LA CONOSCENZA PER LA PREVENZIONE DEL RISCHIO IDRAULICO: il monitoraggio del Fiume Arno a 50 anni dall alluvione del 1966

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1 LA CONOSCENZA PER LA PREVENZIONE DEL RISCHIO IDRAULICO: il monitoraggio del Fiume Arno a 50 anni dall alluvione del 1966 Enio PARIS, Simona FRANCALANCI, Pina Nicoletta DE CICCO, Luca SOLARI, Vieri GONNELLI Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Università degli Studi di Firenze RIASSUNTO Vengono presentate le attività di monitoraggio, in parte svolte ed in parte in corso, finalizzate ad una più approfondita conoscenza dell idraulica e del trasporto solido del tratto urbano del Fiume Arno a Firenze. Tali attività rientrano nel più ampio progetto scientifico Firenze 2016, che proprio in occasione del 50 anniversario dell alluvione di Firenze e della Toscana intende dare delle risposte concrete soprattutto dal punto di vista conoscitivo per quanto riguarda la difesa della città di Firenze dal rischio idraulico. Nel seguito si presentano alcune delle principali attività svolte: il rilievo tridimensionale del fondo e delle strutture in alveo, il monitoraggio delle portate liquide e solide, il rilievo dei sedimenti sul fondo, l analisi morfologica dell evoluzione del tratto urbano, la modellistica idraulica avanzata e l interazione della vegetazione con le pile dei ponti. I risultati, ancorché preliminari, offrono un livello conoscitivo avanzato del fiume e confermano l importanza delle attività di monitoraggio per la prevenzione di eventi altrimenti imprevedibili. ABSTRACT We illustrate the monitoring activities, completed and in progress, aimed at a better knowledge of the hydraulics and of the sediment transport in the urban reach of the Arno River in Florence. These activities are developed within the scientific project Firenze 2016 which, on occasion of the 50th anniversary of the 1996 flood in Florence and Tuscany, aims to find effective solutions for prevention of damage to people, cultural heritage, economy and environment against future disasters. We present the following main activities: 3D survey of the River bed and of the structures (bridges, walls, and weirs), measurements of liquid and flow discharges and sediment of the riverbed, analysis of the bed evolution, advanced hydraulic modeling and interaction between woody debris and bridge piers. Preliminary results provide an advanced knowledge of the Arno River confirming the importance of the monitoring activities particularly for prevention of unpredictable events. 1. INTRODUZIONE I corsi d acqua naturali costituiscono un sistema complesso che evolve continuamente nel tempo e nello spazio in funzione dei fattori naturali, quali il clima, la tettonica, la geomorfologia del bacino, e delle attività dell uomo sul territorio, come l uso del suolo, le sistemazioni a scala di bacino, le opere idrauliche. Il rischio idraulico è la probabilità che persone e beni subiscano danni a causa della dinamica del corso d acqua che causa le alluvioni, i fenomeni erosivi e i crolli di strutture. La possibilità di riduzione del danno passa prima di tutto dal livello di conoscenza che la collettività possiede per mettere in atto azioni, comportamenti e interventi idonei alla tutela dagli eventi calamitosi. Firenze ha sempre subito le catastrofiche alluvioni dell Arno, come ci testimoniano storici, scienziati, artisti e tecnici che ci hanno tramandato, N

2 spesso con grande cura e ricchezza di dettagli, informazioni preziose per la conoscenza di quanto avvenuto nel passato. A cinquant anni dall alluvione del 1966 nasce il Progetto Firenze 2016 ( con l obiettivo di promuovere progetti, idee e nuove azioni per una efficace prevenzione e una crescita della cultura del rischio. Tra le numerose iniziative intraprese nell ambito del Progetto Firenze 2016, particolare rilevanza riveste il Piano di Monitoraggio del Fiume Arno finalizzato alla realizzazione di rilievi e misure che consentano di accrescere la conoscenza del fiume per una prevenzione del rischio idraulico sempre più adeguata alle necessità della città di Firenze. Appare infatti paradossale constatare che, dopo quasi 50 anni dall alluvione del 1966, la conoscenza delle principali condizioni fisiche di uno dei più importanti fiumi italiani che attraversa il centro storico dichiarato Patrimonio dell Umanità (UNESCO; 1982), non è superiore a quella di tanti altri corsi d acqua che viceversa rivestono un importanza enormemente inferiore in termini di esposizione al rischio di alluvione della popolazione e dei beni storico-ambientali. Il Piano di Monitoraggio consente l acquisizione del livello basilare di conoscenza sul quale sviluppare, valutare e aggiornare gli strumenti di prevenzione riguardanti: l affidabilità delle stime delle portate di piena che possono transitare nel tratto urbano in sicurezza, contenibili cioè all interno delle spallette dei lungarni; la valutazione dell efficacia degli interventi di riduzione del rischio, come per esempio il ribassamento delle platee dei ponti Vecchio e Santa Trinita, o la realizzazione di casse di espansione; la verifica di stabilità dei manufatti in alveo e delle opere storiche, come le fondazioni dei ponti, dei muraglioni di sponda, delle pescaie; il controllo dei fenomeni erosivi e di sovralluvionamento indotti dalla dinamica d alveo; il fenomeno del trasporto solido al fondo e in sospensione. A partire dal 2014 è stato avviato il monitoraggio del Fiume Arno nel tratto cittadino finalizzato a colmare, almeno in parte, le attuali lacune conoscitive. Le attività, finanziate dal Comune di Firenze, Publiacqua S.p.A, Autorità Idrica Toscana, Consorzio di Bonifica 3 Alto e Medio Valdarno, CERAFRI-Università di Firenze, comprendono il rilievo tridimensionale ad alta risoluzione dell alveo e delle strutture presenti, la misura delle portate liquide e solide e la caratterizzazione sedimentologica del materiale d alveo. I primi risultati del monitoraggio ne hanno già evidenziato l importanza: le misure di portata hanno reso disponibili dati di piena del Fiume Arno in Firenze mai misurati in precedenza; il rilievo dell alveo ha evidenziato criticità fino ad oggi sconosciute tra le quali il preoccupante fenomeno erosivo della pila sinistra del ponte Amerigo Vespucci. Questo articolo intende illustrare le attività di monitoraggio già svolte e quelle in corso, i primi risultati ottenuti e le potenziali ricadute per lo sviluppo di efficaci strategie di prevenzione del rischio idraulico nella città di Firenze. 2. IL PIANO DI MONITORAGGIO DEL FIUME ARNO Il Piano di monitoraggio si articola nelle seguenti attività: 1. rilievo tridimensionale dell alveo del fiume Arno che permettere di ottenere una fotografia di dettaglio del fondo permettendo così di individuare le zone in deposito ed in erosione e gli eventuali scavi localizzati alle strutture in alveo; 2. misure di portata liquida e solida fondamentali per validare la scala di deflusso alla stazione idrometrica degli Uffizi, e calibrare le formule per il calcolo del trasporto solido; 3. rilievi sedimentologici del materiale di fondo per individuare la curva granulometrica delle dimensioni dei grani. L insieme di queste attività risulta fondamentale per l implementazione di un qualsiasi modello idraulico del Fiume Arno che risulti fisicamente basato. La conoscenza della topografia tridimensionale del fondo alveo è infatti necessaria per lo sviluppo di modelli idraulici e numerici sia bidimensionali che tridimensionali, che consentano una interpretazione più accurata dei complessi 10 N

3 Figura 1 Planimetria del tratto rilevato, con suddivisione nei 7 tratti da monte (Est) verso valle A = Varlungo; B = foce Greve; C = Ponte a Signa (foce Bisenzio). Figura 2 Operazioni di calata del natante con braccio gru meccanizzato. Figura 3 - Il natante e l attrezzatura impiegata per il rilievo geomatico. Figura 4 Immagini delle fasi di rilievo nel tratto 3; è evidente la presenza considerevole di alghe in destra e sinistra idraulica in tutto il tratto. N

