitali per la topografia (Modelli Digitali del Terreno; DEM) su praticamente qualsiasi area del mondo. Questi DEM ad alta risoluzioni assieme a modelli geomorfologici per stimare gli idrogrammi di piena sempre più efficaci integrati a codici di simulazione numerica 2D, contribuiscono allo sviluppo di un modello idraulico in FLO-2D per un piccolo bacino non strumentato adottando la piattaforma ESRI ArcGIS.

2 Metodologia: Il software FLO-2D è un modello idrologico-idraulico bidimensionale (2D) in grado di simulare la propagazione dell onda di piena in bacini idrografici e l interazione con le varie ostruzioni e strutture che caratterizzano le aree antropizzate tra le quali ponti, argini e tombini. Utilizza uno schema geometrico grigliato a passo costante, finalizzato alla stima delle variabili idrauliche (tirante, velocità e portata) cella per cella e distinguendo per ognuna otto potenziali direzioni di flusso. A partire del presupposto della larga disponibilità dei DEM e della potenzialità del codice alle differenze finite FLO-2D per la modellazione idraulica bidimensionale, si propone una metodologia integrata per l analisi idraulica dei bacini di piccole dimensioni non strumentati. Soluzione: Il caso di studio è il bacino del Rio Galeria (o Fosso Galeria), affluente a destra idraulica del fiume Tevere. È catalogato come piccolo bacino con un'estensione pari a 153,8 km 2, e la lunghezza dell asta di 38,5 km. Presenta una stazione idrometrica in prossimità alla sua sezione di chiusura, che comunque non fornisce una serie storica significativa di eventi di piena, facendo rientrare il caso di studio tra i bacini piccoli e non strumentati del territorio urbanizzato romano. Il presente studio espone l analisi e il confronto di due modelli idraulici sviluppati con FLO- 2D, per il bacino Galeria, ma caratterizzati da una risoluzione spaziale differente e da una rappresentazione della geometria ottenute diversamente; Il modello FLO-2D sviluppato per lo Studio Idrologico ed idraulico bidimensionale per l Aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del reticolo secondario per l area di Roma Capitale ( Autorità del Bacino Tevere, 2014); costruito su un dominio discretizzato in celle di 20 m e con una geometria d alveo definita dalle sezioni naturali che sono state oggetto di appositi rilievi topografici. Mentre Il modello proposto e implementato appositamente per questo studio è stato realizzato adottando una maglia quadrata di 50 m, e la geometria ricavata a partire del DEM attraverso l estensione HEC-GeoRas. Dalla base della crescente analisi per la determinazione e mappatura delle piane alluvionali nel territorio romano, si sono effettuate delle campagne di indagine per il rilevamento di sezioni fluviali, nonché di manufatti di attraversamento. Distintamente ai dati topografici del fiume Rio Galeria disponibili, si è potuto contare con il Modello Digitale del Terreno; Digital Terrain Model, (DEM) della Carta Tecnica Regionale Numerica, (CTRN) della Regione Lazio a scala 1:5000. Questo DEM rappresenta accuratamente la morfologia di tutto il bacino di Fosso Galeria all anno 2004 con una risoluzione di 5 m e una precisione pari alla decima.

3 Fig.1 Inquadramento territoriale del bacino di Fosso Galeria A partire dal DEM della CTRN5k con risoluzione para a 5 m è stata estratta la morfologia da associare alle celle canale per la definizione del tubo di flusso che determina la modalità di propagazione idraulica dell onda di piena secondo: Determinazione del reticolo idrografico attraverso terrain analysis (correzione delle depressioni, stima delle direzioni di deflusso, stima delle aree contribuenti per ogni cella)

