BACINO IDROGRAFICO DEL FIUME CAPODIFIUME RELAZIONE IDRAULICA

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1 AUTORITÀ DI BACINO REGIONALE SINISTRA SELE Via A. Sabatini, Salerno Tel. 089/ Fax 089/ BACINO IDROGRAFICO DEL FIUME CAPODIFIUME RELAZIONE IDRAULICA PIANO STRALCIO PER L ASSETTO IDROGEOLOGICO - AGGIORNAMENTO (2012) RISCHIO IDRAULICO Segreteria Tecnica Operativa AREA TECNICA AREA AMMINISTRATIVA - Ing. Manlio Mugnani - Dott. Vincenzo Liguori - Ing. Elisabetta Romano - Dott. comm. Angelo Padovano - Ing. Massimo Verrone - Arch. Vincenzo Andreola - Arch. Carlo Banco - Arch. Antonio Tedesco - Geol. Saverio Maietta - Geom. Giuseppe Taddeo Il Responsabile del Procedimento - Ing. Raffaele Doto Data: Marzo 2012 Consulente Specialistico - Ing. Raffaella Napoli Supporto Specialistico - Ing. Claudia Musella - Ing. Claudia Palma Consulente Scientifico - Prof. ing. Domenico Pianese - Prof. geol. Domenico Guida Il Commissario Straordinario Avv. Luigi Stefano Sorvino

2 Indice 1. PREMESSA Inquadramento territoriale I limiti dell Autorità di Bacino Il Bacino del fiume Capodifiume Problematiche idrauliche del bacino del fiume Capodifiume Attività svolte nel presente studio DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA DELL ALVEO Generalità Criteri generali per l identificazione e la localizzazione delle sezioni trasversali Risultanze della campagna di rilievi cartografici e topografici STUDIO IDRAULICO Schema idraulico di riferimento Portate di piena Modelli di calcolo utilizzati Generalità Studio idraulico in moto vario monodimensionale Valori del coefficiente di scabrezza Condizioni al contorno...14 I

3 Indice Studio idraulico in moto vario bidimensionale Dati topografici di base Coefficienti di scabrezza Dati idrologici di input Delimitazione delle aree inondabili Risultati dello studio idraulico DEFINIZIONE DELLA PERICOLOSITÀ La regione fluviale Le fasce di pertinenza fluviale Le fasce di pertinenza fluviale del fiume Capodifiume CONCLUSIONI APPENDICE 1 MODELLO IDRAULICO DI MOTO VARIO Premessa Equazioni di base e schema risolutivo Procedura di calcolo Caratterizzazione idraulica delle sezioni di calcolo Cambiamenti del regime della corrente Valutazione degli effetti delle pile dei ponti...33 II

4 Indice 6.7 Condizioni al contorno Condizioni al contorno esterne Condizioni al contorno interne Condizioni iniziali Valutazione delle portate eventualmente sfiorate lungo il percorso Modalità di individuazione di eventuali risalti idraulici APPENDICE - MODELLO IDRAULICO DI MOTO BIDIMENSIONALE Descrizione del codice di calcolo Dati ingresso Dati topografici Comportamento reologico del miscuglio Routine di calcolo...45 III

5 1. PREMESSA 1.1 Inquadramento territoriale I limiti dell Autorità di Bacino Il territorio di pertinenza dell Autorità di Bacino Sinistra Sele Regione Campania è delimitato: della a Nord - Ovest dalla sponda destra del fiume Capodifiume nel comune di Capaccio. A Nord Nord Est, confina con l'autorità di bacino interregionale del Sele, seguendo una linea ideale che unisce gli spartiacque morfologici costituiti dai rilievi montuosi del Monte Soprano (1083 m s.l.m.m.), del Monte Chianello (1314 m s.l.m.m.), del Monte Falascoso (1494 m s.l.m.m.) del Monte Cervati (1899 m s.l.m.m.), Monte Forcella (1192 m s.l.m.m.), Monte Juncaro (1221 m s.l.m.m.). sul lato sud confina con l'appennino Lucano, che rappresenta la linea di demarcazione tra le provincie di Salerno e Potenza. il lato Ovest è rappresentato dalla fascia costiera compresa tra il tratto sud del golfo di Salerno, comprendente il litorale Paestum-Capaccio e quello di Policastro, fino al tratto sud del litorale di Sapri, al confine con la regione Basilicata. I punti estremi sono rappresentati da "Punta degli Infreschi", "Capo Palinuro" e "Punta Licosa". Sotto il profilo amministrativo, L autorità di Bacino comprende: sessantaquattro comuni della provincia di Salerno; Studio idraulico 1

6 cinque Comunità Montane (Calore salernitano, Alento - Monte Stella, Gelbison - Cervati, Lambro e Capodifiume, Bussento); due Consorzi di Bonifica (Sinistra Sele e Velia) Il Bacino del fiume Capodifiume Il fiume Capodifiume nasce alle pendici del Monte Soprano dalle Sorgenti di Capodifiume che si caratterizzano per il regime permanente delle portate sorgive. Il corso del fiume si svolge per l intera lunghezza nella Piana di Paestum costeggiando per il primo tratto, fino al complesso archeologico di Paestum, aree prevalentemente agricole e nel tratto successivo aree più densamente urbanizzate (località Licinella di Paestum). Considerata la peculiarità del corso d acqua e l ambito morfologico in cui scorre, nel passato il fiume Capodifiume veniva utilizzato anche come canale di Bonifica. Nel recente passato, tale funzione è stata abbandonata in quanto il Consorzio di Bonifica Destra Sele ha riversato in altri canali limitrofi le acque drenate dalla piana circostante. Nell ambito fisico ed amministrativo sopra descritto, il bacino del fiume Capodifiume, con i suoi 9 km 2 circa, e viste le caratteristiche di grande rilevanza socio-economica e culturale delle aree limitrofe al corso d acqua nel tratto centrale e di foce, rappresenta sicuramente una delle priorità dal punto di vista del rischio idraulico Problematiche idrauliche del bacino del fiume Capodifiume Allo stato attuale l Autorità di Bacino è in possesso di una serie di dati di base, in parte raccolti nell ambito della redazione del PAI Rischio Alluvioni, in parte nel corso dello svolgimento delle attività proprie della stessa Autorità. Studio idraulico 2