4 fenomeni idraulici che si verificano nel tratto urbano, quali i restringimenti di sezione dovute ai numerosi ponti e alle pescaie oblique. 2.1 Rilievo tridimensionale dell alveo Le metodologie classiche utilizzate per i rilievi topografici dell alveo condotti fino agli anni 2000 permettono di conoscere la geometria trasversale delle sezioni soltanto in corrispondenza delle tracce rilevate: il fondo compreso tra due successive sezioni risulta pertanto incognito. In molte situazioni ciò è accettabile. Ma non per il tratto urbano di Firenze dove: la morfologia del fiume è molto complessa e variabile nel tempo; fenomeni erosivi localizzati tra le sezioni possono non essere conosciuti o non adeguatamente rilevati; le fondazioni dei ponti storici, delle pescaie e dei muraglioni di sponda, che giacciono sempre sotto il livello dell acqua, necessitano di controlli e verifiche accurate. In tale tratto del fiume si concentrano valori storico-ambientali inestimabili che da secoli sono continuamente esposti alle disastrose alluvioni dell Arno. Pertanto nell ambito del Progetto Firenze 2016 è stato deciso di utilizzare le nuove tecnologie di rilievo disponibili per raggiungere un livello conoscitivo idoneo ad accrescere la sicurezza della popolazione e la tutela del patrimonio artistico. Il rilievo dell alveo con tecnica multi-beam e laser scanning permette di ricavare la mappa (modello digitale) tridimensionale del corso d acqua, mettendo a nudo la morfologia della parte sommersa, e rilevando in dettaglio la parte emersa, con i seguenti vantaggi: conoscenza completa della geometria del fiume e delle opere emerse e sommerse; possibilità di monitorare lo stato di degrado del fondo e delle murature; preziosa base di dati per la costruzione di modelli matematici e fisici per la previsione del rischio. La tecnologia Multibeam MBES (Multi Beam Eco Sounding) è molto sofisticata e viene effettuata predisponendo l'ecoscandaglio su un mezzo natante, dal quale è possibile acquisire in maniera continua un numero elevatissimo di punti della topografia del fondo. La navigazione viene assistita attraverso un GPS di precisione; inoltre, per garantire l accuratezza potenziale dello strumento, sono utilizzati dei sensori di moto per la compensazione del rollio e beccheggio nonché una girobussola di elevata precisione per la correzione della direzione. I dati laser scanner sono acquisiti con tecnologia LIDAR (LIgth Detection And Ranging), ovvero lo strumento acquisisce delle nuvole di punti disposti irregolarmente sul terreno o sulla superficie colpita dal raggio laser; di tali punti sono note le coordinate, la quota e l intensità di riflessione, da cui può essere agevolmente elaborato il modello digitale del terreno. Tale tecnica non consente di acquisire attraverso la superficie dell acqua, ma soltanto le zone emerse, pertanto si integra ottimamente con la tecnica precedente che rileva il fondo sommerso. Il tratto rilevato si estende per una lunghezza di circa 18 Km complessiva da Varlungo a Ponte a Signa (fig. 1), suddiviso in 7 zone in base alla accessibilità e navigabilità del fiume, alla presenza delle pescaie e delle platee di alcuni ponti (ad es. il Ponte alle Grazie). Le zone individuate sono le seguenti: ZONA 1 dal Viadotto di Varlungo alla Pescaia di San Niccolò ZONA 2 dalla Pescaia di San Niccolò al Ponte alle Grazie ZONA 3 dal Ponte alle Grazie alla Pescaia di Santa Rosa ZONA 4 dalla Pescaia di Santa Rosa alla Pescaia dell Isolotto ZONA 5 dalla Pescaia dell Isolotto al Viadotto dell Indiano ZONA 6 dal Viadotto dell Indiano alla foce del Fiume Greve ZONA 7 dalla foce della Greve a Ponte a Signa (foce del Bisenzio). Di seguito si riporta l elenco dei sistemi utilizzati per lo svolgimento dei rilievi topo-batimetrici: Sistema per rilievi batimetrici battello pneumatico Nadir G18 l.f.t. 5,30 mt; Sistema Multi-beam R2SONIC 2024: frequenza selezionabile Hz, raggio di azione m; Sistema Laser Scanner LEICA HDS7000, con risoluzione di 0.1 mm e velocità di scansione fino a pt/sec; 12 N

5 Sistema navigazione inerziale Orion INS per la compensazione delle oscillazioni durante la navigazione; GPS Leica 1230; Software di acquisizione dati Qinsy Survey; Nelle figure 2 e 3 si illustrano le operazioni di calata tramite un braccio gru meccanizzato del battello attrezzato per i rilievi mentre nella figura 4 vengono illustrate alcune fasi di rilievo svolte nel tratto 3, rese difficoltose dalla presenza di alghe. Al fine di valutare la precisione del rilievo tridimensionale e l affidabilità dei dati con un sistema di misura indipendente, e per garantire un robusto inquadramento geodetico in ragione della grande mole di informazioni acquisite, al rilievo multibeam e laser scanner è stato associato un rilievo topografico basato su tecniche GNSS (Global Navigation Satellite System), utilizzando come base principale la Stazione Permanente GNSS IGMI, nodo delle reti Europea (EU- REF, EUropean REference Frame) e nazionale (RDN, Rete Dinamica Nazionale) e situata circa a metà del tratto dell Arno oggetto del rilievo; si sono anche impiegate per una opportuna azione di controllo dei risultati - le stazioni PRAT (Unifi), anch essa nodo delle reti EUREF e RDN e 2 stazioni della rete ItalPos (Leica): CALA (Calenzano) e anche EMNS (Empoli) per la porzione più occidentale del rilievo (fig. 5). Le linee misurate dalle stazioni permanenti ai vertici della griglia del rilievo costituiscono un numero di osservazioni sovrabbondante, così da garantire una precisione elevata in più di 50 punti, collocati per lo più sui ponti, e una buona intervisibilità. I punti di inquadramento, rilevati in modalità statica (rapida), sono stati materializzati e accuratamente monografati; si sono scelti sempre punti stazionabili con treppiede o con basetta, disposti su tutti i ponti (tranne Ponte Vecchio per motivi di ostruzione dell orizzonte da parte dei fabbricati) e lungo le sponde, nelle zone più aperte, dove i segnali satellitari erano più disponibili. Naturalmente si è prevista una densità di punti noti maggiore là dove maggiori erano le esigenze di precisione (per lo più nella zona centrale), mentre nelle zone periferiche, caratterizzate da rive boscate o comunque coperte da una vegetazione importante, si sono ubicati punti di controllo più rarefatti. Per quantificare gli eventuali scostamenti dalla corretta posizione dei punti del rilievo tridimensionale, si sono materializzati e rilevati - con un sistema misto satellitare e topografico descritto come sopra - oltre 80 punti di controllo (GCP - Ground Control Point), composti da target in formato A4, plastificati e incollati con resine trasparenti e rimovibili in diverse posizioni lungo l'alveo del fiume (Figura 6), così che potessero essere rilevati e riconosciuti (Figura 7) all'interno delle nuvole di punti. La precisione nella determinazione della posizione dei centri dei target è stata spinta al cm in coordinate Est e Ovest e a pochi mm per le quote. In questo modo si ha la possibilità di verificare le entità degli scostamenti delle nuvole di punti, dai punti di controllo, così da poter poi "ricondizionare" dette nuvole con spostamenti calcolati punto per punto in modo da "rispettare" i vincoli costituiti dalla coincidenza dei centri dei target riconosciuti con i corrispondenti centri rilevati per via topografica (ad es. in figura 8, in rosso sono indicati i valori degli scostamenti rilevati nei vertici, in verde il codice numerico del target, con S le posizioni dei punti rilevati con metodo topografico). Il calcolo delle correzioni, sulle 3 coordinate (ENQ - Est, Nord, Quota) per ciascuno dei punti della nuvola è relativamente semplice: è sufficiente calcolare una "correzione di area" per ciascuno dei triangoli tracciati in figura 8, aventi ciascun vertice coincidente con uno dei GCP. Si scrivono quindi le equazioni di 3 piani (uno per ciascuna coordinata), passanti per i 3 vertici del triangolo considerato e aventi come "zeta" gli scarti (E;N;Q) misurati nei vertici stessi; appartenendo ciascun punto della nuvola ad uno solo dei triangoli, riceverà una correzione proporzionale alla sua posizione all'interno della "cella " di calcolo; ad es. se il punto è adiacente a un vertice, le correzioni in E;N;Q saranno eguali agli scarti misurati in detto vertice, altrimenti si avrà una variazione bilineare calcolata con le equazioni dei piani sopraddetti. Il problema naturalmente è costituito dalla massa dei dati da trattare - ad es. nel solo tratto che va dal Ponte alle Grazie al Ponte Vecchio, le nu- N

