1 PREMESSA... 2 TORRENTE STELLA FASI DELLO STUDIO CARATTERISTICHE DEL BACINO E DEL CORSO D ACQUA OGGETTO DI STUDIO...

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2 SOMMARIO 1 PREMESSA... 2 TORRENTE STELLA FASI DELLO STUDIO CARATTERISTICHE DEL BACINO E DEL CORSO D ACQUA OGGETTO DI STUDIO Caratteristiche del bacino Caratteristiche del tratto di corso d acqua oggetto di indagine ACQUISIZIONE DATI TOPOGRAFICI ANALISI IDROLOGICA Modello di regionalizzazione AL.TO Dati utilizzati per i modelli idrologici Risultati dei calcoli svolti ANALISI IDRAULICA Descrizione della metodologia di calcolo Dati di input del modello idraulico di calcolo Risultati dello studio idraulico Perimetrazioni delle aree inondabili ANALISI DEI RISULTATI DELLE SIMULAZIONI TORRENTE NIEVOLE VALUTAZIONI IDROLOGICHE AGGIORNATE CON LSPP CONCLUSIONI VIA ROMA 26 PRATO 1

3 1 PREMESSA Il presente studio idrologico-idraulico è stato redatto a supporto della Variante al Regolamento Urbanistico del Comune di Serravalle Pistoiese ed è articolato in due parti: studio idrologico-idraulico del torrente Stella nel tratto che scorre in località Masotti; valutazioni idrologiche aggiornate con curve di possibilità pluviometrica regionalizzate aggiornate all anno 2012 per il bacino del torrente Nievole con riferimento a due sezioni di chiusura all interno del territorio del Comune di Serravalle P.se. Per quanto concerne il torrente Stella, questo è stato analizzato sia dal punto di vista idrologico che idraulico. E stato costruito un modello idraulico di calcolo all interno del quale sono stati inseriti tutti i dati idrologici, idraulici, geometrici e topografici disponibili sia per il corso d acqua che per la parte di territorio comunale di fondovalle potenzialmente soggetta ad allagamenti per tracimazioni del torrente stesso; in base ai risultati ottenuti utilizzando il modello, sono state eseguite le perimetrazioni delle aree potenzialmente inondabili per eventi con tempo di ritorno pari a 30 e 200 anni in ottemperanza alle disposizioni normative regionali (vedi D.P.G.R. 53/R del 25/10/2011) e con metodologia conforme all Allegato 3 delle norme del P.G.R.A. dell Autorità di Bacino del Fiume Arno. Per quanto riguarda invece il torrente Nievole, in accordo con quanto espressamente richiesto dall Ufficio del Genio Civile di Pistoia, è stata eseguita solo l analisi idrologica con riferimento ai recenti nuovi dati pluviometrici (vedi LSPP della Regione Toscana dell anno 2012) al fine di valutare le differenze di portate/volumi in deflusso rispetto a quelli stimati nel precedente studio idrologico-idraulico redatto dallo scrivente nell Ottobre 2011 a supporto della Variante al Regolamento Urbanistico e successivamente approvato dal Genio Civile stesso. TORRENTE STELLA 2 FASI DELLO STUDIO La relazione si articola nei seguenti capitoli che si identificano con le diverse fasi dello studio: Acquisizione dei dati topografici Acquisizione dei dati idrologici: viene indicata la fonte dalla quale sono stati ripresi gli idrogrammi di piena di riferimento per i bacini oggetto di studio in relazione agli scenari di pioggia analizzati. Si riportano inoltre gli idrogrammi di piena per i due tempi di ritorno valutati per tutti i bacini/sottobacini relativi agli affluenti dello Stella nel tratto in esame. Analisi idraulica: vengono descritti gli strumenti di calcolo, i dati utilizzati nella costruzione del modello idraulico, le ipotesi assunte e i risultati ottenuti. Perimetrazioni di rischio: alla luce delle verifiche idrauliche sono state delimitate le aree a rischio idraulico per i diversi tempi di ritorno. Lo studio, condotto solo sull'asta principale del torrente Stella, ha riguardato il tratto rappresentato in Figura 1. VIA ROMA 26 PRATO 2