7 Tali dati sono stati attentamente esaminati al fine di definire lo stato conoscitivo circa la pericolosità idraulica esistente nel bacino del fiume Capodifiume. In particolare, sono stati esaminati: 1. i dati relativi agli allagamenti verificatisi nel passato ed ai conseguenti danni subiti nelle aree limitrofe al corso d acqua; 2. le informazioni riguardanti le attuali destinazioni di uso del territorio, soprattutto nelle aree soggette a periodici allagamenti; 3. lo studio idrologico redatto nell ambito del PAI e finalizzato alla definizione delle portate di piena lungo il corso d acqua; 4. i dati cartografici e topografici utilizzati nel PAI per la definizione delle aree a differenti livelli di pericolosità e di rischio idraulico; 5. le carte delle fasce fluviali e del rischio idraulico redatte nell ambito del PAI. L esame di quanto descritto ha evidenziato, come peraltro già fatto nell ambito del PAI, le aree a maggiore pericolosità idraulica lungo il corso d acqua. In particolare, così come dimostrato anche dai recenti eventi alluvionali (dicembre 2008 e gennaio 2009) le maggiori criticità idrauliche sono rappresentate dalle modifiche antropiche delle sezioni di deflusso naturali del corso d acqua (attraversamenti, opere di derivazione in disuso,..). 1.2 Attività svolte nel presente studio Nella presente relazione saranno affrontate le problematiche inerenti l aggiornamento della carta della pericolosità idraulica relativamente al fiume Capodifiume, ed in particolare per la piana alluvionale. Studio idraulico 3

8 Nei paragrafi che seguono sono descritte in dettaglio le attività sviluppate, ed in particolare: 1. la definizione della geometria d alveo e delle aree ad esso limitrofe; 2. lo studio idraulico sviluppato per le aree di interesse; 3. la delimitazione delle aree inondabili 4. la definizione della pericolosità idraulica e quindi delle fasce di pertinenza fluviale. Nel capitolo finale sono commentati i risultati dello studio idraulico. Tali risultati sono inoltre riportati graficamente nelle tavole - Carta delle aree inondabili; - Carta delle fasce fluviali. Nelle Appendici 1 e 2 sono descritti sinteticamente rispettivamente il modello di moto permanente e moto vario monodimensionale e quello di moto vario bidimensionale utilizzati. Per lo studio idrologico alla base dello studio idraulico qui descritto, si rimanda alla relativa Relazione specialistica. Studio idraulico 4

9 2. DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA DELL ALVEO 2.1 Generalità Come detto in premessa, l area oggetto di studio è costituita dalla piana alluvionale del fiume Capodifiume per l intera estensione dalle sorgenti alla foce. Relativamente a tale ambito territoriale, è stata effettuata una campagna di rilievi cartografici e topografici mirata alla definizione della geometria dell alveo e delle aree ad esso limitrofe. Di seguito si forniscono i criteri adottati per la realizzazione di tale campagna e se ne descrivono sinteticamente i risultati, rimandando per il dettaglio agli elaborati specifici Criteri generali per l identificazione e la localizzazione delle sezioni trasversali. Il numero e la localizzazione delle sezioni trasversali in un corso d acqua per la modellazione del moto della corrente dipende dallo scopo dello studio e dalle caratteristiche dello stesso corso d'acqua. Occorrono, ad esempio, un numero maggiore di sezioni per unità di lunghezza, per descrivere, con un medesimo grado di accuratezza, i profili idrici in piccoli corsi d acqua o corsi d acqua con elevate pendenze che in quelli che presentano una minore variabilità nelle caratteristiche geometriche. D altro canto il numero di sezioni non può essere troppo elevato perché ad esso sono proporzionali gli oneri di calcolo del modello oltre, naturalmente, i costi di rilievo topografico quando le stesse sono rilevate direttamente in situ. Un criterio, proposto nella letteratura tecnico-scientifica, suggerisce un Studio idraulico 5

10 limite superiore alla distanza tra due sezioni consecutive in relazione alla pendenza di fondo. La lunghezza del tratto tra due sezioni consecutive non dovrebbe, ad esempio, essere superiore a 1 km per corsi d acqua molto regolari con pendenze inferiori al 3/1000; non superiore a 500 m per corsi d acqua con pendenze dell ordine del 4-5/1000; m per pendenze maggiori. Nella localizzazione delle sezioni è, inoltre, opportuno anche tener conto della tecnica di risoluzione delle equazioni che governano il moto della corrente. Infatti due sezioni adiacenti definiscono sia un tratto nel fiume sia un passo nella procedura computazionale di integrazione delle equazioni. Quando, ad esempio, si procede all integrazione per differenze finite da valle verso monte, come per le correnti subcritiche, le condizioni idrometriche nella a monte del tratto sono calcolate a partire da quelle note nella di valle. Tale procedura, richiede quindi, per ottenere un accurata valutazione dei caratteri idrometrici della corrente, che le variazioni delle grandezze siano limitate. Per determinare il numero e individuare la posizione delle sezioni trasversali da rilevare, si è fatto riferimento ai seguenti criteri: - che siano perpendicolari al corso d acqua; - che siano posizionate in corrispondenza di punti dove si verificano significative variazioni delle morfologia della valle, della scabrezza o della pendenza; - che ve ne siano almeno una all'inizio e una alla fine nei tratti arginati o con sistemazioni; - che ve ne siano almeno tre in corrispondenza di ponti e strutture idrauliche: una immediatamente a monte, una immediatamente a valle ed un intermedia descrivente la struttura; Studio idraulico 6