6 Figura 5 - Le stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) impiegate nelle determinazioni di posizione dei capisaldi della rete di inquadramento del rilievo. Figura 6 - Target plastificati posizionati sull'arcata di P.te Vecchio e sulla spalletta del P.te alle Grazie. Figura 7 - Riconoscimento del GCP 22 (Circolo Canottieri) - differenze di coordinate trovate: (0.03; 0.11; -0.09m) Figura 8 - Scostamenti in quota della nuvola di punti dai centri dei GCP (in cm) nella zona del L.no Torrigiani (in rosso con segno - i valori degli scostamenti rilevati nei vertici, in verde il codice numerico del target, con S sono indicate le posizioni dei punti rilevati con metodo topografico. Figura 9 Planimetria del tratto 3, da Ponte alle Grazie alla Pescaia Santa Rosa. Figura 10 Vista del rilievo della zona del Ponte alle Grazie (Laser scanner in viola, multibeam in giallo). 14 N

7 vole già "pulite" (private cioè dei punti che non appartengono alle strutture da rilevare) contengono oltre 50 milioni di punti! Quindi il calcolo deve essere effettuato mediante un programma in grado di leggere file di grandi dimensioni, di "riconoscere" a quale triangolo appartiene ciascuno dei punti, calcolare le correzioni di competenza di quel punto e registrare il punto corretto in un altro file. Le attività di compensazione dei dati sono state svolte per tutto il tratto che va dalla Pescaia di San Niccolò al Ponte alla Vittoria. Sulla base dei risultati evidenziati finora, probabilmente, sarà superfluo estendere il calcolo di compensazione alle aree dove il Fiume Arno scorre tra sponde non rivestite da murature, in quanto questa condizione rende la richiesta di precisione meno stringente e - se gli scarti delle coordinate sui GCP rimangono nell'ordine del dm - potrebbe essere presa per buona la nuvola "non compensata". Al fine di illustrare il grado di dettaglio con cui sono stati acquisiti i dati si riportano di seguito alcune immagini relative ai risultati del rilievo nel tratto centrale (planimetria riportata in figura 9). In figura 10 viene illustrato il rilievo effettuato in prossimità del Ponte alle Grazie, in viola le strutture del ponte rilevate tramite laser scanner, e in giallo la batimetria del fondo sommerso. In figura 11 si riporta la vista prospettica di Ponte Vecchio (in blu), visto da valle, e le platee di fondazione; il fondo alveo è illustrato in colore giallo/verde/ rosso. I particolari e i dettagli con cui sono stati acquisiti sia il Ponte che il fondo alveo sono evidenti. In figura 12 sono illustrate alcune ondulazioni del fondo sabbioso rilevate nel tratto tra Ponte alle Grazie e Ponte Vecchio, tali ondulazioni risultano nell ordine di qualche centimetro. In figura 13 e 14 si riportano rispettivamente la vista prospettica e la vista planimetrica del rilievo effettuato nel tratto centrale tra Ponte alle Grazie e Ponte Vecchio. Si possono osservare le aree di erosione e scavo del fondo sommerso con riferimento alla scala cromatica delle quote. In particolare, le quote del fondo minori si osservano immediatamente a valle del Ponte alle Grazie ed a valle della Pescaia di Santa Rosa, le quote maggiori si trovano invece nel tratto compreso tra il Ponte Vecchio e il Ponte Santa Trinita. 2.2 Misure di portata liquida e solida I modelli matematici e fisici sono strumenti fondamentali per la valutazione del rischio idraulico ma necessitano di essere calibrati e validati mediante le misure dirette sul fiume. Per questo motivo le misure di portata liquida e solida assumono una importanza strategica nella valutazione e quantificazione del rischio idraulico perché permettono di mettere a punto i modelli idraulici (Francalanci et al., 2013). Le misure di portata liquida e solida (in sospensione) sono state effettuate nella stazione di monitoraggio ubicata sul Ponte alle Grazie. L obiettivo principale di tali misure è stato la taratura della scala di deflusso relativa all idrometro Firenze Uffizi, utile alla quantificazione della portata liquida che defluisce attraverso Ponte Vecchio, in condizioni di piena alluvionale. Una seconda stazione per la misura delle portate di magra è stata ubicata a valle della traversa dell Isolotto, in località Cascine. Nella figura 15 si riporta l ubicazione planimetrica della stazione di Ponte alle Grazie, mentre in figura 16 è riportata una vista della sezione su Ponte alle Grazie, con l ubicazione delle 9 verticali di misura lungo le quali viene calata la strumentazione per effettuare le misure relative alla fase liquida (misure correntometriche) e alla fase solida (misure di trasporto solido in sospensione). Le misure sono state effettuate utilizzando idonea strumentazione manovrata da ponte e calata in acqua mediante appositi argani situati su carrello. In particolare, la strumentazione utilizzata comprende un mulinello ad asse verticale tipo PRICE AA per la misura della velocità puntuale, un contatore metrico posto sull argano di calata del mulinello per individuare la quota del pelo libero, un campionatore di materiale in sospensione. I campioni raccolti sono stati successivamente analizzati in laboratorio ed elaborati, insieme con le altre misure di campo, per il calcolo delle portate liquide e solide in sospensione. Le misure sono state svolte in tre periodi di monitoraggio. Le prime misure sono state effettuate nel periodo gennaio-febbraio 2014, durante eventi di piena intensi, tutte nella stazione di Ponte alle Grazie. Durante questo periodo si sono verificati due eventi di piena particolarmente significativi e sono state effettuate un N

8 totale di 4 misure: dell evento dell 11 febbraio 2014 si riporta l idrogramma dei livelli di piena registrati dall idrometro di Firenze Uffizi in fig. 17 (con indicazione dell intervallo temporale in cui si è effettuata la misura) e in fig. 18 una vista del Fiume Arno in direzione di Ponte Vecchio durante l evento. Il secondo periodo di monitoraggio, relativo al regime di magra, si è svolto nel periodo luglio ottobre 2015, e le misure sono state effettuate sia da Ponte alle Grazie che nella sezione dell Isolotto. Infine ulteriori 6 misure durante eventi di piena sono state effettuate nei mesi gennaio febbraio Durante le misure di piena sono stati effettuati anche campionamenti della concentrazione di solidi sospesi, che hanno consentito di stimare la portata solida trasportata in sospensione. Nella tabella 1 si riportano i dati sintetici delle misure effettuate. Complessivamente nella sezione di misura di Ponte alle Grazie sono state effettuate 11 misure di portata liquida, sia durante regime di magra che durante eventi di piena significativi. I dati misurati sono riassunti in Tabella 2. Il valore di portata relativo alla misura AU3 è stato rilevato contestualmente anche dai tecnici del Centro Funzionale, utilizzando il Trimarano; tale valore è riportato in tabella con un asterisco per il confronto. Nella Tabella 3 sono invece riportate in sintesi le portate solide misurate, e stimate attraverso l analisi di laboratorio dei dati relativi ai solidi sospesi: viene evidenziato il contributo relativo al trasporto solido in sospensione Q ss bm proveniente dalla sabbia (bm ovvero Bed Material ) e il contributo in sospensione associato alla frazione di limo-argilla Q ss wl (wl ovvero Wash Load ). La percentuale di sabbia presente nei campioni trasportati in sospensione varia da un minimo del 6% relativo ad un basso valore di portata liquida, fino al 45% relativo all evento associato alla massima portata misurata di 1249 m 3 /s. 2.3 Rilievo dei sedimenti dell alveo A completamento delle attività di rilievo descritte precedentemente è stato effettuato anche il rilievo dei sedimenti dell alveo che hanno riguardato sia i corpi sedimentari emersi sia le aree di deposito di materiale fine localizzati nelle zone laterali. Tabella 1 Sintesi delle misure di portata liquida e solida effettuate. 16 N

9 Figura 11 Vista prospettica del Ponte Vecchio e delle platee di fondazione. Figura 12 Ondulazioni del fondo rilevate nel tratto tra Ponte alle Grazie e Ponte Vecchio. Figura 13 Vista Prospettica del rilievo nel tratto tra Ponte alle Grazie e la Pescaia di Santa Rosa. Figura 14 Planimetria del rilievo nel tratto tra Ponte alle Grazie e la Pescaia Santa Rosa. Figura 15 Estratto di Carta Regionale, con ubicazione della stazione di Ponte alle Grazie (in rosso). Figura 16 Stazione di monitoraggio di Ponte alle Grazie, con suddivisione nelle 9 verticali di misura. N