4 Ubicazione della sezione iniziale del tratto di studio Immediatamente a valle del primo dei tre ponti con i quali l Autostrada A11 oltrepassa il torrente Stella, presso la zona industriale Mauro Maltinti Ubicazione della sezione di chiusura del tratto di studio Immediatamente a valle dell ultimo dei tre ponti con i quali l Autostrada A11 oltrepassa il torrente Stella Torrente Stella Sez. finale Sez. iniziale FIGURA 1 TRATTO DEL TORRENTE STELLA OGGETTO DI STUDIO. Come si può vedere dall immagine precedente, il tratto di asta coperta dalle simulazioni risulta esteso al di fuori del territorio di interesse: questo perché nell ottica di stimare correttamente le portate e i volumi esondati che possono interessare il territorio del comune di Serravalle P.se, è necessario ricostruire le condizioni idrauliche di un tratto a valle significativo ai fini dello studio. Nei capitoli successivi saranno comunque riportate le caratteristiche del modello idraulico in modo più esaustivo. 3 CARATTERISTICHE DEL BACINO E DEL CORSO D ACQUA OGGETTO DI STUDIO 3.1 CARATTERISTICHE DEL BACINO Il Torrente Stella è un affluente di destra del Torrente Ombrone Pistoiese, nasce nel Comune di Serravalle Pistoiese e attraversa i Comuni di Pistoia, Quarrata e il tratto terminale, insieme allo stesso Torrente Ombrone, fa da confine tra i comuni di Quarrata, Carmignano e Prato. Il territorio del comune di Serravalle P.se attraversato dal torrente Stella si presenta nel tratto iniziale a carattere prettamente montano-collinare, con una zona di fondovalle che, inizialmente confinata fra i rilievi appenninici e quelli del Montalbano, si amplia in estensione subito dopo la località di Stazione Masotti. I principali affluenti che confluiscono nel tratto di torrente Stella oggetto di studio sono: il Fosso Spina (vedi bacino con sigla ST 3 in Figura 2) e il Fosso Mandrione (ST 7) in destra idraulica, il Fosso della Fontana di Caprile (ST 5) e il Fosso di Groppoli (ST 6) in sinistra. VIA ROMA 26 PRATO 3

5 ST 6 ST 1 ST 5 ST 2 ST 7 ST 3 ST 4 ST1 - Torrente Stella (tratto di monte) ST2 - Corso d acqua minore ST3 - Fosso Spina ST4 - Corso d acqua minore ST5 - Fosso della Fontana di Caprile ST6 - Fosso di Groppoli ST7 - Fosso Mandrione FIGURA 2 BACINI IDROGRAFICI DEI PRINCIPALI AFFLUENTI DEL TORRENTE STELLA NEL TRATTO OGGETTO DI STUDIO 3.2 CARATTERISTICHE DEL TRATTO DI CORSO D ACQUA OGGETTO DI INDAGINE Il torrente Stella nel tratto oggetto di studio si presenta incassato con sponde alla quota del piano campagna per la quasi totalità del suo sviluppo. Nello specifico la geometria del torrente Stella nell area oggetto di simulazioni idrauliche è caratterizzata da una marcata eterogeneità (Figura 3), così come di seguito descritta: il Tratto 1, lungo circa 930 m e che si estende dal primo attraversamento dell Autostrada A11 fino al tombamento in corrispondenza della stazione ferroviaria di Serravalle Pistoiese, in cui è assente qualsiasi forma di protezione arginale; VIA ROMA 26 PRATO 4

6 il Tratto 2, lungo circa 85 m e compreso fra il suddetto tombamento e quello immediatamente successivo, in cui il torrente presenta un arginatura in calcestruzzo in destra idraulica, mentre in sinistra è privo di forme di protezione arginale; il Tratto 3 compreso fra l uscita dal secondo tombamento e il primo attraversamento di Via Provinciale Lucchese, lungo circa 275 m, in cui è assente qualsiasi forma di protezione arginale; il Tratto 4 compreso fra il suddetto ponte e quello di via Animalunga, lungo circa 505 m, in cui il corso d acqua scorre per quasi tutta la sua lunghezza contenuto fra strutture arginali in calcestruzzo su entrambe le sponde; il Tratto 5, a valle del ponte di via Animalunga e fino alla sezione di chiusura, in cui il torrente presenta sia in destra che in sinistra idrauliche dei rilevati arginali realizzati in terra, per una lunghezza di circa 680 m. Tratto 3 Tratto 4 Tratto 5 Tratto 2 Tratto 1 FIGURA 3 SUDDIVISIONE DEI TRATTI IN BASE ALLA GEOMETRIA DEL TORRENTE STELLA In considerazione di quanto sopra riportato, le condizioni di massimo allagamento per effetto di tracimazioni spondali/arginali, si verificano in corrispondenza del passaggio delle massime portate. VIA ROMA 26 PRATO 5

7 4 ACQUISIZIONE DATI TOPOGRAFICI Per la redazione dello studio sono stati utilizzati i seguenti dati topografici: a. dati geometrici ottenuti da recenti campagne topografiche effettuate dallo scrivente; b. sezioni fluviali appositamente rilevate per lo studio in oggetto, al fine di ricostruire le geometrie nelle zone centrale e finale del tratto di studio; c. sezioni riprese dal modello idraulico fornito dall Autorità di Bacino del Fiume Arno per il tratto terminale dello studio e, più nello specifico, per quello a cavallo del terzo e l ultimo attraversamento dell Autostrada A11. Le sezioni di cui al precedente punto b, sono state rilevate mediante stazione GPS e appoggiate planimetricamente sul sistema Gauss-Boaga della Carta Tecnica Regionale. Prima di costruire il modello idraulico è stata controllata la validità delle sezioni già disponibili; tutte le sezioni sono state altimetricamente georeferenziate in modo univoco rispetto alle quote ricavate dal DTM relativo ai rilievi LIDAR per i voli dell anno In particolare si precisa che le sezioni riprese dal modello dell Autorità di Bacino del Fiume Arno sono state rigidamente traslate verso l alto di 40 cm al fine renderle altimetricamente congruenti con le quote del piano autostradale che risultano dai rilievi LIDAR. Per ottenere una corretta analisi del comportamento idraulico della corrente in corrispondenza dei manufatti (ponti e attraversamenti) esistenti, ove necessario, sono state ricostruite alcune sezioni in base a quelle disponibili nelle immediate vicinanze. Le sezioni utilizzate per ricostruire il modello geometrico-idraulico in base al quale sono stati eseguiti i calcoli per redigere le perimetrazioni delle aree allagabili sono in un numero complessivo pari a 75. Per definire la geometria delle aree di potenziale allagamento è stato utilizzato il rilievo LIDAR relativo al volo dell anno Si precisa che la base cartografica CTR in scala 1:2000 su cui sono riportate le aree allagabili che risultano dallo studio è stata opportunamente aggiornata sulla base del Database topografico disponibile sul sito della Regione Toscana che tiene conto di interventi edilizi e/o modifiche morfologiche realizzati fino all anno VIA ROMA 26 PRATO 6