11 - che ve ne sia almeno una in tutte quelle sezioni che possano risultare idraulicamente di controllo; - che ve ne siano immediatamente a monte e a valle di confluenze dove risultano variazioni di portata Risultanze della campagna di rilievi cartografici e topografici. Lungo il tratto oggetto di studio è stata realizzata una cartografia alla scala 1:2000 (ottenuta da un volo effettuato ad m s.l.m.m. di quota) ed è stata effettuata una campagna di rilievi topografici a terra finalizzata a rilevare tutte le sezioni idraulicamente significative. La campagna di rilievi è stata organizzata in maniera tale da ottenere il minimo scarto possibile tra informazioni reperite a terra durante le battute topografiche e informazioni derivanti dalla restituzione cartografica. Questa ha comportato continui confronti e scambi di dati tra gli operatori di settore. In particolare, nell ambito della realizzazione della cartografia si è provveduto ad un infittimento della rete di caposaldi IGM presenti in zona. A tali caposaldi sono stati appoggiati i rilievi delle sezioni a terra, effettuate con tecnologia GPS. Gli stessi rilievi sono stati successivamente utilizzati nella restituzione cartografica per ottenere una maggiore precisione della stessa. Il dettaglio sulla geometria delle aree di interesse così ottenuto, ha consentito una migliore utilizzazione degli strumenti di calcolo di ingegneria idraulica ed una conseguente maggiore precisione nella definizione delle aree inondabili e delle fasce fluviali, compatibilmente con la scala di riferimento. Sul fiume Capodifiume sono state rilevate 65 sezioni topografiche di cui 12 sono rappresentate da attraversamenti e opere idrauliche trasversali al corso d acqua. Studio idraulico 7

12 3. STUDIO IDRAULICO 3.1 Schema idraulico di riferimento Ai fini della modellazione idraulica il corso d acqua in esame è stato suddiviso in 10 tronchi idrologicamente omogenei. In ciascun tronco la portata è stata ritenuta costante e, cautelativamente, pari a quella relativa alla terminale dello stesso. 01 Bacino Foce Sezione di chiusura sottobacino 10 Sorgente F. Capodifiume Foce Figura 1: Schema idraulico di riferimento Studio idraulico 8

13 3.2 Portate di piena Per il calcolo delle portate di piena, e come descritto in dettaglio nella relazione idrologica, è stato effettuato un approfondimento allo studio redatto nell ambito del PAI Rischio Alluvioni, utilizzando gli stessi criteri, cioè quelli proposti nel Rapporto VAPI Campania del CNR G.N.D.C.I. In particolare, è sembrato opportuno porre l accento sulla peculiarità dei bacini di interesse, che ha richiesto un approfondimento in termini di valutazione delle caratteristiche di permeabilità. Questo passaggio è stato ritenuto di fondamentale importanza visto l obiettivo che ci si pone di definire in via preliminare le opere di mitigazione del rischio per le aree di interesse. A tal fine, i tecnici dell Autorità di Bacino hanno provveduto, sotto la supervisione ed il controllo del Responsabile Scientifico per gli aspetti geologici e geomorfologici delle attività in oggetto, alla revisione della carta della permeabilità. Tale revisione ha avuto come risultato la redazione di tre differenti carte di base, definite rispetto a tre differenti livelli di permeabilità: minima, media, massima. I calcoli idrologici, sviluppati, come detto innanzi, utilizzando il metodo VAPI, sono stati effettuati in corrispondenza dei valori di permeabilità relativi alle tre ipotesi suddette. Per il prosieguo dello studio si è ritenuto, di concerto con i Responsabili Scientifici, di fare riferimento ai risultati ottenuti utilizzando come dati di base i valori relativi al livello di permeabilità media. Relativamente a tali valori sono state calcolate le portate m(q) (valore medio dei massimi annuali della portata al colmo) e le relative portate di piena per preassegnati periodi di ritorno in corrispondenza di tutte le sezioni idrologiche considerate nel bacino del fiume Capodifiume. Studio idraulico 9

14 In definitiva, facendo riferimento alla schema idraulico riportato nel paragrafo precedente, le portate utilizzate sono quelle riportate nelle tabelle che segue. Codice Q 30 Q 100 Q 300 Portata (m 3 /s) Tabella 1: portate utilizzate nel calcolo idraulico fiume Capodifiume 3.3 Modelli di calcolo utilizzati Generalità La scelta dei modelli di calcolo da utilizzare per la definizione delle condizioni di moto in alveo e la delimitazione delle aree inondabili è scaturita da una serie di considerazioni, alcune di natura strettamente idraulica, altre legate alle condizioni del corso d acqua e delle aree ad esso limitrofe, attentamente valutate nei sopralluoghi effettuati. In particolare, il fiume Capodifiume è caratterizzato da un alveo incassato che in alcuni tratti, fortemente antropizzati, non consente il transito della portata Studio idraulico 10

15 trentennale, e da aree limitrofe con andamento pianeggiante e quote spesso inferiori a quella delle sponde dell alveo. Tali caratteristiche evidenziano la necessità di caratterizzare il fiume attraverso un modello di moto vario monodimensionale, e l espansione della piena nelle aree limitrofe al corso d acqua attraverso un modello di moto vario bidimensionale Studio idraulico in moto vario monodimensionale Tale studio è stato articolato essenzialmente in tre fasi: 1. caratterizzazione della geometria del corso d acqua e della morfologia delle aree limitrofe ad esso; 2. applicazione del modello idraulico per la simulazione del moto della corrente in alveo, per la valutazione delle caratteristiche idrauliche di tale corrente in corrispondenza delle portate stimate dallo studio idrologico (per T=30, 100 e 300 anni) e per definire gli eventuali idrogrammi e volumi di esondazione corrispondenti al transito di tali portate per poter rappresentare il conseguente fenomeno di inondazione nelle aree latistanti il corso d acqua. 3. Applicazione del modello in moto vario bidimensionale per la mappatura delle aree inondabili. In relazione al punto 1 si è ampiamente discusso al capitolo 2. Relativamente al punto 2, è stato utilizzato un modello in cui il moto lungo il corso d acqua è stato schematizzato come vario monodimensionale, con fondo fisso. Tale modello è implementato nel codice di calcolo sviluppato dall United States Army Corps of Enginnering (USACE), Hydrological Engineering Center (HEC) e denominato River Analysis System (RAS). Studio idraulico 11