10 Tabella 2 Sintesi delle portate liquide di piena misurate. Tabella 3 Sintesi delle portate solide misurate. Le tecniche di rilievo utilizzate sono state essenzialmente di due tipi: - Campionamento superficiale, adatto per le zone di deposito emerse caratterizzate dalla presenza di materiale più grossolano, in prevalenza ghiaioso. Il prelievo dei sedimenti è stato effettuato attraverso una metodologia Pebble Counts cioè selezionando le particelle a intervalli regolari lungo più transetti posizionati sulla superficie da campionare. Ciascun elemento è stato caratterizzato in termini del diametro massimo trattenuto, attraverso la piastra forata e il comparatore visivo, strumenti normalmente utilizzati per queste tipologie di analisi. - Campionamento volumetrico, adatto per le zone con materiale più fine, con prevalenza di sabbie fini. Il materiale fine è stato trasportato in laboratorio di sedimentologia, asciugato, e poi analizzato tramite vagliatura con setacci graduati. In entrambi i casi i risultati sono stati espressi in termini della curva granulometrica del materiale campionato. La distribuzione granulometrica consente di suddividere le particelle in classi o intervalli, e di valutare la percentuale con cui ciascuna di esse è presente nel campione. È inoltre possibile determinare la percentuale di ghiaia, 18 N

11 sabbia, limi-argilla presenti nel campione, nonché tutti i parametri caratteristici della distribuzione. Il rilievo sedimentologico è stato effettuato in 7 siti individuati all interno del tratto in cui è stato effettuato il rilievo del fondo tridimensionale, in corrispondenza di barre emerse o depositi, sia caratterizzati da sedimenti fini che da sedimenti grossolani. Nella tabella 4 si riportano le località individuate per il campionamento, la data in cui sono stati effettuati e la modalità di rilievo. Nella Figura 19 è riportata la planimetria del tratto cittadino con l ubicazione dei punti di rilievo, mentre invece nella figura 20 si riporta una vista dei siti campionati (1, 2, 3, 5, 6, e 7). Il campionamento 4 merita una descrizione più approfondita in quanto risulta essere quello più significativo della granulometria del tratto urbano. Tale campionamento è stato effettuato nel mese di dicembre 2015, durante lo svolgimento dei lavori di mobilitazione della barra sedimentaria ubicata in destra idraulica immediatamente a valle del Ponte Vespucci: in occasione di tali lavori, è stato possibile effettuare sia prelievi del materiale d alveo nella zona di deposito che un campionamento superficiale dei sedimenti grossolani ubicati sotto il Ponte, che non erano stati raggiunti durante il precedente campionamento (n 3 Lungarno Vespucci) a causa della presenza di un opera di scarico. Complessivamente nel sito 4 sono stati eseguiti tre distinti tipi di prelievo: - Un campionamento volumetrico di materiale indifferenziato sia fine che grossolano prelevato nella zona di deposito sotto il ponte Vespucci (27.9 kg), ad una profondità compresa tra 0.4 m e 1 m dal piano campagna, individuato dal numero 1 nella Figura 21a. - Un campionamento volumetrico di materiale fine (3.79 kg), prelevato nella zona mobilitata dai mezzi meccanici, a valle del deposito, individuato dal numero 2 nella Figura 21a. - Un campionamento superficiale del materiale (213 elementi lungo 5 transetti nell area di misura, di cui una ortogonale al flusso, due trasversali e due paralleli alla corrente), individuato nell area illustrata in Figura 21b. Ai fini della rappresentatività dei dati relativi al sito di Ponte Vespucci è stata effettuata una media dei dati ottenuti dai tre diversi campionamenti. Per ottenere il campione complessivo è stata effettuata la media aritmetica delle frequenze relative appartenenti a ciascun campione. La curva granulometrica e l istogramma di frequenza di tale campione sono riportati in Figura 22: tale campione presenta un andamento bimoda- Tabella 4 Sintesi dei campionamenti effettuati. N

12 Figura 17 Idrogramma dei livelli registrato dall idrometro Firenze Uffizi durante l evento di piena del 11 febbraio 2014 (fornito da CFR Centro Funzionale Regionale). Figura 18 Vista del fiume Arno da monte verso valle durante l evento del 11/02/2014. Figura 19 Le sezioni oggetto del rilievo sedimentologico, con estratto di cartografica regionale. Figura 20 Vista dei siti di campionamento sedimentologici 1, 2, 3, 5, 6 e 7. Figura 21 a) Ubicazione dei punti di prelievo dei due campionamenti volumetrici (sito 4). b) Area in cui è stato effettuato il campionamento superficiale, sotto Ponte Vespucci (sito (4). Figura 22 Curva granulometrica del campione di sedimenti complessivo nel sito Ponte Vespucci. 20 N

13 l equazione interpolante. Infine, è stata effettuata una verifica dei modelli disponibili di previsione del rischio idraulico, effettuando un confronto tra le scale di deflusso fornite dai modelli e i dati di campo rilevati nella campagna di misura descritta in precedenza. I modelli confrontati sono i seguenti: - I dati di portata liquida misurati nella sezione di Ponte alle Grazie, con la relativa scala di deflusso in moto permanente interpolata sulla base dei dati. - La scala di deflusso in moto permanente elaborata dal CFR Centro Funzionale Regionale, nella sezione dell Arno all Idrometro degli Uffizi. - I risultati del modello idraulico unidimensionale in moto vario elaborato dall Autorità di Bacino del Fiume Arno e dal Genio Civile della Regione Toscana (in ambiente software Hec-Ras) ai fini della pianificazione del rischio idraulico, in particolare i risultati relativi ai valori di livelli/portate simulate per gli eventi con tempo di ritorno pari a 30 e 200 anni. I confronti sono illustrati graficamente in figura 26. Si può osservare che la scala di deflusso elaborata dal CFR ben interpreta i dati misurati. I risultati del modello idraulico dell Autorità di Bacino sono sovrapposti per i due tempi di ritorno considerati e evidenziano un cappio di piena decisamente poco pronunciato confermando la validità della ipotesi di trascurabilità degli effetti non stazionari della scala di deflusso. Inoltre nell intervallo dei dati misurati il modello idraulico 1D predice dei livelli in alveo leggermente superiori a parità di portata liquida. Tale sfasamento è limitato, può essere attribuito ai parametri di taratura assegnati nel modello, e risulta in ogni caso a favore di sicurezza. Una considerazione finale di rilievo riguarda l affidabilità della scala di deflusso per valori di portata superiori a quelli misurati. In generale, stante la difficoltà ad acquisire misure durante gli eventi di piena particolarmente intensi, si tenta una possibile curva di estrapolazione dei dati misurati. Un esempio è riportato in figura 26 (linea tratteggiata), che mostra tuttavia come l andamento alle alte portate si discosti anche sensibilmente rispetto alle scale di deflusso desumibili dai modelli idraulici. Ciò evidenzia la necessità di proseguire l acquisizione di misure di camle, un D 50 = 5.42 mm, una frazione di ghiaia pari al 53%, sabbia pari al 45% e 2% di limi/argille. Per sintetizzare i rilievi sedimentologici effettuati si illustrano nel grafico di Figura 23 i diametri caratteristici (D10, D50 e D90) e il diametro medio dei campionamenti effettuati, localizzati sulla base delle distanze progressive lungo l'alveo. Si può osservare come i due campioni prelevati nei siti di Ponte Vespucci e Lungarno Vespucci siano notevolmente vicini tra loro, per questo sono stati individuati nel grafico con la sola denominazione Vespucci. Osservando i diametri caratteristici, si nota come i campioni prelevati a San Niccolò, Lungarno Vespucci e Mugnone siano costituiti essenzialmente da materiale fine, mentre gli altri campioni rilevano la presenza di materiale più grossolano, come già evidenziato dai rilievi in campo. Ai fini dell utilizzo di tali dati per le attività di modellistica idraulica e studio del trasporto solido fluviale, si ritiene che il campione più rappresentativo del tratto urbano dell Arno a Firenze, aggiornato al 2015, sia il campione prelevato nel sito Ponte Vespucci, in quanto ottenuto da prelievo volumetrico di materiale sia fine che grossolano. 3. I PRIMI RISULTATI DEL MONITORAGGIO 3.1 La verifica delle scale di deflusso agli Uffizi Sulla base dei dati di portata liquida e solida misurati sono state elaborate le scale di deflusso nell ipotesi di moto stazionario, ovvero facendo l ipotesi che la portata liquida rimanga costante durante l intervallo temporale in cui viene effettuata la singola misura. Ciò è vero solo in prima approssimazione, in quanto nel caso in cui le misure in campo si protraggano per diverse ore e l idrogramma dei livelli e delle portate sia rapidamente decrescente, questa ipotesi è verificata solo in parte. Le elaborazioni delle scale di deflusso in moto permanente sono state fatte interpolando i dati misurati, e nell ipotesi che ad ogni singolo evento misurato corrisponda un unico valore della portata liquida e solida. I risultati così ottenuti sono riportati in figura 24 per la portata liquida e in figura 25 per la portata solida. I punti indicano le misure effettuate, mentre la curva rappresenta N