8 5 ANALISI IDROLOGICA Gli idrogrammi relativi al bacino con sezione di chiusura in corrispondenza della sezione iniziale del tratto oggetto di studio (ST 1) e a quelli degli immissari non oggetto di simulazioni idrauliche (da ST 2 a ST 7), che rappresentano i risultati dei calcoli e delle valutazioni di tipo idrologico, sono stati ottenuti servendosi dei dati geomorfologici ricavati mediante il software AL.TO In considerazione del fatto che, trattandosi di un tratto di corso d acqua sostanzialmente incassato senza strutture arginali di contenimento e posto in un fondo valle di larghezza limitata (circa 300 m), le condizioni di massimo allagamento delle aree a campagna si hanno per effetto di tracimazioni al passaggio delle massime portate, è stata presa in esame solo la condizione di durata di pioggia critica che massimizza dette portate. La durata critica del sistema idraulico in esame è stata stimata utilizzando il software AL.TO. e risulta pari a circa 1.2 ore. 5.1 MODELLO DI REGIONALIZZAZIONE AL.TO Come accennato precedentemente, i calcoli idrologici sono stati svolti con le modalità indicate dal P.A.I. e nello specifico con riferimento alla metodologia definita dal modello AL.TO (di cui di seguito viene riportata una sintetica descrizione), unitamente a un applicazione, realizzata dall Autorità di Bacino, denominata IDRARNO, che costituisce una estensione di AL.TO. e permette, utilizzando la medesima metodologia e gli stessi dati di input, di ricostruire gli idrogrammi di piena fissando la durata dell evento di pioggia. La modellistica idrologica ha lo scopo di generare gli idrogrammi di progetto nelle sezioni d interesse del reticolo fluviale a partire da ietogrammi di pioggia sintetici. La metodologia alla base degli studi effettuati dall'autorità di Bacino mira a un agevole caratterizzazione degli eventi in termini di tempi di ritorno: conseguenza diretta, la possibilità di definire livelli di rischio in funzione della probabilità di accadimento. Ciò si ottiene facilmente attraverso una procedura semplificata di generazione di eventi sintetici, che si basa sulle seguenti ipotesi: eventi meteorici sintetici costanti su tutto il bacino; isofrequenza fra evento meteorico e portata in alveo (T R evento di pioggia = T R idrogramma di piena). La procedura parte dalla teoria dell'idrogramma istantaneo unitario geomorfologico, di cui riportiamo di seguito le linee principali. L'input meteorico è rappresentato da uno "ietogramma sintetico", la cui frequenza viene stimata a partire dalle curve di possibilità climatica, fornite ufficialmente dal Servizio Idrologico della Regione Toscana. Il metodo utilizzato per studiare la risposta idrologica, in termini di deflussi, è quello basato sul cosiddetto idrogramma istantaneo unitario (Instantaneous Unit Hydrograph, IUH), vale a dire l'idrogramma di piena causato da un evento impulsivo di pioggia di volume unitario e durata tendente a zero. Infatti, con le ipotesi di linearità e stazionarietà della risposta, l'idrogramma di piena può essere calcolato tramite la convoluzione fra ietogramma efficace e IUH: dove: VIA ROMA 26 PRATO 7

9 Q(t) è la portata defluente; p(t) = A i(t), con A area del bacino e i(t) pioggia netta ragguagliata sul bacino; U(t) idrogramma unitario per cui U(t)dt. Il momento di primo ordine dello IUH rispetto all'origine (baricentro), definito dalla relazione: viene detto tempo di ritardo (lag) T l. Ad esempio, l'idrogramma unitario di Nash ha la seguente formulazione: In questo schema il tempo di ritardo è dato dal prodotto nk (pari proprio alla media dell'idrogramma unitario). I parametri n, k e T l dell'idrogramma unitario di Nash sono stati ricavati sulla base delle caratteristiche geomorfologiche del reticolo idrografico, mediante le espressioni in unità congruenti, dove: R b = rapporto di biforcazione; R l = rapporto di lunghezza; R a = rapporto di area; L c = lunghezza del canale principale (dalla sorgente alla sezione di interesse); ν = fattore cinematico legato alla velocità della piena ("media spazio-temporale di scorrimento dell'acqua o di propagazione dell'onda di piena"). I parametri geomorfologici elencati possono essere calcolati, una volta ordinato il reticolo idrografico secondo Strahler, sulla base delle seguenti note relazioni VIA ROMA 26 PRATO 8