16 Il codice rappresenta l ultima evoluzione di una lunga serie di codici della famiglia HEC ed è espressamente dedicato al calcolo di profili idrici in alvei naturali in condizioni di moto permanente e, nell ultima versione, di moto vario. La scelta è stata dettata principalmente dall estrema affidabilità del codice stesso, attestata dalle numerosissime applicazioni effettuate in tutto il mondo. Alla scelta di HEC-RAS hanno, tuttavia, contribuito ulteriori considerazioni. Prima fra tutte la larga disponibilità del codice nell ambito dei tecnici operanti nel settore dell ingegneria idraulica, essenzialmente dovuta alla sua natura freeware. Ciò garantisce la riproducibilità, e dunque la verificabilità, delle elaborazioni presentate con evidenti vantaggi in termini non solo di trasparenza, ma anche di confronto e approfondimento circa i risultati conseguiti. L utilizzo di HEC-RAS ha consentito di determinare, per e per le portate di piena con periodo di ritorno T=30, T=100 e T=300 anni, le caratteristiche della corrente: livello idrico, condizioni di moto, diagramma delle velocità, velocità media, ecc. Inoltre, sono stati determinati gli eventuali idrogrammi e volumi di esondazione sempre in riferimento ai periodi di ritorno suddetti. Per un maggiore dettaglio sulle caratteristiche del modello si rimanda all Appendice 1. Per quanto attiene al punto 3, una delle differenze basilari tra la modellistica relativa al deflusso delle portate di piena negli alvei fluviali e quella relativa ai processi di inondazione consiste nella diversa dimensionalità dei due fenomeni, in quanto il fenomeno di inondazione richiede evidentemente una descrizione bidimensionale. E talvolta possibile però un approccio di tipo Studio idraulico 12

17 semplificato, quando il moto della corrente può essere schematizzato come monodimensionale. Tale argomento sarà trattato nei paragrafi che seguono Valori del coefficiente di scabrezza. Uno degli aspetti più delicati nell applicazione di un modello certamente la definizione dei coefficienti di scabrezza da utilizzare. è In questo caso specifico, non avendo a disposizione prelievi da alveo che consentissero di definire tali coefficienti, anche se con formule approssimate, si è fatto riferimento ai valori forniti dalla letteratura scientifica (cfr. tabella 3) tenendo conto del tipo di fondo alveo e sponda che caratterizzano il fiume Capodifiume. Descrizione del tipo di materiale n Coefficiente di Manning (m -1/3 s) K Coefficiente di Strickler (m 1/3 s -1 ) Sabbia fine Sabbia e ghiaia Ghiaia grossolana Ciottoli e ghiaia Argilla (coesiva) Argilla friabile (coesiva) Limo e ciottoli (coesivo) Cotici erbosi Talee - Arbusti Copertura diffusa Viminate - Graticciate Ribalta viva GabionMats 0.30m Studio idraulico 13

18 Descrizione del tipo di materiale n Coefficiente di Manning (m -1/3 s) K Coefficiente di Strickler (m 1/3 s -1 ) Gabbioni 0.50m Gabbioni 1.00m RipRap ( Pietrame sciolto ) Tabella 3: Coefficienti di scabrezza forniti dalla letteratura scientifica al variare del tipo di materiale Dai sopralluoghi in situ è emerso che il fondo del fiume è caratterizzato da limo e ciottoli mentre le sponde sono fondamentalmente ricoperte da vegetazione, a tratti molto rigogliosa, con presenza sia di arbusti che di piante ad alto fusto. Pertanto, tenendo conto dei valori riportati nella tabella 3, i coefficienti di scabrezza di Manning da adottare sono per l alveo compresi tra m -1/3 s, mentre per le sponde 0.04 m -1/3 s. In definitiva sono stati adottati: per l alveo un coefficiente di Manning pari a m -1/3 s corrispondente ad un coefficiente di Strickler pari a 30 m 1/3 s -1 ; per le aree latistanti il torrente un coefficiente di Manning pari 0.05 m -1/3 s corrispondente ad un coefficiente di Strickler pari a 20 m 1/3 s Condizioni al contorno Altro aspetto fondamentale nell applicazione di un modello è rappresentato dalla definizione delle condizioni al contorno. Queste si distinguono in condizioni di tipo esterno e condizioni di tipo interno. Studio idraulico 14

19 Per la condizione al contorno di monte è stato fissato l idrogramma di piena calcolato nella idrologica n. 10. Tale valore è stato incrementato da monte verso valle utilizzando una serie di condizioni al contorno interne che consento di tenere conto del contributo degli interbacini compresi tra una idrologica e la successiva, concentrando il contributo proprio nella idrologica successiva. Per la condizione di valle (sbocco a mare), non si è tenuto conto della possibile interazione con il moto ondoso, assumendo, in assenza di informazioni più precise, un altezza di set-up pari a 0 m s.l.m.m. D altra parte si è visto che una condizione al contorno a valle di 0.3 s.l.m.m. non determina variazioni significative al profilo di corrente nel tratto terminale Studio idraulico in moto vario bidimensionale Quando i volumi di esondazione risultano più che significativi alla comprensione del processo di inondazione e le aree limitrofe al corso d acqua molto pianeggianti, è necessario ricorrere a procedure più sofisticate, che modellano l espansione della piena considerando il processo di inondazione come fenomeno bidimensionale. Come detto ai paragrafi precedenti, tale approccio è stato utilizzato per definire le aree inondabili con periodo di ritorno 30, 100 e 300 anni del tratto di foce del fiume Capodifiume. La scelta di utilizzare un modello di tipo bidimensionale è stata determinata essenzialmente da due fattori: - la morfologia dei luoghi; - la forte antropizzazione della zona. Dall elaborazione svolta in moto permanente ci si è infatti resi conto che la procedura utilizzata, portava, in una zona essenzialmente pianeggiante, ad Studio idraulico 15

20 una sovrastima delle aree inondabili o comunque ad una approssimativa definizione delle stesse. Al fine quindi, di ottenere risultati più precisi ed attendibili alla scala di riferimento si è utilizzato un modello bidimensionale. Nella limitata offerta di codici commerciali presente sul mercato, la scelta è caduta su FLO2D. Si tratta di un modello alle differenze finite, che integra le equazioni del moto vario, mediate sulla verticale, su griglia ortogonale non strutturata. Il modello consente dunque di trattare campi di moto completamente bidimensionali; è inoltre possibile una modellazione di dettaglio di situazioni particolari (per esempio l interazione con rilevati stradali, la presenza di tombini negli stessi ecc.) Dati topografici di base In questo caso i dati topografici di base richiedono una analisi ed una lavorazione più approfondite. In particolare, per modellare nella maniera più corretta possibile (compatibilmente con la scala di riferimento) il corso d acqua e le aree ad esso limitrofe si è proceduto: 1. ad infittire le sezioni trasversali rilevate a terra attraverso una interpolazione delle stesse; 2. ad integrare i dati numerici della cartografia alla scala 1:2.000 con quelli relativi alle sezioni rilevate ed a quelle interpolate; 3. a creare, utilizzando la base di dati così definita, un modello digitale del terreno di maglia 12 m x 12 m. Studio idraulico 16