14 po, fondamentali per una corretta taratura della modellistica, e contemporaneamente sviluppare modelli idraulici più avanzati, del tipo bi- e tri-dimensionali, al fine di simulare più realisticamente il deflusso attraverso geometrie complesse. 3.2 Tendenze evolutive dell alveo del Fiume Arno A partire dal secolo scorso sono state numerose le campagne di rilevamento delle sezioni trasversali d alveo del fiume Arno e dei suoi principali affluenti. I primi rilievi risalgono al 1935, ad opera del Servizio Idrografico dell allora Ministero dei Lavori Pubblici. Questi primi rilievi iniziati nel 1935 proseguirono fino al 1940 quando poi vennero interrotti a causa del conflitto mondiale. Dopo la fine della guerra, nel 1952 si ripresero le attività dando la precedenza al tratto finale del fiume Arno, quello in cui la maggior parte dei rilevamenti completati erano andati distrutti. Ulteriori aggiornamenti, spesso effettuati sfruttando lo stesso impianto di riferimenti materiali per l individuazione della posizione delle sezioni, sono stati effettuati negli anni 50 e 60. A quegli anni risalgono le pubblicazioni del Servizio Idrografico che riportano planimetria e andamento delle tracce delle sezioni trasversali. La prima vera ed estesa campagna di rilievi sul Fiume Arno è stata condotta negli anni Questa campagna di rilievi ha interessato tutto il corso del fiume Arno, a partire dalla foce (Bocca d Arno) per arrivare fino alla confluenza con il Canale Maestro della Chiana. In particolare, il tratto fiorentino, compreso nel tratto tra Montelupo e Nave a Martelli (Pontassieve), è stato studiato nel biennio Il sistema di rilievi utilizzato per queste osservazioni, e per tutta la campagna di questo periodo, è aerofotogrammetrico e celerimetrico per ottenere, in planimetria, la rappresentazione fedele dell alveo nei suoi particolari, nonché del terreno circostante. Dopo l evento alluvionale del 1966 furono intraprese numerose campagne di rilievi, raggruppabili nel periodo Quell evento di enormi dimensioni, infatti, è considerato come un anno zero per le caratteristiche morfologiche del corso d acqua, dato che la portata transitante nell alveo fu tale da portare modifiche evidenti sulle sezioni e sulla planimetria del corso d acqua stesso. La campagna di rilievi dei primi anni 90 fu effettuata per un tratto del corso d acqua comprendente soltanto le zone del centro e quelle più sensibili. Le variazioni altimetriche del corso d acqua in quel periodo furono rilevanti. Il tratto iniziale fino a Ponte Vecchio si presentava in uno stato erosivo con abbassamento del fondo; il tratto centrale fino a ponte alla Carraia in una situazione complessivamente stabile, il tratto a valle nuovamente in condizioni erosive fino alla traversa delle Cascine con una eccezione in prossimità del ponte alla Vittoria dove era in situazione stazionaria. Tra la fine degli anni 90 e l inizio degli anni 2000 furono intraprese numerose campagne di rilievo soprattutto per aggiornamento conoscitivo del Fiume Arno; questa, insieme a quella post alluvionale, è stata l indagine più estesa, ed è indicata in seguito come rilievi effettuati nell anno 2000, in cui fu rilevato il tratto urbano a Firenze. Infine i rilievi più recenti sono quelli batimetrici e topografici realizzati nell ambito del Progetto Firenze 2016, e a cui nel seguito si fa riferimento come rilievi effettuati nell anno Nell ambito dell analisi della dinamica evolutiva del Fiume Arno nel tratto cittadino prima e dopo l evento del 1966 sono stati effettuati i confronti dei profili longitudinali dei quattro rilievi disponibili: , 1990, 2000 e I risultati di questa analisi morfologica sono illustrati attraverso i plot della quota del thalweg lungo i profili longitudinali nel tratto del Fiume Arno compreso tra la zona dell Anconella (sezione di riferimento numero 614) fino alle Cascine (sezione numero 542 a valle della traversa dell Isolotto). In figura 27 si riporta il profilo di tutto il tratto studiato, mentre in figura 28 si riporta un dettaglio del tratto centrale in prossimità di Ponte Vecchio. Dai confronti emerge che il profilo del 1960 precedente l evento del 1966 ha subito una erosione progressiva e generalizzata lungo tutto il tratto in esame, se confrontato con tutti i rilievi effettuati negli anni successivi; ciò risulta evidente nel tratto dell Anconella, in prossimità della spiaggetta di San Niccolò, nel tratto tra Ponte alle Grazie e Ponte Vecchio, nel tratto a valle della Pescaia Santa Rosa, e nel tratto compreso tra Ponte alle Vittoria e la Pescaia dell Isolotto, dove si raggiungono le variazioni più consistenti del fondo. 22 N

15 Figura 23 Confronto dei diametri caratteristici dei rilievi sedimentologici effettuati. Figura 24 Scala di deflusso della portata liquida dell Arno agli Uffizi, elaborata da dati di campo. Figura 25 Scala di deflusso della portata solida in sospensione dell Arno agli Uffizi, elaborata da dati di campo. Figura 26 Confronto tra le scale di deflusso delle portate liquide agli Uffizi. Figura 27 Profilo longitudinale del thalweg nel tratto del Fiume Arno dall Anconella all Isolotto. Figura 28 Profilo longitudinale del thalweg nel tratto centrale del Fiume Arno a Firenze. N

16 Ovviamente le quote delle platee di fondazione dei ponti o le soglie di coronamento delle pescaie non sono erodibili e sono evidenziate nel profilo come punti fissi di controllo. Confrontando i rilievi degli anni 1990 e 2000 emerge una situazione di sostanziale equilibrio, ovvero si alternano tratti con variazioni del fondo trascurabili, a tratti in leggera erosione come ad esempio il tratto in prossimità dell Anconella, a tratti in cui si osserva una lieve inversione di tendenza a monte della traversa dell Isolotto. Dal confronto dei rilievi degli anni 2000 e 2015 emerge invece una chiara inversione di tendenza, che risulta particolarmente evidente nei tratti della spiaggetta San Niccolò, nel tratto tra Ponte Vespucci e Ponte alla Vittoria, e nel tratto tra Ponte alla Vittoria e la Pescaia dell Isolotto. Al fine di evidenziare meglio le tendenze evolutive nel tratto preso in esame si riportano nelle figure seguenti alcune sezioni trasversali del Fiume Arno, per i vari rilievi presi in esame. In figura 29 viene illustrata la sezione AR 608, situata in prossimità dell Acquedotto dell Anconella, ad una distanza progressiva dalla foce di km. Dal confronto delle sezioni emerge che la quota di massimo scavo è stata rilevata nel rilievo dell anno 1990; successivamente si sono verificate condizioni di deposito che hanno portato l innalzamento della quota del thalweg da m slm del 1990 a m slm del Permangono le condizioni di erosione se si effettuano i confronti con la sezione rilevata nel 1960, si evidenzia comunque una controtendenza al deposito. In figura 30 viene illustrata la sezione AR 592, ubicata in corrispondenza della spiaggetta di San Niccolò, ad una distanza progressiva dalla foce di km. Dal confronto delle sezioni emerge che la quota del thalweg si è mantenuta pressoché invariata dal 1990 al 2000, mentre l area di deposito relativa alla spiaggetta di San Niccolò si è notevolmente sollevata nel decennio considerato. Il fenomeno di deposito risulta progredito nel confronto con il rilievo del 2015, al quale si accompagna un innalzamento dell alveo inciso cha passa da m slm nel 1990 a m slm nel La sezione AR 585 ubicata alla distanza progressiva dalla foce di 108 km è rappresentativa del tratto in prossimità degli Uffizi a monte di Ponte Vecchio, ed è illustrata in figura 31. Anche in questo tratto sono confermate le tendenze rilevate nei confronti precedenti: le quote dei rilievi del 1990, 2000 e 2015 sono molto più basse rispetto a quelle del 1960, e si osserva che quelle del 2015 presentano una moderata tendenza al deposito. Il rilievo del 2015 ha inoltre evidenziato che sussistono condizioni di ingente erosione in prossimità della pila sinistra del ponte Amerigo Vespucci. I confronti tra i vari rilievi sono illustrati in Figura 32 per la sezione del Ponte Vespucci AR 562, ubicata alla distanza progressiva dalla foce di km. Si può osservare che condizioni di elevata erosione localizzata in prossimità della pila sinistra del ponte Vespucci erano presenti già nel rilievo del 1990, che presenta quote del fondo più basse in tutta la sezione rispetto al rilievo del Nel rilievo del 2000 si evidenza una rinnovata tendenza al deposito nella parte destra della sezione, mentre permangono condizioni di erosione alla pila sinistra. Tuttavia la gravità dei fenomeni erosivi non può essere colta appieno utilizzando la metodologia tradizionale delle sezioni topografiche che forniscono informazioni esclusivamente lungo un allineamento prefissato. Infatti, grazie al rilievo tridimensionale adottato nel monitoraggio dell alveo, si è potuto evidenziare il fenomeno di scalzamento alla base della pila sinistra del Ponte Vespucci che ha interessato i pali di fondazione per una profondità di circa 4 metri (Figura 33). A seguito di ciò il Ponte Amerigo Vespucci è attualmente oggetto di verifiche e indagini di approfondimento per accertarne le condizioni di sicurezza e individuare gli interventi di consolidamento. A valle del Ponte Vespucci si evidenziano condizioni di deposito generalizzato. Ciò risulta evidente dai confronti effettuati nella sezione ARNO 556 ubicata ad una distanza progressiva dalla foce di km, e riportati in figura 34. L innalzamento medio del fondo alveo è superiore al metro. Una situazione analoga si evidenzia nella sezione ARNO 547 ubicata ad una distanza progressiva di km nel tratto compreso tra Ponte alla Vittoria e la traversa dell Isolotto (figura 35). Il 24 N