10 dove: ω = ordine massimo del reticolo; N u = numero delle aste di ordine u; L u = lunghezza media delle aste di ordine u; A u = area media sottesa dalle aste di ordine u. La trasformazione da pioggia reale a netta adottata richiede la stima di due parametri: la perdita iniziale è schematizzata introducendo un volume unitario di perdita iniziale (indicato con I a ) che assorbe completamente la precipitazione durante i primi momenti dell'evento (dall'istante iniziale dell'evento t=0 sino all'istante t=t a ), mentre la perdita durante l'evento viene schematizzata con una infiltrazione costante a saturazione (indicata con Ks), dove: P(t) = intensità di precipitazione ragguagliata sul bacino [mm/h]; Pn(t) = intensità di precipitazione netta sul bacino [mm/h]; I a (t) = perdita iniziale all'istante t dell'evento [mm]; I a = I a (t a ) volume di perdita iniziale per unità di area [mm]; Ks = velocità di infiltrazione a saturazione [mm/h]. Il modello di trasferimento adottato è quello, già citato, dell'idrogramma unitario di tipo Γ(n,k) introdotto da Nash e caratterizzato dal parametro di forma (n) e da quello di scala (k). I parametri utilizzati per il calcolo delle portate di piena risultano, in sostanza, i seguenti: I a = volume unitario di perdita iniziale [mm]; Ks = velocità di infiltrazione a saturazione [mm/h]; n = parametro di forma dell'idrogramma di Nash [-]; k = parametro di scala dell'idrogramma di Nash [h]. VIA ROMA 26 PRATO 9

11 Lo studio di regionalizzazione delle portate di piena, attraverso la taratura sistematica dei dati relativi a eventi registrati nei 42 bacini strumentati dal Servizio Idrografico, ha fornito una relazione fra i valori di T l ed i parametri geomorfologici: dove A è l'area del bacino espressa in [kmq] e L mc la lunghezza del reticolo [km] calcolata come cumulata delle lunghezze medie per i vari ordini gerarchici L mc. I valori di I a e Ks nel lavoro di regionalizzazione sono calcolati in funzione dell'uso del suolo e della geologia dei bacini, resi indipendenti dalle dimensioni del bacino idrografico stesso. I parametri geomorfici provengono invece dalla gerarchizzazione secondo Strahler del reticolo idrografico sotteso per ciascuna sezione di calcolo. 5.2 DATI UTILIZZATI PER I MODELLI IDROLOGICI Gli idrogrammi di piena relativi agli scenari di calcolo ipotizzati per i bacini oggetto di studio sono stati calcolati utilizzando i parametri delle LSPP ottenuti dal Servizio Idrologico Regionale della Regione Toscana, relative all aggiornamento dell anno 2012, facendo in particolare riferimento alla stazione meteorologica di Pontelungo (N , E ). Infatti i dati occorrenti per tale modello sono, per ogni sottobacino: Area - superficie del bacino (kmq); I a - perdita iniziale (mm); Ks - velocità di infiltrazione a saturazione (mm/h); N - parametro di forma dell'idrogramma di Nash; K - parametro di scala dell'idrogramma di Nash (h); Cpp_a - parametro della curva di possibilità pluviometrica per durate > 1 h; Cpp_n - parametro della curva di possibilità pluviometrica per durate > 1 h; Qbase - portata di base (mc/s) parametro opzionale; Sezione - nome della sezione a valle della confluenza ; Qmax - portata massima (mc/s) su cui troncare l idrogramma parametro opzionale. I parametri I a, Ks, N, K sono stati invece ripresi dai dati disponibili nel modello AL.TO.. Per ciascuno dei bacini in esame, sono riportati nella seguente tabella i dati utilizzati nei calcoli e che vanno a costituire il file.idr di input del software IDRARNO. Si precisa che per poter inserire i nuovi parametri a ed n della LSPP in forma binomia, il parametro m della CPP in forma trinomia (h = a t n T r m ) è stato posto pari a 0. VIA ROMA 26 PRATO 10

12 Nome Area I a Ks N K Cpp_a Cpp_n ST ST ST ST ST ST ST L evento di pioggia di riferimento per il calcolo degli idrogrammi è stato ragguagliato sulla base del coefficiente di ragguaglio areale Kr delle piogge. Questo, per ciascun bacino, è stato stimato direttamente dal software IDRARNO sulla base della funzione espressa nella forma Kr=f(A,d) dove A è l area del bacino sotteso e d la durata dell evento. Dai calcoli risulta un coefficiente di ragguaglio pari a RISULTATI DEI CALCOLI SVOLTI La seguente tabella presenta in sintesi i valori di portata al colmo relativi ai singoli bacini considerati. Nello specifico, in tabella vengono indicati per i due tempi di ritorno analizzati i valori massimi di portata con riferimento alla durata di pioggia che massimizza il picco. Bacino Q 30 (mc/s) Q 200 (mc/s) ST ST ST ST ST ST ST La ricostruzione degli idrogrammi di piena per ciascun sottobacino individuato è stata eseguita, in ottemperanza alle normative vigenti, con riferimento a eventi di pioggia con tempi di ritorno pari a 30 e 200 anni. Per ciascun bacino sono stati quindi ricostruiti, sulla base dei calcoli svolti servendosi dei dati precedentemente indicati, due idrogrammi, riportati in Allegato 1. VIA ROMA 26 PRATO 11