4 Estrazione delle informazioni planimetriche ed altimetriche del Rio Galeria attraverso l estensione HEC-GeoRAS. Risultati: In seguito si presentano dei prodotti cartografici che rappresentano gli strati informativi determinati dai file di uscita (formato ASCII o SHP) del modello FLO-2D con l ausilio dell interfaccia dedicata alla visualizzazione ed esportazione dei risultati delle simulazioni (Mapper Pro). Il modulo Mapper permette di creare in modo automatico le mappe di topografia, livelli idrici velocità massime ed anche quelle di rischio idrologico e idraulico in maniera semplice, speditiva ed accurata. Questi strati informativi sono stati processati ed omogeneizzati per renderli congruenti con il sistema informativo GIS sviluppato per il Progetto. I risultati sono stati suddivisi i due parti. Nella prima parte si riportano le mappe dei tiranti idraulici relative a: a) Il modello di riferimento in FLO-2D con risoluzione spaziale di 20 m la cui forzante idrologica è l insieme delle onde di piena dell evento sintetico con tempo di ritorno duecentennale; b) Il modello FLO-2D implementato nel presente studio con risoluzione spaziale di 50 m caratterizzato dalla stessa forzante idrologica del modello a) (TR= 200 anni); c) Il modello di cui al punto b), al quale sono state aggiunte delle strutture antropiche a seguito del rilievo in situ, e delle ispezioni visive effettuate tramite volo con drone e Google Earth. Il modello di riferimento elencato precedentemente come a), costituisce parte del lavoro delle Studio Idrologico ed idraulico bidimensionale per l Aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del reticolo secondario per l area di Roma Capitale, ( Autorità del Bacino Tevere, 2014). La seconda parte dei risultati è relativa alla delineazione delle aree inondabili effettuata manualmente sulla base di analisi avanzate in ambiente GIS a partire dalla distribuzione delle superfici idriche restituite dal modello idraulico e dal Modello Digitale del Terreno passo 5 metri della Regione Lazio. Nello specifico verranno rappresentate:

5 a) Le fasce PAI elaborate per l Aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del reticolo secondario per l area di Roma Capitale ( Autorità del Bacino Tevere, 2014). b) Fasce PAI delineate nel presente lavoro a partire dal modello FLO-2D a passo 50 m, per i 16 chilometri a monte del tratto di inizio delle fasce PAI attuali, considerando l inserimento nel modello delle infrastrutture civili di interesse nel tratto in esame. Fig. 2 Confronto dei tiranti idrici risultanti dal modello di riferimento 20 m (sinistra), tiranti idrici risultanti dal modello proposto 50m (centro), tiranti idrici risultanti dal modello proposto 50m modificato con le infrastrutture antropiche (destra)

6 Fig. 3 Fasce PAI tracciate manualmente a partire della simulazione del modello proposto con cella di 50m; a sinistra è rappresentata la regione settentrionale del bacino (non considerato nel PAI di riferimento), al centro la regione meridionale, corrispondente a quella considerata nel PAI di riferimento e a destra il PAI di riferimento.

7 Conclusioni: Si è dimostrato che l adozione di un modello idraulico semplificato, che comporta tempi ridotti di implementazione e di simulazione, può essere un valido strumento per un preliminare delineazione delle aree inondabili su larga scala con errori relativamente contenuti sui tiranti idrici massimi (nel caso del presente studio, l RMSE rispetto al modello di riferimento è stato di 20 cm). Tale metodologia può essere adottata per effettuare delle analisi di larga scala per una preliminare identificazione di aree inondabili in modo da avere una ampia visione delle eventuali criticità idrauliche presenti sul territorio, e conseguentemente pianificare degli studi più approfonditi sulla base dei risultati preliminari ottenuti. Parole chiave: Mappatura del rischio idraulico; DEM; FLO-2D Riferimenti: Autorità del Bacino Fiume Tevere (2014): Aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del Reticolo Secondario di Roma Capitale Autorità del Bacino Fiume Tevere (2014): Linee Guida per la modellazione idrologica ed idraulica bidimensionale per la definizione della pericolosità idraulica di piccoli bacini non strumentati Borselli L., Busoni E., Torri D., Applicabilità del S.C.S. Curve Number method: il fattore lambda per la stima del deflusso superficiale, in: C.N.R.-G.N.D.C.I., Linea 1, Rapporto 1989, 43-56, G. Calenda, F. Campolo, C. Cosentino e R. Guercio, Valutazione delle piene nei bacini delle sezioni idrografiche di Roma e Pescara, in La valutazione delle piene in Italia-Rapporto Nazionale di Sintesi, Bozza, CNR-GNDCI, Allegato F Grimaldi S., Petroselli A., Alonso G., Nardi F. (2010): Flow time estimation with variable hillslope velocity in ungauged basins, Advances in Water Resources, 33 (10), Maidment, D. R. (1992): Handbook of Hydrology, McGraw-Hill, Inc., New York, NY, U.S.A. Manfreda S., Giuzio L., Vito I., Sole A. (2011): Guida Tecnica al Calcolo delle Portate al Colmo di Piena Ventriglia, U. (2002): Geologia del territorio del comune di Roma