17 thalweg in questa sezione si è innalzato da m slm del 2000 a m slm. Come si può osservare dal profilo trasversale della sezione questo innalzamento è esteso a tutta la sezione. 3.3 Modellistica idraulica avanzata per la valutazione del rischio idraulico L idraulica del tratto urbano fiorentino del Fiume Arno risulta particolarmente complessa a causa delle presenza di numerose strutture con geometrie articolate, quali i ponti ad arco e le traverse oblique, che danno luogo a campi di moto tipicamente tridimensionali. A ciò si aggiunga la presenza del trasporto solido e la mobilità del fondo che assume delle configurazioni via via diverse durante il passaggio delle piene. La modellazione dell interazione idrododinamica e morfodinamica del Fiume con queste strutture richiede pertanto una modellistica avanzata di tipo bidimensionale e tridimensionale (2D e 3D). Come noto, la più diffusa modellistica unidimensionale 1D si fonda su una descrizione del moto come una corrente che presuppone un assetto del moto sostanzialmente di tipo rettilineo tra una sezione e la successiva. Nei modelli 1D, inoltre, l interazione della corrente con le strutture viene modellata introducendo dei coefficienti di deflusso di carattere empirico che dipendono fortemente dalla geometria della struttura in esame. La determinazione di questi coefficienti risulta fondamentale per stabilire il profilo idraulico della corrente soprattutto in condizione di piena e pertanto per determinare la massima portata che può transitare nella città di Firenze senza dare luogo ad esondazioni. La modellista avanzata si fonda su una conoscenza delle geometria del corso d acqua di dettaglio che presuppone un rilievo non basato sulle classiche sezioni bensì su una mesh di punti rilevati che forniscono una realistica rappresentazione del fondo e delle strutture. I modelli 2D consentono di attribuire una maggiore variabilità spaziale (in senso sia longitudinale sia trasversale) a tutte le grandezze di interesse (velocità, altezze d acqua, numero di Froude,..) riuscendo quindi ad apprezzare l influenza di fenomeni localizzati (presenza pile dei ponti, scavi e depositi, barre, traverse, etc) sul deflusso. I modelli 3D permettono inoltre di determinare ulteriori aspetti come gli effetti tridimensionali in prossimità delle strutture idrauliche e la distribuzione delle grandezze di interesse lungo la coordinata verticale. La modellazione idraulica 2D è stata realizzata attraverso il software BASEMENT 2.5 sviluppato dall ETH di Zurigo. Per quanto riguarda la modellazione 3D è stato utilizzato il programma FLOW 3D realizzato dalla società americana Flow Science, Inc. Entrambi i modelli risolvono numericamente le equazioni di Navier Stokes mediate (Reynolds Averaged Navier Stokes) che vengono discretizzate ai volumi finiti. Il tratto simulato è nel caso 2D un asta fluviale lunga circa 3 km (da monte di ponte San Niccolò, sezione AR0604 a valle di ponte Vespucci, sezione AR0648), mentre nel modello 3D il tratto è lungo 1303 m (da monte di Ponte Vecchio, sezione AR0584, fino a valle di Ponte Vespucci, AR0559). La geometria è costituita dal rilievo batimetrico multi-beam. Prima di effettuare le simulazioni per le varie portate considerate, i modelli sono stati calibrati e validati grazie alle misure di livello e portata effettuate nel corso del Piano di Monitoraggio. In Figura 36 si illustra l idrodinamica in corrispondenza della Pescaia di Santa Rosa ottenuta con il modello 2D nel caso di una portata pari a 3800 m 3 /s. Si apprezzano la deviazione dei vettori velocità causati dalla traversa obliqua, il rallentamento della corrente in sinistra e la formazione dei vortici in destra a valle della struttura La Figura 37 mostra un risultato ottenuto con il modello 3D relativo all assetto del pelo libero e alla distribuzione della velocità in corrispondenza del Ponte Vecchio e per una portata pari a 3000 m 3 /s. Si evidenzia il parziale riempimento delle arcate, la notevole curvatura del pelo libero e il carattere tipicamente 3D del moto. 3.4 Vegetazione fluviale e rischio idraulico Negli ultimi decenni si è registrato un crescente interesse da parte della comunità scientifica relativamente al ruolo che la vegetazione ripariale svolge nella dinamica fluviale (Gurnell et al., 2003; Gurnell 2013). Nonostante ciò la percezione della vegetazione come elemento contribuente all incremento del rischio idraulico è sempre molto diffusa e induce spesso ad adottare poli- N

18 Figura 29 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO 608. Figura 30 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO 592. Figura 31 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO 585. Figura 32 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO 562. Figura 33 Rilievo tridimensionale della pila sinistra del ponte Vespucci. Figura 34 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO N