13 6 ANALISI IDRAULICA Il modello geometrico-idraulico del corso d acqua studiato e della zona circostante è stato ricostruito utilizzando il software HEC-RAS 5.0 con il quale sono state ovviamente eseguite anche le simulazioni idrauliche per i due scenari di calcolo precedentemente definiti. Per eseguire le simulazioni idrauliche è stata utilizzata la metodologia di calcolo con schema di moto vario. Gli argini sono schematizzati come elementi rigidi, anche in caso di avvenuta tracimazione. Essendo il fondovalle in corrispondenza del tratto di studio confinato fra i rilievi dell Appennino e quelli del Montalbano, la distribuzione dei volumi a campagna è stata effettuata estendendo le sezioni rilevate, in particolare servendosi dei rilievi LIDAR datati Inoltre, sono state inserite in destra idraulica nel tratto terminale due celle di accumulo delle acque, i cui confini sono delimitati da infrastrutture stradali e ferroviarie (Figura 4). Poiché nel territorio oggetto di studio sono presenti estese aree nella quali il fenomeno di transito delle acque esondate sulle superfici a campagna è preponderante rispetto ai ristagni, è stato necessario analizzare separatamente tali aree. Per detta ragione sono state distinte le aree soggette a battenti di transito e quelle di accumulo. Nei due casi, i battenti e i conseguenti perimetri delle aree allagabili, sono stati così valutati: aree di transito: risultano in base ai massimi livelli idrometrici raggiunti in corrispondenza delle sezioni estese; aree di accumulo: risultano sulla base della curva d invaso altezze-volumi, rappresentativa della geometria della cella territoriale. FIGURA 4 SCHEMATIZZAZIONE DEL MODELLO IDRAULICO VIA ROMA 26 PRATO 12

14 6.1 DESCRIZIONE DELLA METODOLOGIA DI CALCOLO Il modello idraulico utilizzato, denominato HEC-RAS, è stato sviluppato dall US Army Corps Of Engineers ed è in grado di effettuare simulazioni di tipo monodimensionale del fenomeno di propagazione dell onda di piena su corsi d acqua. Il modello presuppone che siano fornite tutte le informazioni necessarie, in particolare la geometria di un numero sufficiente di sezioni trasversali. Il programma consente di inserire sezioni trasversali fittizie, interpolando quelle rilevate, in modo da assicurare che il passo di discretizzazione spaziale non ecceda un assegnato valore limite (per il corso d acqua studiato non è stato necessario utilizzare questa opzione). Per l analisi in moto permanente il software determina il profilo del pelo libero tra una sezione e la successiva mediante la procedura iterativa denominata standard step, risolvendo l equazione del bilancio energetico dove: Y 1 e Y 2 sono le altezze d acqua riferite al fondo dell alveo; Z 1 e Z 2 sono le altezze del fondo rispetto a una quota di riferimento; V 1 e V 2 sono le velocità medie della corrente nelle due sezioni estreme del tronco fluviale considerato; 1 e 2 sono coefficienti di ragguaglio delle potenze cinetiche; h e è la perdita di carico tra le due sezioni considerate. Il termine h e dipende sia dalle perdite per attrito che da quelle per contrazione ed espansione; può essere valutato mediante la relazione dove: L è la lunghezza del tronco considerato; S f è la cadente media tra le due sezioni; C è il coefficiente di perdita di carico per contrazione o espansione. Il primo termine rappresenta la perdita totale per attrito, pari al prodotto tra la distanza tra le due sezioni e la cadente media. Il programma prevede diverse possibilità di calcolo della cadente, che viene determinata presupponendo una suddivisione dell alveo in sottosezioni all interno delle quali la velocità possa ritenersi con buona approssimazione costante. Il secondo termine dell equazione per il calcolo delle perdite di carico rappresenta invece il contributo dovuto alla contrazione ed espansione dell area bagnata; tali perdite sorgono nel momento in cui si abbia un allargamento o restringimento della sezione che determini una VIA ROMA 26 PRATO 13