21 Coefficienti di scabrezza Nella modellazione bidimensionale su menzionata, al fine di ottenere valori più realistici possibile, si è deciso di differenziare i valori della scabrezza in funzione delle caratteristiche del terreno. In particolare i valori di K utilizzati sono i seguenti: - 15 m 1/3 s -1 per le aree limitrofe prevalentemente agricole o scarsamente urbanizzate; - 10 m 1/3 s -1 o 5 m 1/3 s -1 per le aree limitrofe urbanizzate (in funzione della densità di antropizzazione). In realtà in questi casi è molto difficile, e spesso anche arbitrario, stabilire i corretti valori dei coefficienti di scabrezza, soprattutto quando con essi si vuole tenere conto di situazioni antropiche difficilmente modellabili in altro modo. Peraltro, effettuando una analisi di sensibilità dei risultati del modello, si è visto che sia le aree inondabili che le fasce fluviali restano sostanzialmente le stesse al variare di k entro piccoli range significativi. Questa verifica ha dissipato i dubbi, comunque legittimi, circa la scelta dei valori utilizzati Dati idrologici di input Trattandosi di modello bidimensionale in moto vario, è ovvio che la portata fornita come input non può più essere un valore costante, ma deve essere un idrogramma di piena in una determinata. Si è dunque fatto riferimento agli idrogrammi calcolati nelle 10 sezioni di chiusura definite nello schema idraulico riportato al paragrafo 3.1. In allegato si riportano gli idrogrammi di piena considerato per T = 30, 100 e 300 anni. Studio idraulico 17

22 Delimitazione delle aree inondabili Il modello applicato consente di stabilire le caratteristiche del moto della corrente per ogni cella del DTM e per ogni istante di tempo di propagazione della piena. I valori di maggiore interesse, e cioè l inviluppo delle massime altezze raggiunte e delle massime velocità, sono riportati nelle figure in allegato per T = 30, 100 e 300 anni. Tali risultati hanno consentito la delimitazione delle aree inondabili relativamente agli stessi periodi di ritorno. 3.4 Risultati dello studio idraulico I risultati dello studio idraulico, redatto secondo l approccio descritto nei paragrafi precedenti, sono sintetizzati nell Allegato A alla presente relazione In particolare, sono riportati: 1. profilo di corrente in forma grafica (- condizioni di moto vario lungo tutto il tratto in esame, portate con periodo di ritorno di 30, 100 e 300 anni 2. profilo di corrente in forma tabellare (per tutte le sezioni naturali e tutti gli attraversamenti) - condizioni di moto vario lungo tutto il tratto in esame, portate con periodo di ritorno di 30, 100 e 300 anni 3. idrogramma di piena per T = 30, 100 e 300 anni calcolato in corrispondenza del bacino con di chiusura alla foce In particolare, per quanto riguarda i risultati in forma tabellare relativamente allo studio in moto vario vengono fornite, per t = 30, 100 e 300 anni, come detto, tre differenti tabelle: Studio idraulico 18

23 nella prima, relativa alle sezioni naturali ed eventuali opere idrauliche trasversali in alveo (soglie, salti, briglie), sono riportati: N Riferimento planimetrico; N_HEC Riferimento HEC RAS; L distanza progressiva dalla prima di valle; Q T - portata di calcolo; Y b quota minima di fondo; quota sponda destra; quota sponda sinistra; Y w livello idrico assoluto; Y c livello di stato critico; H carico totale; J m perdita di carico unitaria media; V m velocità media nella ; A area bagnata; B larghezza in superficie; Fr numero di Froude della d alveo. nella seconda, relativa agli attraversamenti, sono riportati: N Riferimento planimetrico; N_HEC Riferimento HEC RAS; Q T - portata di calcolo; quota intradosso; Y w livello idrico assoluto; H carico totale;franco rispetto all intradosso. Nella terza, relativa ai tratti d alveo in cui avviene l esondazione, sono riportati: Picco di portata, durata e volume di esondazione. Ovviamente tutte le quote, i livelli idrici ed i carichi idraulici sono misurati rispetto al livello 0.0 m s.l.m.m. I risultati dello studio idraulico sono inoltre riportati nelle corrispondenti Carte delle aree inondabili alla scala 1:2.000 e 1: Studio idraulico 19

24 4. DEFINIZIONE DELLA PERICOLOSITÀ Una volta delimitate le aree inondabili con periodo di ritorno T = 30, 100, 300 anni, è stato possibile definire le zone a diversa pericolosità idraulica secondo le definizioni standardizzate di seguito riportate. 4.1 La regione fluviale La regione fluviale, cioè quella costituita dalle aree interessate dai fenomeni idraulici e influenzata dalle caratteristiche naturalistichepaesaggistiche connesse al corso d acqua, può essere articolata nelle seguenti zone: alveo di piena ordinaria (Demanio Pubblico); alveo di piena standard; aree di espansione naturale della piena; aree ad elementi di interesse naturalistico, paesaggistico, storico, artistico e archeologico. Alveo di piena ordinaria Si intende per alveo di piena ordinaria quella parte della regione fluviale interessata dal deflusso idrico in condizioni di piena ordinaria (corrispondente cioè ad un periodo di ritorno di 2 5 anni). Nel caso di corsi d acqua di pianura, l alveo di piena ordinaria coincide con la savenella; nel caso di alvei alluvionati, esso coincide con il greto attivo, interessato dai canali effimeri in cui defluisce la piena ordinaria. Ai sensi dell art. 822 del Codice Civile, l alveo di piena ordinaria appartiene al Demanio Pubblico. Studio idraulico 20