19 tiche di rimozione della vegetazione stessa dagli alvei fluviali. La percezione della vegetazione in alveo come elemento di rischio o beneficio è strettamente correlata all area geografica: nelle zone colpite da violenti alluvioni, associate ad ingenti quantitativi di detriti arborei flottanti con conseguenti ostruzioni di infrastrutture come ad esempio i ponti, le fasce verdi ripariali sono percepite come aree da cui salvaguardarsi piuttosto che da salvaguardare (Piegay et al., 2005; Mutz et al., 2006; Comiti et al., 2016; Chin et al., 2008). Il trasporto di grandi quantità di detriti arborei durante eventi di piena può essere un potenziale rischio per esseri umani e infrastrutture: l accumulo di tronchi alle pile è una delle principali cause di collasso di ponti negli Stati Uniti (Diehl, 1997); ingenti danni alle infrastrutture, associati al trasporto di detriti arborei, sono stati censiti nel corso dei recenti eventi alluvionali che hanno colpito l Europa Centrale (il fiume Magra nella Toscana nord-occidentale nel 2011 e il fiume Emme nel Canton Berna in Svizzera nel 2005). Ma è sufficiente restare in ambito urbano fiorentino per capire che il problema della vegetazione in alveo ci riguarda in modo diretto. Basti pensare ai frequenti casi di accumulo di detriti arborei alle pile dei ponti nel centro storico che in alcuni casi hanno richiesto interventi di rimozione, i quali comportano costi aggiuntivi a quelli di normale manutenzione. L occlusione dei ponti causata dall accumulo di vegetazione riduce l area utile al deflusso delle portate di piena con conseguente incremento di i) velocità nelle zone laterali all accumulo (Manners et al., 2007); ii) livelli idrici a monte dell occlusione; iii) erosione alla pila del ponte (Parola et al., 2000; Lagasse et al., 2010; Pagliara e Carnacina, 2010; Dongol, 1989; Melville e Dongol, 1992). In quest ultimo caso, prove sperimentali condotte da diversi gruppi di ricercatori hanno evidenziato un incremento della profondità di erosione alla pila del ponte in presenza di vegetazione accumulatasi, fino a tre volte superiore che in assenza di detriti arborei (Melville e Dongol, 1992). I principali fattori che influenzano l accumulo di vegetazione in prossimità di strutture sono: - la quantità di vegetazione mobilitata; - la portata liquida e la velocità della corrente; - le caratteristiche geometriche del ponte (rapporto luce del ponte/lunghezza massima dei detriti arborei trasportati, forma della pila del ponte ) L elemento di maggiore difficoltà di stima è la produzione di detriti arborei, ovvero il bilancio di massa volumetrica di detriti arborei per unità di lunghezza del corso d acqua x nell unità di tempo t (Benda e Sias, 2003): S m 3 = [ l - O+ Q i - Q o -D ] t x x dove I è il tasso di immissione di detriti arborei (per mortalità, erosione, frane e valanghe ), O la perdita di detriti arborei per deposito, Q i e Q o rispettivamente le portate volumetriche di detriti arborei in ingresso e in uscita, D il decadimento degli alberi (volume per unità di tempo). Per quanto riguarda le caratteristiche geometriche del ponte, diverse prove sperimentali sono state condotte sull accumulo di detriti arborei in prossimità di ponti a travatura reticolare o con intradosso a profilo arrotondato (Schmocker and Hager, 2011) o in presenza di pila in alveo con rostro semi-circolare (Lyn et al., 2003; Gschnitzer et al., 2013), ma ancora poco si sa relativamente all influenza della forma della pila sull accumulo di detriti arborei. Questo aspetto risulta di notevole importanza nella prevenzione del rischio idraulico legato al trasporto e accumulo di detriti arborei, specialmente in prossimità di strutture già esistenti come i ponti storici in muratura (è il caso di Ponte Vecchio a Firenze). A tal proposito sono state condotte prove sperimentali nel laboratorio di Idraulica Fluviale lagunare e Biofluido-dinamica del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale dell Università di Firenze, con l obiettivo di studiare la probabilità di accumulo di detriti arborei alle pile dei ponti in corsi d acqua a debole pendenza, analizzando diverse geometrie di pile. Le prove sono state condotte in similitudine di Froude in una canaletta con pareti in plexiglass lunga circa 5 m e larga 0.30 m. Il fondo fisso ha una pendenza pari a ed è ricoperto da materiale ghiaioso caratterizzato da D 50 = 6.61 mm. Sono state riprodotte condizioni di flusso subcritico (Fr=0.3, Fr=0.5). Per i detriti arborei sono stati utilizzati dei bastoncini cilindrici in legno di faggio privi di rami N

20 e radici di tre classi di lunghezza e diametro, in rapporto alle dimensioni della canaletta, ed evitando l effetto delle pareti sull accumulo dei legnetti alla pila (small= lunghezza pari al 20% della larghezza della sezione; medium = lunghezza pari al 30% della larghezza della sezione; large= lunghezza pari al 50% della larghezza della sezione). Sono state analizzate cinque diverse geometrie di rostri di pila dei ponti: rettangolare (R0), semi-circolare (R1), triangolare (R2), ogivale (R3) e trapezoidale (R4). Sono state riprodotte inoltre due diverse tipologie di trasporto di detriti arborei, la tipologia definita congested vale a dire quando i detriti arborei trasportati dalla corrente si muovono insieme come un singolo ammasso e occupano più del 33% della superficie di campionamento pari a 1 m 2 ; e il trasporto di tipo uncongested quando i detriti arborei fluttuano senza interagire tra loro e generalmente occupano una superficie inferiore al 10% dell'area di campionamento (Braudrick et al., 1997). Al termine di ciascuna prova è stato determinato un indice adimensionale che quantifica la probabilità di accumulo di legnetti alla pila del ponte calcolato come segue: CL IAC= IL dove CL è il numero di legnetti bloccati alla pila del ponte e IL il numero totale di legnetti immessi. La probabilità di accumulo così definita è la minima probabilità di ostruzione. Se si definisce CL il numero di legnetti che toccano la pila senza necessariamente fermarsi, si determina la massima probabilità di ostruzione che si avrebbe se tutti i legnetti che urtano la pila si arrestassero in prossimità dell ostacolo. Nel primo caso, i risultati ottenuti mostrano che il valore più alto di minima probabilità di accumulo si verifica in condizioni di maggiore velocità e in presenza di pila rettangolare (Fr=0.5 e R0) (Figura 38, A). La forma arrotondata della pila favorisce la rotazione del singolo legnetto attorno ad essa e il suo deflusso verso valle, contrariamente ad una pila dal rostro più piatto. In entrambe le condizioni idrauliche riprodotte nessun accumulo è stato osservato in prossimità della pila ogivale (R3). Nel caso di massima probabilità di ostruzione la pila potenzialmente più critica per l accumulo di detriti arborei risulta essere proprio la pila di forma ogivale (R3) per Fr=0.5 e quella triangolare (R2) per Fr=0.3 (Figura 38,B). I risultati evidenziano che, sebbene per Fr=0.5 un numero elevato di legnetti urti la pila di forma ogivale (R3), la sua forma geometrica impedisce ai detriti arborei di bloccarsi favorendone la rotazione attorno alle pareti curve e il deflusso verso valle. Nel caso di pila triangolare (R2), che è risultata essere la geometria più critica per l accumulo per Fr=0.3, nonostante la forma appuntita, i legnetti tendono a disporsi e fermarsi lungo i lati del triangolo equilatero, facilitati dall interazione con altri legnetti (Figura 39). Sebbene la presenza di rami e radici possa incidere sul fenomeno di accumulo di detriti arborei alle pile dei ponti, è importante sottolineare che in molti casi, nel percorso che un tronco compie dal suo abbattimento al suo intrappolamento ad opera di un ostacolo in alveo, esso tende a perdere rami e radici in un processo chiamato di frammentazione, per cui anche la sua altezza (e quindi il suo volume) può modificarsi dalla fase di reclutamento a quella di accumulo. Considerata l importanza di mettere in atto strategie di prevenzione di accumulo di detriti arborei in prossimità di strutture (ad esempio realizzando opere di ritenzione di detriti arborei), specialmente in centri urbani, negli ultimi anni i ricercatori hanno focalizzato la loro attenzione sullo sviluppo di modelli numerici in grado di riprodurre il processo di trasporto di detriti arborei nei corsi d acqua e poter così riprodurre differenti scenari di rischio. E il caso del modello 2D Iber sviluppato dal Water and Environmental Engineering Group, GEAMA (University of A Coruña), dal Flumen Institute (Polytechnic University of Catalonia) e dal International Centre for Numerical Methods in Engineering, CIMNE. Il modello include un tool chiamato Iber - Wood accoppiato al modello idrodinamico, che è stato presentato da Ruiz- Villanueva et al. (2014a) e simula il trasporto di multipli legnetti (assumendo i detriti arborei come elementi cilindrici) di diverse dimensioni. Il modello descrive l incipiente movimento e il trasporto dei legnetti sulla base del bilancio delle forze che agiscono su un tronco immerso in acqua ed è in grado di simulare l interazione tra più legnetti e l interazione tra i legnetti e le sponde (incluso le strutture). 28 N

21 Figura 36 - Andamento delle velocità per portata 3800 m3/s. Si apprezzano la deviazione dei vettori velocità causati dalla traversa obliqua, il rallentamento della corrente in sinistra e la formazioni dei vortici in destra a valle della struttura (Gonnelli 2016). Figura 35 Confronto dei rilievi nella sezione trasversale ARNO 547. Figura 37 - Livello idrico e campo di velocità al di sotto di Ponte Vecchio per una portata di 3000 m3/s (Castaldi, Peruzzi 2016). Figura 38 Boxplot della minima (A) e massima (B) probabilità di accumulo dei legnetti per diverse configurazione geometriche e idrauliche (Fr=0.3, Fr=0.5). Figura 40 Confronto tra la massima probabilità di accumulo nelle prove sperimentali (observed) e nei test numerici realizzati con il modello Iber (predicted) per diverse configurazioni geometriche e condizioni idrauliche.. Figura 39 Accumulo di legnetti alla pila di forma triangolare (R2) per Fr=0.3 (sinistra). Accumulo di detriti arborei alla pila triangolare di Ponte alla Carraia a Firenze. Figura 41 Esempio di interazione tra legnetti (simulazione con 6 legnetti) e pila rettangolare in uno dei test effettuati con il modello numerico Flow3D. Figura 42 Angolo di inclinazione rispetto alla direzione di flusso della corrente (sopra) e forza di drag (sotto) di un legnetto che si muove singolarmente (LW1) o in presenza di più legnetti (3, 6, 9, 15) in direzione x. N

