SEMINARIO. La valutazione della pericolosità idraulica: modellazione 1D -2D

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1 SEMINARIO La valutazione della pericolosità idraulica: modellazione 1D -2D Un caso studio di perimetrazione delle aree inondate con il modello idraulico 2D WEC-Flood Ing. Marco Sinagra Università degli Studi di Palermo Palermo, 24 marzo 2017

2 Introduzione WEC-Flood è un software sviluppato per la simulazione della propagazione di piene naturali su aree a topografia complessa Le ipotesi del modello idraulico sono: 1) Schema Bidimensionale 2) Moto Vario 3) Modello Diffusivo WEC-Flood è un software sviluppato per dialogare con tutti i software GIS Open Source e/o Commerciali, interfacciandosi con essi mediante gli ShapeFile del progetto L utilizzo di un software GIS e di WEC-Flood consente di lavorare con dati georiferiti sia nella fase di pre-processing sia nella fase di postprocessing, oltre ad un rapido utilizzo del modello idraulico con ridotti tempi di formazione

3 Le equazioni del modello (1) H uh vh + + = t x y p Equazione di continuità (2) nu u + v xh+ = 0 Equazione del moto lungo x in forma diffusiva 4/3 h (3) nv u + v yh+ = 0 Equazione del moto lungo y in forma diffusiva 4/3 h Sostituendo la (2) e la (3) nella (1): (4) 5/3 5/3 H h H h H = t x n H x y n H y p Equazione risolvente del campo di moto da integrare nel tempo e nello spazio

4 La discretizzazione spaziale del dominio di calcolo WEC-flood integra numericamente l eq. (4), adottando il metodo del passo frazionato (predizione-correzione) su una discretizzazione spaziale ottenuta con una griglia non strutturata ad elementi triangolari L utilizzo di una griglia non strutturata ad elementi triangolari, rispetto ad altre discretizzazioni(griglie strutturate, quadrilatere) permette di: 1. Seguire le irregolarità del dominio di calcolo (contorno esterno e contorni interni) 2. Variare la densità della griglia localmente, per una migliore ricostruzione del modello digitale del terreno

5 La discretizzazione spaziale del dominio di calcolo La forma degli elementi che discretizzano il dominio di integrazione è molto importante per la bontà della soluzione. La convergenza della soluzione numerica alla soluzione esatta è tanto migliore quanto più è regolare ogni elemento triangolare della griglia è regolare Esempio di triangolazione regolare (sinistra) ed irregolare (destra) Una triangolazione regolare può essere ottenuta imponendo la condizione di Delaunay, ossia che il cerchio passante per i tre vertici di ciascun triangolo non contiene ulteriori vertici della triangolazione

6 La discretizzazione spaziale del dominio di calcolo Il dominio di calcolo è la porzione di territorio che verrà discretizzata mediante una mesh non strutturata ad elementi triangolari. La sua delimitazione avviene all interno del software GIS, avvalendosi della cartografia di sfondo (raster, numerica, ortofotocarta) Per far sì che i vertici dei triangoli ricadano lungo le discontinuitàinterne al dominio (fondo alveo, base o sommità di rilevati, ecc.) queste devono essere ricostruite mediante contorni interni aperti ESEMPIO CONTORNO APERTO Meshcon fondo alveo ricostruito con contorno aperto Meshcon fondo alveo non ricostruito con contorno aperto

7 Il caso studio: Lotto edificato limitrofo il fiume Alcantara Software Open Source utilizzato per il caso studio Superficie area oggetto dello studio m 2 Superficie del dominio m 2 A18 Ferrovia Messina-Siracusa SS114

8 Il caso studio: discontinuità interne Rilevato ferroviario Fondo alveo Muri d argine Muri di confine Pile di ponti

9 Il caso studio: generazione della mesh di calcolo

10 Il caso studio: generazione della mesh di calcolo

11 Il caso studio: generazione della mesh di calcolo Nodi della mesh: Elementi della mesh:

12 Il caso studio: generazione della mesh di calcolo

13 Il caso studio: ricostruzione del modello digitale del terreno Determinazione delle quote Z nei nodi della griglia di calcolo Informazioni utilizzate Curve di livello Linee quotate 3D Punti quotati

14 Il caso studio: ricostruzione del modello digitale del terreno Compilazione automatica del campo Z nello ShapeFile dei nodi della griglia di calcolo