25 Alveo di piena standard Si definisce alveo di piena standard la parte del fondo valle riservata al libero deflusso di una piena di riferimento (piena standard). Esso non coincide con l alveo di esondazione, cioè con l area che viene sommersa al passaggio di una piena di riferimento, in quanto vengono escluse le aree sommerse che non contribuiscono in modo significativo al deflusso della piena perché la corrente vi assume tiranti idrici modesti e quindi velocità longitudinali trascurabili. Il periodo di ritorno della piena di riferimento deve essere fissato tenendo conto della particolare situazione all esame. L alveo di piena deve essere delimitato sulla base della morfologia del corso d acqua e delle aree inondabili in base ad uno studio idraulico. Nei corsi d acqua incassati di pianura, l alveo di piena sarà formato dalla savenella, o alveo principale, in cui viene generalmente contenuta la piena ordinaria, e dalle fasce di pertinenza nelle piane golenali. Nei corsi d acqua alluvionati pedemontani, l alveo di piena viene assunto come l intero greto attivo, in cui la corrente di piena forma alvei più o meno effimeri che possono spostarsi da una piena all altra anche senza occupare l intera larghezza del greto. La definizione dell alveo di piena rappresenta uno strumento operativo di base per la pianificazione delle aree inondabili. Nell alveo di piena non potrà essere infatti insediata alcuna struttura trasversale che ostacoli il deflusso delle acque, ad eccezione delle opere di difesa idraulica, di utilizzo delle acque, nonché di attraversamento. Aree di espansione naturale della piena Le aree di espansione naturale della piena vengono incluse nelle fasce di pertinenza fluviale nel caso che esse esercitino un significativo effetto di Studio idraulico 21

26 laminazione. Ovviamente l importanza dell effetto di laminazione non può essere valutata per la singola area, ma occorre tenere conto dell insieme complessivo di aree di espansione a monte del tratto fluviale di interesse. Aree ad elementi di interesse naturalistico, paesaggistico, storico, artistico ed archeologico Tali aree comprendono la parte della regione fluviale appartenente alle aree naturali protette (parchi e riserve naturali, nazionali e regionali) in base all art. 2 della legge 349/91 o a leggi regionali, o ad altre aree individuate nei piani paesistici e nei piani di bacino. 4.2 Le fasce di pertinenza fluviale Considerando l importanza delle fasce fluviali per quanto attiene alla ricaduta in termini urbanistici che ne scaturisce, la loro delimitazione è stata effettuata in conformità con quanto verrà detto di seguito, ma facendo attenzione, laddove possibile, a spostare i limiti che le definiscono su limiti fisici (quali strade, scarpate, ecc.) facilmente riconoscibili in sito. Per delimitare le fasce di pertinenza fluviale di un corso d acqua bisogna individuare: l alveo di piena del corso d acqua definito per una piena di riferimento, definita piena standard ; le aree di espansione naturale della piena, che esercitano un significativo effetto di laminazione; le aree protette, di particolare valore naturalistico e ambientale. In quanto segue, si considera come piena standard quella relativa ad un periodo di ritorno di 100 anni, e si individuano tre fasce di pertinenza fluviale. Studio idraulico 22

27 La Fascia A coincide con l alveo di piena, e assicura il libero deflusso della piena standard, di norma assunta a base del dimensionamento delle opere di difesa. Si escludono dall alveo di piena (fascia A) le aree in cui i tiranti idrici siano modesti, in particolare inferiori ad 1 m, garantendo nel contempo il trasporto di almeno l 80% della piena standard. La Fascia B comprende le aree inondabili dalla piena standard, eventualmente contenenti al loro interno sottofasce inondabili con periodo di ritorno T< 100 anni. In particolare possono essere considerate tre sottofasce: la sottofascia B1 è quella compresa tra l alveo di piena e la linea più esterna tra la congiungente i punti in cui il livello d acqua è pari a 30 cm per piene con periodo di ritorno T=30 anni e la congiungente i punti in cui il livello d acqua è pari a 90 cm per piene con periodo di ritorno T=100 anni; la sottofascia B2 è quella compresa fra il limite della Fascia B1 e la congiungente i punti in cui il livello d acqua è pari a 30 cm per piene con periodo di ritorno T=100 anni; la sottofascia B3 è quella compresa fra il limite della Fascia B2 e la congiungente i punti in cui il livello d acqua è pari a 0 cm (limite delle aree inondabili) per piene con periodo di ritorno T=100 anni. In tale fascia dovranno essere prese adeguate misure di salvaguardia per le aree che producono un significativo effetto di laminazione (volume di invaso non trascurabile). La Fascia C è quella compresa tra il limite della sottofascia B3 e il limite delle aree inondabili in riferimento a portate relative a periodo di ritorno di 300 anni oppure alla massima piena storica registrata. Studio idraulico 23

28 4.3 Le fasce di pertinenza fluviale del fiume Capodifiume Lungo il fiume Capodifiume, una volta definite le aree inondabili per T = 30, 100 e 300 anni, è stato possibile definire le fasce A e B e le sottofasce B1, B2 e B3. I risultati sono riportati nelle relative Carte delle fasce fluviali. Considerando che per la definizione delle aree inondabili è stato applicato il modello bidimensionale per l espansione della piena, non ha più senso parlare di fasce come regioni fluviali caratterizzate da una continuità fisica. In tal caso, sono stati definiti cinque diversi livelli di pericolosità idraulica da P4 a P0. Le aree a pericolosità P3, P2, P1, P0 corrispondono perfettamente alle aree definite come fasce B3, B2, B1 e C. L area a pericolosità P4 viene individuata come quella porzione di territorio nella quale i tiranti idrici sono maggiori di 1 m per piena centennale. Per semplicità di comprensione e di interfaccia con le norme, vale comunque l equivalenza formale: Pericolosità P4 = fascia A; Pericolosità P3 = fascia B1 Pericolosità P2 = fascia B2 Pericolosità P1 = fascia B3 Pericolosità P0 = fascia C Per la definizione della pericolosità idraulica si è stabilito, di concerto con il Responsabile Scientifico, che fossero classificate a pericolosità P1 (Fascia B3) le aree: 1. non inondabili (per T = 30, 100, 300 anni) ma intercluse dal perimetro delle aree inondabili relative al periodo di ritorno centennale; 2. inondabili per portate di piena trecentennali e intercluse dal perimetro delle aree inondabili relative al periodo di ritorno centennale. Studio idraulico 24

29 In tal modo si è voluto portare in conto la necessità di limitare l uso di quelle aree che, pur non essendo inondabili, sarebbero materialmente irraggiungibili durante un evento di piena. Inoltre si è stabilito che gli edifici ricadenti in aree a differente pericolosità idraulica, fosse assegnato il livello di pericolosità più elevato. Studio idraulico 25