22 La collaborazione scientifica con il centro di ricerca Dendrolab presso l istituto di Geologia dell Università di Berna ha permesso l utilizzo del tool Iber - Wood per riprodurre numericamente le prove sperimentali condotte a Firenze, con l obiettivo di calibrare e perfezionare il modello numerico relativamente all interazione detriti arborei-strutture. Il confronto tra i dati sperimentali e quelli numerici (Figura 40) mostra una buona riproducibilità per alti numeri di Froude (Fr=0.5) e una sovrastima del modello rispetto alle prove sperimentali per bassi numeri di Froude (Fr=0.3). Dai test numerici sono emerse alcune limitazioni del modello inerenti ad esempio gli urti tra legnetti che il modello tratta come perfettamente elastici, non tenendo conto dell effetto "wet" del legno in acqua. Altro aspetto in fase di perfezionamento è quello legato al coefficiente di drag che assume valori diversi al variare dell angolazione del legnetto rispetto alla direzione di flusso della corrente (Gippel et al., 1992) e che il modello considera costante. L interazione dei tronchi con le strutture, ed in particolar modo il processo di arresto del movimento dei tronchi e accumulo in prossimità di un ostacolo, sono in fase di perfezionamento. Questi e altri aspetti emersi dai test condotti, hanno permesso di lavorare sul modello numerico allo scopo di ottenere un potenziale e potente strumento di prevenzione del rischio idraulico associato al trasporto e deposito di materiale arboreo flottante in prossimità di strutture presenti in alveo. Una volta affrontato il problema legato alla stima di portata volumetrica di materiale arboreo potenzialmente mobilitabile e trasportabile da un corso d acqua, l utilizzo di un modello numerico permette l analisi di differenti scenari di rischio e delle conseguenti tecniche di prevenzione come la progettazione di opere di trattenuta di detriti arborei da realizzare a monte delle infrastrutture. Una della principali limitazioni del modello numerico 2D è l impossibilità di riprodurre la tridimensionalità degli accumuli di detriti arborei alle pile dei ponti. Dalle prove sperimentali condotte descritte prima, è emerso come in certi casi alcuni detriti arborei bloccati a monte della pila, al sopraggiungere di nuovi elementi o per azione della forza esercitata della corrente, tendono a depositarsi al piede della pila. Il processo può innescare la formazione di accumuli di forma conica che si sviluppano lungo la verticale della pila (Diehl, 1997; Lagasse et al., 2007). Ulteriori test numerici sono stati condotti presso il KTH di Stoccolma per analizzare l effetto tridimensionale dell interazione detriti arboreistruttura. Utilizzando il software Flow3D è stata riprodotta la geometria della canaletta di laboratorio e la pila rettangolare. I detriti arborei sono stati simulati come moving object di forma cilindrica. Ogni tronco può muoversi con 6 gradi di libertà o ruotare attorno ad un punto o un asse fisso. Per ciascun elemento viene definito un sistema di riferimento per l oggetto ( body system ) e un sistema di riferimento spaziale ( space system ). In ogni istante temporale vengono calcolati la forza idraulica e il momento dovuti alla pressione e alla tensione tangenziale che agiscono sull oggetto in movimento. Il modello include la possibilità di simulare le collisioni tra più oggetti inserendo come input il valore del coefficiente di collisione ritenuto più appropriato. Sono stati condotti diversi test incrementando via via il numero di legnetti per capire come il numero di legnetti influenza l interazione tronco-struttura. I risultati ottenuti evidenziano innanzitutto la capacità del modello di riprodurre il movimento del singolo tronco anche lungo la direzione verticale (Figura 41). Inoltre è possibile ricavare molteplici informazioni, come la relazione tra la forza di drag e l orientamento del singolo tronco rispetto alla direzione di flusso della corrente, la variazione di tale forza in presenza di più elementi che si muovono parallelamente (Figura 42). All aumentare del numero di legnetti questi tendono a muoversi come un tappeto di detriti arborei ( wood carpet ) orientandosi per lo più parallelamente alla direzione di flusso della corrente. Nell ambito del processo di interazione vegetazione-struttura in alveo, la maggiore difficoltà dei modelli numerici resta la loro validazione che richiede, oltre alle prove sperimentali, misure di campo. Ad oggi i dati di campo sono molto scarsi soprattutto per le molteplici difficoltà che si riscontrano nella stima dei volumi di detriti arborei mobilitabili e accumulati in prossimità di 30 N

23 opere in alveo. Nonostante ciò la modellistica numerica, anche in questo ambito, resta uno degli strumenti di riferimento per testare i risultati di progetti di riqualificazione e prevenzione per la mitigazione del rischio idraulico (Bladè et al., 2016). BIBLIOGRAFIA - Benda, L.E., Sias, J.C., A quantitative framework for evaluating the mass balance of in-stream organic debris. For. Ecol. Manag. 172 (1), S (01)00576-X. - Bladè, E., Sanchez-Juny, M., Ruiz-Villanueva, V., Strategies in the 2D numerical modelling of wood transport in rivers. Proc. River Flow 2016, At St. Luois, Volume: Constantinescu, Garcia & Hanes (Eds) 2016 Taylor & Francis Group, London ISBN Braudrick CA, Grant GE, Ishikawa Y. & Ikeda H Dynamics of wood transport in streams: a flume experiment. Earth Surf Proc Land 22:7 - Castaldi M., Peruzzi C Hydraulic Characterization of Ponte Vecchio and the Arno River in Florence. Tesi di laurea magistrale Ingegneria per la Tutela dell'ambiente e del Territorio, Università degli studi di Firenze. - Comiti, F., Lucía, A., Rickenmann, D., Large wood recruitment and transport during large floods: A review, Geomorphology, Volume 269, 15 September 2016, Pages 23-39, ISSN X, - Diehl, T.H., Potential Drift Accumulation at Bridges. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration Research and Development, Turner-Fairbank Highway Research Center, Virginia. - Dongol, M. S Effect of Debris Rafting on Local Scour at Bridge Piers, Report No. 473, School of Engineering, University of Auckland, Auckland, New Zealand. - Francalanci, S., E. Paris, and L. Solari A combined field sampling-modeling approach for computing sediment transport during flash floods in a gravel-bed stream, Water Resour. Res., 49, , doi: /wrcr Gippel, C.J., O Neill, I.C., and Finlayson, B.L., 1992, The hydraulic basis of snag management: Melbourne, University of Melbourne, Center for Environmental Applied Hydrology, 116 p. - Gonnelli V., Modello bidimensionale del Fiume Arno nel tratto urbano di Firenze. Tesi di laurea magistrale Ingegneria per la Tutela dell'ambiente e del Territorio, Università degli studi di Firenze, Gschnitzer, T., Gems, B., Aufleger, M., Mazzorana, B. & Comiti, F. 2013: Physical Scale Model Test on Bridge Clogging. In: Zhaoyin, W.; Hun-wei Lee, Joseph; Jizhang, G.; Shuyou, C.: Proceedings of the 35th IAHR World Con-gress. Beijing: Tsinghua University Press - Gurnell, A.M., 2003.Wood storage andmobility. In: Gregory, S.V., Boyer, K.L., Gurnell, A.M. (Eds.), The Ecology and Management of Wood in World Rivers. American Fisheries Society Symposium, Bethesda, Maryland, pp Lagasse, P. F., Clopper, P. E., Zevenbergen, L. W., Spitz, W. J, & Girard, L.G. 2010, Effects of debris on bridge pier scour, NCHRP Rep. 653, Transp. Res. Board, Washington, D. C - Lyn, D. A., Cooper, T., Yi, Y.-K., Sinha, R., & Rao, A. R. 2003b. Debris Accumulation at Bridge Crossings: Labora-tory and Field Studies, School of Civil Engineering, Pur-due University, Joint Transportation Research Program, Report No. FHWA/IN/JTRP-2003/10, 59 pp. ( docs.lib.purdue.edu/jtrp/48). - Manners, R. B., Doyle, M. W., & Small, M. J Structure and hydraulics of natural woody debris jams. Water Re-sources Research, 43, W Melville, B. and Dongol, D "Bridge Pier Scour with De-bris Accumulation." J. Hydraul. Eng., / (ASCE) (1992)118:9(1306), Mutz,M., Piégay, H., Gregory, K.J., Borchardt, D., Reich, M., Schmieder, K., Perception and evaluation of dead wood in streams and rivers by German students. Limnologica - Ecology and Management of Inland Waters 36 (2), /j.limno Pagliara, S., & Carnacina, I Temporal scour evolution at bridge piers: effect of wood debris roughness and porosity. Journal of N

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