15 Il caso studio: assegnazione della scabrezza al fondo Il coefficiente di scabrezza di Manning è assegnato come attributo agli elementi della mesh Possibile zonizzazione coefficiente di Manning pari a s/m 1/3

16 Il caso studio: assegnazione delle condizioni al contorno Le condizioni al contorno sono assegnate agli attributi dei nodi della mesh mediante una specifica codifica numerica, a cui corrisponderà una serie temporale di dati: Andamento delle portate assegnate a monte: codice attributo = Condizione di diffusione nulla a valle: codice attributo = 3 Il modello WEC-flood consente di assegnare l intero idrogramma al nodo della sezione di monte con quota topografica minore I flussi saranno ripartiti rapidamente tra i nodi limitrofi a distanza di soli pochi elementi triangolari

17 Il caso studio: assegnazione delle condizioni al contorno WEC-flood riconosce i nodi a cui è stato assegnato un codice attributo corrispondente alla condizione al contorno, e consente di inserire la serie temporale dei dati. Nel caso studio, sono stati assegnati nella sezione di monte, per tre differenti simulazioni, i tre idrogrammi di piena corrispondenti ai tre tempi di ritorno di 50, 100 e 300 anni previsti dalla normativa siciliana. Elenco dei codici al contorno assegnati come attributo e riconosciuti automaticamente da WEC-flood Serie temporale delle portate assegnate T=50 anni Durata: 16 ore Portata al colmo: 1848 m 3 /s

18 Il caso studio: assegnazioni delle condizioni iniziali Come condizione iniziale, nel caso studio, è stato assunto il tirante nullo su tutto il dominio di calcolo Altezza idrica iniziale nulla per tutto il dominio Possibilità di utilizzare una differente altezza idrica iniziale per ciascun nodo

19 Il caso studio: definizione dei parametri di calcolo Durata del periodo di simulazione Passo temporale di calcolo minimo Passo temporale di calcolo massimo Intervallo temporali di output Opzioni di output

20 Il caso studio: avvio della simulazione idraulica Avvio della simulazione idraulica Console della simulazione in corso

21 Il caso studio: dettagli sui tempi di calcolo Superficiedeldominio dicalcolo: m 2 Densitàdellagrigliadicalcolo:da 1ma3m Nodi della mesh: Elementi della mesh: Durata dell idrogramma da simulare: 16 ore Passotemporaleadottato:da 15 secondia30secondi Simulazione effettuata su singolo PC con processore 3.4 GHz Tempo di calcolo della singola simulazione (singolo processo): 2,5 ore Tre idrogrammi simulati, corrispondenti a tre tempi di ritorno per due scenari (ante e post operam) Tempo di calcolo delle 6 simulazioni (3 tempi di ritorno con 2 scenari) 2,5 ore (6 processi paralleli)

22 Il caso studio: output della simulazione idraulica 1) Distribuzione spaziale delle massime altezze idriche nei nodi e negli elementi della mesh di calcolo 2) Distribuzione delle massime velocità della corrente negli elementi della griglia di calcolo. 3) Distribuzione spaziale delle altezze idriche nei nodi e negli elementi della mesh di calcolo, in prefissati istanti temporali(frame) 4) Andamento temporale delle altezze idriche nei punti individuati dall utente 5) Andamento temporale delle portate al contorno ed in sezioni definite dall utente

23 Il caso studio: output della simulazione idraulica Risultati distribuiti nel tempo, con possibilità di esportazione in formato testuale per eventuale elaborazione con software a fogli di calcolo (Excel, OpenOffice) Importa i risultati negli ShapeFile Elementi e Nodi del GIS

24 Il caso studio: rappresentazione delle aree allagate I risultati della simulazione, in termini di altezze idriche e di velocità, sono automaticamente caricati nella tabella attributi dei rispettivi layer

25 Il caso studio: mappa delle aree allagate

26 Il caso studio: determinazione della pericolosità idraulica

27 Il caso studio: mappa della pericolosità idraulica

28 SEMINARIO La valutazione della pericolosità idraulica: modellazione 1D -2D Un caso studio di perimetrazione delle aree inondate con il modello idraulico 2D WEC-Flood Grazie per l attenzione Ing. Marco Sinagra Università degli Studi di Palermo Palermo, 24 marzo 2017

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