30 5. CONCLUSIONI I risultati del modello idraulico e le conseguenti perimetrazioni delle aree inondabili e delle aree a differente pericolosità idraulica consentono di effettuare le seguenti considerazioni: 1. Quasi tutti gli attraversamenti esistenti sono insufficienti al transito in sicurezza delle portate di calcolo; 2. le altre sezioni di deflusso sono sempre sufficienti al transito della portata trentennale (Q 30 ) e mediamente sufficienti al transito delle altre portate considerate (Q 100 e Q 300 ); 3. in varie sezioni idrauliche il franco di sicurezza esistente tra il massimo tirante idrico e la sommità della sponda è tuttavia esiguo; 4. l esondazione nei tratti medio e alto del corso d acqua avviene con picchi e volumi modesti; 5. le aree inondabili e le fasce fluviali interessano solo le aree in destra idraulica nei tratti compresi tra le sezioni 39 e 34, 23 e 18 e a ridosso della 9. Solo in quest ultimo caso, inoltre, l esondazione determina una significativa inondazione delle aree limitrofe anche se, a meno di una sola zona, con bassi tiranti. A seguito delle perimetrazioni delle aree inondabili sono stati effettuati alcuni sopralluoghi al fine di verificare i risultati ottenuti. Nel corso di tali sopralluoghi sono state evidenziate le seguenti criticità idrauliche delle quali, per la loro specificità, non è possibile tenere in conto nei modelli idraulici: 1. esistono numerosi attraversamenti e opere idrauliche trasversali che, come riportato al conferma di quanto riportato al punto 1 precedente, determinano ostacolo al deflusso della piena, condizione che viene ulteriormente aggravata, in caso di piena, dalla presenza in alveo e sulle sponde di vegetazione arbustiva in condizioni precarie di equilibrio, di canneti e residui del taglio degli stessi nonché di rifiuti di medie e grosse dimensioni. Tale situazione ha determinato, nei recenti eventi alluvionali Studio idraulico 26

31 del dicembre 2008 e gennaio 2009, l ostruzione di alcuni attraversamenti con conseguente pericolo di esondazione del corso d acqua. 2. Gli edifici esistenti lungo il corso d acqua sono molto prossimi allo stesso e addirittura provocano, in alcuni casi, ulteriore restringimento della di deflusso. Tali ultime considerazioni pongono l accento sulla necessità di: una continua ed efficace manutenzione del corso d acqua volta al mantenimento, o ancor meglio all ampliamento, delle sezioni di deflusso che attualmente consentono con franchi spesso esigui il transito delle portate considerate; ampliare le sezioni insufficienti al transito delle portate considerate, con particolare riferimento a quelle relative agli attraversamenti ed alle opere idrauliche trasversali esistenti, la cui luce può essere significativamente ridotta, in caso di piena, da material e naturale e rifiuti presenti in alveo. È evidente che il mantenimento delle condizioni di criticità sopra evidenziate può determinare l esondazione del corso d acqua per portate inferiori alla trentennale ed inoltre in sezioni che dovrebbero essere sufficienti al transito della piena, con conseguente inondazioni delle aree limitrofe anche in zone che risultano non perimetrate nel presente studio. Ciò per effetto di quelle condizioni (trasporto di materiali e rifiuti) che possono determinare l ostruzione delle sezioni di deflusso soprattutto in corrispondenza degli attraversamenti, delle quali non è possibile tenere conto in quanto fortemente variabili ma allo stesso tempo estremamente pericolose. Studio idraulico 27

32 6. APPENDICE 1 MODELLO IDRAULICO DI MOTO VARIO 6.1 Premessa Il modello matematico utilizzato per la valutazione delle caratteristiche della corrente idrica, quando è possibile l ipotesi di moto permanente o moto vario, è quello implementato nel codice di calcolo HEC-RAS (River Analysis System) sviluppato dall United States Army Corps of Engineering (USACE), Hydrological Engineering Center (HEC). Tale scelta è stata dettata principalmente dall estrema affidabilità di questo codice di calcolo, attestata dalle numerosissime applicazioni effettuate mediante esso in tutto il mondo. Alla scelta di HEC-RAS hanno, tuttavia, contribuito ulteriori considerazioni. Prima fra tutte la larga disponibilità del codice nell ambito dei tecnici operanti nel settore dell ingegneria idraulica, essenzialmente dovuta alla sua natura freeware. Ciò garantisce la riproducibilità, e dunque la verificabilità, delle elaborazioni presentate con evidenti vantaggi in termini non solo di trasparenza, ma anche di confronto e approfondimento circa i risultati conseguiti. Il codice rappresenta l ultima evoluzione di una lunga serie di codici della famiglia HEC ed è espressamente dedicato al calcolo di profili idrici in alvei naturali in condizioni di moto permanente e, nell ultima versione, di moto vario. Il modello descrive il moto monodimensionale (stazionario e non) di una corrente non uniforme, ma tale che, in ogni, la distribuzione delle pressioni possa essere considerata, comunque, di tipo idrostatica. Il modello è, a scelta dell operatore, a fondo fisso o mobile, e può applicarsi senza problemi con pendenze di fondo non troppo elevate (non superiori al 10%). Studio idraulico 28

33 Il calcolo effettuato nelle suddette ipotesi risulta sicuramente cautelativo in quanto nella realtà l onda di piena si manifesta in moto vario con la portata al colmo persistente solo per durate dell ordine di qualche minuto in relazione alla superficie del bacino imbrifero sotteso. E da osservare tuttavia che nonostante le necessarie semplificazioni effettuate il modello utilizzato risulta ancora abbastanza generale e comunque tale da portare in conto seppure mediante coefficienti globali alcune diversità che possono verificarsi nell ambito di ciascuna trasversale di calcolo tra le caratteristiche idrodinamiche della corrente. 6.2 Equazioni di base e schema risolutivo Sotto le predette ipotesi (di moto vario non uniforme), le principali caratteristiche della corrente (livello idrico, larghezze in superficie, velocità media, ecc.) sono calcolate a partire dalle seguente due equazioni: a) equazione di continuità: A S + t t Q + q = 0 1 x (1.) b) equazione del moto Q ( VQ) z + + ga( + t x x S f ) = 0 (2.) in cui: A è l area della parte della idrica che partecipa attivamente al trasferimento dell onda di piena; t è il tempo; Studio idraulico 29