15 situazione di corrente non lineare. Il coefficiente C varia in un intervallo compreso tra 0.1 e 1 per correnti subcritiche, mentre in caso di correnti veloci generalmente si assumono valori inferiori. L altezza del pelo libero, in riferimento a una data sezione, viene determinata mediante una risoluzione iterativa delle equazioni (1) e (2). Il modello fornisce inoltre i valori dell altezza critica nelle diverse sezioni fluviali. Qualora si verifichino transizioni da corrente lenta a veloce o viceversa, in tali segmenti di asta fluviale l equazione di bilancio energetico è sostituita dall equazione globale di equilibrio dinamico. Il modello HEC-RAS consente di modellare l effetto indotto sulla corrente dalla presenza di attraversamenti fluviali, nel caso che il deflusso attraverso il ponte avvenga a pelo libero ma anche in pressione. La perdita di energia causata dal ponte è divisa in tre parti: in primo luogo le perdite che si hanno nella zona immediatamente a valle del ponte dove, generalmente, si ha un espansione della corrente. Sono poi considerate le perdite di energia che si verificano durante l attraversamento del ponte, nonché le perdite che si hanno immediatamente a monte, ove la corrente subisce una contrazione. Per lo studio del deflusso attraverso un ponte, HEC-RAS fa riferimento a quattro sezioni fluviali trasversali: sezione a monte del ponte, sezione di ingresso al ponte, sezione in uscita al ponte e sezione a valle del ponte. Il calcolo può essere effettuato utilizzando diverse soluzioni. Il metodo del bilancio energetico (metodo standard step), che è stato utilizzato nell ambito del presente studio, tratta la sezione in cui è presente il ponte esattamente come le altre, ad eccezione del fatto che l area occupata dalla struttura viene sottratta dall area totale e che il perimetro bagnato risulta incrementato per via del contributo dato dal ponte stesso. Poiché le perdite totali sono funzione di quelle per attrito e di quelle per contrazione ed espansione, occorre definire in questa fase i coefficienti necessari per il calcolo. In particolare, essendovi variazioni di velocità anche notevoli, il coefficiente di contrazione e soprattutto quello di espansione risulteranno sensibilmente maggiori rispetto ai valori assunti per i normali tronchi fluviali. Il metodo del bilancio della quantità di moto si basa invece sull applicazione dell omonima equazione tra le quattro sezioni fluviali in precedenza descritte. Il modello permette all utente di utilizzare, per lo studio di ogni ponte, ciascuno dei metodi sopra citati o eventualmente di selezionarli entrambi; il software provvede poi a restituire il profilo che prospetta la situazione caratterizzata da maggior criticità. Le equazioni che governano le correnti a pelo libero in moto vario sono quelle di De Saint Venant, valide nelle ipotesi di corrente gradualmente variata e pendenza d alveo contenuta. La risoluzione di dette equazioni differenziali è effettuata da HEC-RAS utilizzando uno schema implicito alle differenze finite a quattro nodi, definito in letteratura come box scheme, nel quale deve essere indicato un peso di discretizzazione temporale. Questo schema risulta incondizionatamente stabile per valori di compresi tra 0.5 e 1, condizionatamente stabile per θ uguale a 0.5 e instabile per θ < 0.5; nella realtà, soprattutto in presenza di strutture che alterino drasticamente la geometria della sezione, possono presentarsi situazioni in cui la stabilità del sistema di risoluzione non è garantita. Le equazioni di De Saint Venant si compongono dell equazione di continuità e dell equazione di bilancio di massa, applicate a un assegnato tronco fluviale. Nell ipotesi di fluido incomprimibile, l equazione di continuità si scrive come VIA ROMA 26 PRATO 14

16 dove: Q è la portata fluviale; A è l area bagnata; S è l area di accumulo, cioè l area della sezione che non contribuisce al deflusso; q e è la portata per unità di larghezza dovuta agli apporti laterali. L equazione del moto si scrive come dove: V è la velocità; Q è la portata; S f è la cadente. Le equazioni (3) e (4) sono di tipo differenziale e non lineari: possono essere risolte per via iterativa o mediante tecniche di linearizzazione. L analisi dell effetto dei ponti in condizioni di moto vario è effettuata da HEC-RAS con due approcci alternativi: il primo si esplica sottraendo dall area bagnata l area occupata dalle spalle e dalle pile della struttura; il perimetro bagnato risulta incrementato sempre per la presenza del ponte e, conseguentemente, si ha una riduzione della capacità di portata. Si preferisce questa procedura nei casi di spalle non troppo alte e facilmente sommergibili. Il secondo approccio considera invece la sezione del ponte imponendo una condizione interna, con la definizione di relazioni Q-h (portataaltezza idrica) in sostituzione alle equazioni di moto vario. 6.2 DATI DI INPUT DEL MODELLO IDRAULICO DI CALCOLO Per ricostruire il modello geometrico sono state inserite le sezioni dell alveo del corso d acqua oggetto di studio (vedi capitolo 3) e definite le curve di invaso delle due celle A01 e A02 individuate nella parte terminale del tratto di studio e poste in destra idraulica. Per quanto riguarda i ponti e le briglie presenti nel modello, questi sono stati modellati mediante due sezioni aggiuntive inserite subito a monte e a valle dei manufatti, mentre l impalcato degli attraversamenti è stato definito così come riportato nelle sezioni, senza alcuna approssimazione. Nel caso di ponti ad arco, l andamento di quest ultimo è stato riportato con un numero finito di punti. Relativamente alle celle, è opportuno evidenziare che queste sono state delimitate sulla base dei rilevati autostradali, stradali, ferroviari e arginali presenti, mentre le curve di invaso sono state ricostruite utilizzando le quote dei rilievi LIDAR relative al volo dell anno VIA ROMA 26 PRATO 15

17 Una volta ricostruito il modello geometrico, il primo passo dell analisi consiste nel definire le condizioni al contorno da utilizzare per svolgere i calcoli. Svolgendo simulazioni con schema di moto vario è stato necessario utilizzare quali condizioni al contorno: gli idrogrammi di piena in ingresso alle sezioni iniziali e/o ai tratti dei corsi d acqua studiati; la pendenza del tratto a valle della sezione di chiusura di studio del torrente Stella. È stato deciso di utilizzare la pendenza quale condizione di valle per entrambi gli scenari studiati (tempi di ritorno 30 e 200 anni), non avendo a disposizione sezioni di controllo dove sia nota l altezza idrometrica. Per assegnare il valore del coefficiente di scabrezza si è fatto riferimento a: osservazione diretta delle condizioni del corso d acqua; valori assegnati nel modello del torrente Stella redatto dall Autorità di Bacino del Fiume Arno per il tratto in corrispondenza dell Autostrada A11. In base a questi due elementi, per i tratti che presentano sezioni con sponde/argini in terra si è adottato un valore di scabrezza secondo Manning pari a m -1/3 s, mentre in corrispondenza sia dei tratti tombati presenti che del tratto compreso fra il ponte ferroviario e quello di Via Animalunga si scelto un valore pari a 0.02 m -1/3 s. Per le portate di input del modello di calcolo relativamente ai due scenari, sono stati utilizzati gli idrogrammi ricostruiti così come indicato nei precedenti capitoli. 6.3 RISULTATI DELLO STUDIO IDRAULICO Nelle tabelle di cui agli Allegati 5 e 6 sono riassunti rispettivamente i livelli idrometrici in corrispondenza di ognuna delle sezioni che compongono il modello e quelli all interno di ciascuna cella, suddivisi per i due scenari studiati. Al fine di valutare la coerenza dei risultati ottenuti in questo studio con quello redatto dall Autorità di Bacino del Fiume Arno per la redazione prima del P.A.I. e poi del P.G.R.A., è stato eseguito un confronto tra l andamento della curva portate-livelli in corrispondenza della sezione n.93 posta immediatamente a valle dell Autostrada A11. Di seguito si riporta il grafico di confronto tra suddette curve. VIA ROMA 26 PRATO 16

18 FIGURA 5 CONFRONTO DELLE CURVE PORTATE-LIVELLI 6.4 PERIMETRAZIONI DELLE AREE INONDABILI Le perimetrazioni delle aree a pericolosità idraulica per i due tempi di ritorno studiati sono state ricostruite sulla base dei risultati ottenuti dal modello. La base topografica utilizzata per la stesura delle perimetrazione è il DTM che risulta dal rilevo LIDAR, mentre quella usata per la restituzione grafica è la carta CTR in scala 1:2000, aggiornata come precedentemente indicato. Le aree perimetrate indicate sulla carta (vedi Tavola 01) comprendono quindi sia le aree di accumulo, sia le zone interessate da battenti di transito a seguito del passaggio delle acque tracimate dagli argini/sponde del corso d acqua studiato. La definizione dei perimetri delle aree di accumulo è stata effettuata basandosi sui livelli idrometrici che risultano dall analisi idraulica (vedi Allegato 6). Sulla base dei risultati del modello e della carta delle pericolosità, è stata inoltre elaborata, con riferimento a un tempo di ritorno pari a 200 anni, una carta con indicazione dei massimi livelli idrometrici raggiunti nelle aree di transito e dei battenti solo per le zone di accumulo (vedi Tavola 02). 7 ANALISI DEI RISULTATI DELLE SIMULAZIONI Sulla base dei risultati dello studio è emerso che il torrente Stella presenta estesi tratti con sezioni insufficienti al passaggio delle portate di piena anche per eventi con tempo di ritorno pari a 30 anni (vedi carta delle aree allagabili di Tavola 01). In particolare le zone già urbanizzate interessate da allagamenti per effetto di tracimazioni spondali sono: VIA ROMA 26 PRATO 17

19 aree poste in destra e sinistra idraulica in corrispondenza della zona industriale Mauro Maltinti, compresa fra i primi due ponti autostradali; centro abitato di Stazione Masotti a partire dall uscita del torrente Stella dal tratto tombato sotto i fabbricati ex Chianti Giannini e sotto la linea ferroviaria Firenze-Lucca, fino al ponte di via Animalunga. VIA ROMA 26 PRATO 18