34 Q è la portata defluente; q 1 è la portata laterale per unità di lunghezza; Sf sono gli sforzi tangenziali; V è la velocità della corrente nella ; x è la distanza lungo il canale; S è l area della parte della idrica che non partecipa attivamente al trasferimento dell onda di piena (è la parte della bagnata caratterizzata da velocità di deflusso nulle o pressoché nulle, in cui l acqua viene solo ad accumularsi). Inoltre, in corrispondenza di particolari situazioni localizzate per le quali il moto non può, a rigore, essere considerato gradualmente variato, come avviene in corrispondenza di ponti, tombini, stramazzi, risalti idraulici ecc., vengono utilizzate o l equazione di bilancio della quantità di moto (di applicabilità molto più generale di quella di trasformazione dell energia sopra indicata) o relazioni di tipo empirico. Lo schema numerico adottato dal codice di calcolo per la discretizzazione delle derivate spaziali e temporali è di tipo implicito (Preissmann a quattro punti); esso è stato ampiamente dibattuto in ambito scientifico ed è, a tutt oggi, considerato come uno degli approcci più affidabili. La Slope Friction è valutata, in via approssimata, mediante la formula di Manning, valida, a rigori, solo per condizioni di moto permanente ed uniforme. S f 2 M 2 2 n Q = (3.) 4 / 3 A R dove: Q è la portata che defluisce nelle sezioni; Studio idraulico 30

35 A è l area della bagnata; nm è il parametro di scabrezza di Manning; R è il raggio idraulico, rapporto tra l area A e il perimetro bagnato P. 6.3 Procedura di calcolo Come già detto in precedenza, ai fini della determinazione delle caratteristiche idrauliche della corrente (velocità, tiranti idrici, numeri di Froude, sforzi tangenziali al contorno, ecc.), le soluzioni del sistema di equazioni algebriche cui si addiviene in base alla discretizzazone numerica, attraverso il metodo implicito noto come Preissmann a quattro punti, delle equazioni di continuità e del moto, non lineari nelle incognite Q ed A, viene perseguita mediante una procedura iterativa,del tipo Newton-Raphson. 6.4 Caratterizzazione idraulica delle sezioni di calcolo Nella procedura di calcolo per la determinazione delle caratteristiche idrauliche della corrente è necessario determinare l area della bagnata A, il perimetro bagnato P, il raggio idraulico R e la larghezza B della in corrispondenza di un determinato valore della superficie libera. Per gli alvei naturali la cui geometria non è schematizzabile con sezioni di forma semplice, per le quali le suddette funzioni presentano un espressione analitica, è stata utilizzata la classica procedura di suddividere la mediante strisce verticali, delimitate superiormente dal pelo libero (assunto costante in tutta la ) e inferiormente dal letto dell alveo. Procedendo in tal modo, indicata col pedice i la i esima delle N sottosezioni individuate mediante la suddivisione in strisce verticali, risulta possibile valutare: l area idrica grandezze funzioni dell altezza idrica h. A i, la larghezza in superficie B i e le altre Studio idraulico 31

36 Per il calcolo del perimetro bagnato P i e, conseguentemente, del raggio idraulico elementare R i, per ciascuna sotto, si è tenuto in conto, ovviamente, anche della presenza di eventuali pareti verticali. L area idrica A, la larghezza in superficie B, il perimetro bagnato P e le altre grandezze, sono quindi calcolabili come: N A = A i = i= 1 N B i i= 1 N P i i= 1 B P = 6.5 Cambiamenti del regime della corrente Le transizioni da un tipo di moto all altro possono essere di sei tipi: da lenta a veloce; da veloce a lenta; da lenta a critica; da critica a lenta; da critica a veloce; da veloce a critica. Il codice di calcolo HEC-RAS procede sempre al tracciamento di due profili, uno di corrente lenta calcolato da valle verso monte, ed uno di corrente veloce calcolato da monte verso valle. Nel tracciamento del profilo da valle, in corrispondenza di una transizione veloce - lenta il programma di calcolo non trova soluzione all equazione che A S Q governa il fenomeno (eq. + + q = 1 0 ) nel campo delle correnti lente. t t x In tal caso, esso pone il tirante idrico pari a quello di stato critico in tutte le sezioni successive nelle quali la corrente rimane veloce, per poi ripartire col tracciamento del profilo di corrente lenta dalla successiva transizione lenta - veloce. Analogamente, nel tracciamento del profilo da monte, in corrispondenza di una transizione veloce - lenta il programma di calcolo non trova soluzione Studio idraulico 32

37 A S Q all equazione che governa il fenomeno (eq. + + q = 1 0 ) nel campo t t x delle correnti veloci. Analogamente al caso precedente anche in questo esso pone il tirante idrico pari a quello di stato critico in tutte le sezioni successive nelle quali la corrente rimane lenta, per poi ripartire col tracciamento del profilo di corrente veloce dalla successiva transizione lenta - veloce. Dall analisi dei due profili tracciati e dei relativi profili delle spinte totali, si può determinare l andamento del profilo di corrente. Tale analisi risulta immediata laddove la corrente rimane lenta o veloce, e in corrispondenza delle transizioni lenta - veloce, un po più articolata in corrispondenza delle transizioni veloce - lenta. In particolare le transizioni da corrente lenta a veloce avvengono in maniera naturale attraverso il passaggio per lo stato critico. Le transizioni veloce - lenta avvengono invece attraverso la formazione di un risalto idraulico, il cui posizionamento viene effettuato dall esame dei profili delle spinte di corrente lenta e corrente veloce. In particolare, il risalto idraulico sarà posizionato tra la di monte dove la spinta di corrente veloce è maggiore di quella di corrente lenta e la di valle dove la spinta di corrente lenta è maggiore di quella di corrente veloce. 6.6 Valutazione degli effetti delle pile dei ponti Per la valutazione degli effetti di rigurgito dovuti alla presenza delle pile, e di una qualunque altra struttura in alveo, è possibile far riferimento all approccio basato sul principio delle quantità di moto totali (equazione globale dell equilibrio dinamico). Ciascuna struttura viene modellata attraverso la definizione di 4 sezioni: 1. una sul corso d acqua immediatamente a monte del ponte (m); 2. una seconda sulla struttura nella parte di monte (b m ); 3. una terza sulla struttura nel lato di valle (b v ) Studio idraulico 33