20 TORRENTE NIEVOLE 8 VALUTAZIONI IDROLOGICHE AGGIORNATE CON LSPP 2012 Poichè la perimetrazione delle aree inondabili effettuata nell ambito dello studio del torrente Nievole redatto dallo scrivente nell Ottobre 2011 era stata effettuata basandosi sulle curve di possibilità climatica disponibili al momento (quelle presenti nel database del software AL.TO.), è stato richiesto dall Ufficio del Genio Civile di Pistoia di analizzare gli stessi scenari studiati precedentemente servendosi dei nuovi parametri delle LSPP dell anno 2012 messi a disposizioni dal Servizio Idrologico Regionale della Regione Toscana ed effettuate un confronto con quelli precedenti. In particolare sono stati quindi ricavati, relativamente ai sette sottobacini analizzati nel precedente studio, gli idrogrammi di piena per i tempi di ritorno di 30 e 200 anni, con riferimento a eventi di durata 3h, 6h e 12h. Nelle immagini successive si riportano i confronti fra i vecchi e i nuovi idrogrammi di piena per ciascuno degli scenari di cui sopra. Si fa notare che tali confronti sono stati effettuati in corrispondenza delle sezioni iniziale e finale del tratto di torrente Nievole oggetto di studio. VIA ROMA 26 PRATO 19

21 FIGURA 6 CONFRONTO DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA DEL TORRENTE NIEVOLE ALLA SEZIONE INIZALE PER TR 30 ANNI FIGURA 7 CONFRONTO DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA DEL TORRENTE NIEVOLE ALLA SEZIONE FINALE PER TR 30 ANNI VIA ROMA 26 PRATO 20

22 FIGURA 8 CONFRONTO DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA DEL TORRENTE NIEVOLE ALLA SEZIONE INIZIALE PER TR 200 ANNI FIGURA 9 CONFRONTO DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA DEL TORRENTE NIEVOLE ALLA SEZIONE FINALE PER TR 200 ANNI Nella tabella sottostante si riportano i valori delle portate al colmo in corrispondenza delle sezioni iniziale e finale del tratto di studio per ciascuno degli scenari analizzati e l incidenza percentuale su detti valori dovuta all utilizzo dei nuovi parametri delle LSPP. VIA ROMA 26 PRATO 21

23 Sezione iniziale Sezione finale Studio 2011 Qmax (mc/s) Studio 2016 Qmax (mc/s) Incidenza % Studio 2011 Qmax (mc/s) Studio 2016 Qmax (mc/s) Incidenza % Tr30-3h Tr30-6h Tr30-12h Tr200-3h Tr200-6h Tr200-12h CONCLUSIONI Il presente studio idrologico-idraulico è stato redatto a supporto della Variante al Regolamento Urbanistico del Comune di Serravalle Pistoiese ed è articolato in due parti: studio idrologico-idraulico del torrente Stella nel tratto che scorre in località Masotti; valutazioni idrologiche aggiornate con curve di possibilità pluviometrica regionalizzate aggiornate all anno 2012 per il bacino del torrente Nievole con riferimento a due sezioni di chiusura all interno del territorio del comune di Serravalle P.se. Per quanto concerne il torrente Stella, questo è stato analizzato sia dal punto di vista idrologico che idraulico. E stato costruito un modello idraulico di calcolo all interno del quale sono stati inseriti tutti i dati idrologici, idraulici, geometrici e topografici disponibili sia per il corso d acqua che per la parte di territorio comunale di fondovalle potenzialmente soggetta ad allagamenti per tracimazioni del torrente stesso; in base ai risultati ottenuti utilizzando il modello, sono state eseguite le perimetrazioni delle aree potenzialmente inondabili per eventi con tempo di ritorno pari a 30 e 200 anni in ottemperanza alle disposizioni normative regionali (vedi D.P.G.R. 53/R del 25/10/2011) e con metodologia conforme all Allegato 3 delle norme del P.G.R.A. dell Autorità di Bacino del Fiume Arno. Per la porzione di territorio che ricade all interno del limite comunale di Serravalle P.se, sono state redatte una carta delle aree allagabili per eventi con tempo di ritorno pari a 30 e 200 anni (vedi Tavola 01) ed una carte dei livelli idrometrici e dei battenti idraulici sul territorio per eventi con tempo di ritorno pari a 200 anni (vedi Tavola 02), in quanto evento di riferimento per il dimensionamento delle opere di mitigazione del rischio idraulico ed eventuali interventi di messa in sicurezza dei corsi d acqua classificati. In considerazione del fatto che lo studio in oggetto è stato eseguito con il livello di dettaglio pertinente a quello della pianificazione territoriale, riteniamo opportuno precisare che in fase di progettazione di piani attuativi e/o di interventi diretti che ricadano all interno delle aree allagate per tempo di ritorno pari a 200 anni, è opportuno effettuare i necessari approfondimenti topografici relativi al lotto di interesse e alle aree limitrofe al fine di stimare correttamente i battenti idraulici di riferimento. Per quanto riguarda invece il torrente Nievole, in accordo con quanto espressamente richiesto dall Ufficio del Genio Civile di Pistoia, è stata eseguita solo l analisi idrologica con riferimento ai VIA ROMA 26 PRATO 22

24 recenti nuovi dati pluviometrici (vedi LSPP della Regione Toscana dell anno 2012) al fine di valutare le differenze di portate/volumi in deflusso rispetto a quelle stimati nel precedente studio idrologico-idraulico redatto dallo scrivente nell Ottobre 2011 a supporto della Variante al Regolamento Urbanistico e successivamente approvato dal Genio Civile stesso. Prato, 29/01/2016 DOTT. ING. CRISTIANO CAPPELLI VIA ROMA 26 PRATO 23