LA MODELLISTICA NUMERICA APPLICATA AGLI STUDI DI INVARIANZA IDRAULICA NELLA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE

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1 REGIONE AUTONOMA FRIULI VENEZIA GIULIA LA MODELLISTICA NUMERICA APPLICATA AGLI STUDI DI INVARIANZA IDRAULICA NELLA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE Matteo Nicolini, PhD Professore aggregato di Costruzioni idrauliche Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura Università degli Studi di Udine matteo.nicolini@uniud.it

2 IMPATTI DELL URBANIZZAZIONE Fase 1: alcune zone urbane inondate. Fase 2: realizzazione di interventi in alveo (ad es.: canalizzazione di alcuni tratti, trascurando l impatto verso valle). Fase 3: nuove aree inondate a causa di ulteriori urbanizzazioni e interventi di ingegneria idraulica classica. A parità di tempo di ritorno della precipitazione, aumenta il tempo di ritorno della piena sia come volume che come picco. La popolazione può perdere due volte: investimenti sempre più alti e incremento del rischio idraulico. 2 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

3 IMPATTI DELL URBANIZZAZIONE Secondo il rapporto Ecosistema Rischio 2016 (Legambiente, Maggio 2016) negli ultimi 10 anni si è continuato a costruire in zone a rischio idraulico. Alcuni dati: 1) Solo il 4% delle amministrazioni ha deciso interventi di delocalizzazione di edifici abitativi (1% per gli insediamenti industriali). 2) Nell 88% dei casi sono state urbanizzate aree a rischio di esondazione o a rischio frana. 3) Il 42% dei Comuni che hanno realizzato interventi di mitigazione del rischio ha optato per nuovi argini, e solo il 12% ha ripristinato aree di espansione naturale dei corsi d acqua. 4) Nell 8% dei Comuni sono state realizzate opere di tombamento e copertura de corsi d acqua! 3

4 SVILUPPO A IMPATTO ZERO 4 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

5 BMP BEST MANAGEMENT PRACTICES 5 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

6 LID LOW IMPACT DEVELOPMENT 6 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

7 I TRE LIVELLI DI ANALISI E IMPLEMENTAZIONE DELL INVARIANZA IDRAULICA Bisogna distinguere: 1) Livello di Pianificazione (Normative regionali, PRGC). 2) Livello di Progettazione delle vasche di laminazione/dispersione (ubicazione, volumi, superficie, ). 3) Livello di Gestione operativa degli invasi (RTC-real time control, controllo in tempo reale). Modellistica numerica di supporto: 1) Panificazione. Modelli numerici bidimensionali, modelli idrologici distribuiti, modelli monodimensionali di sistemi di drenaggio.. 2) Progettazione: approcci tradizionali (analitici), modelli di simulazione e di ottimizzazione (a obiettivo singolo e/o multiobiettivo). 3) Gestione RTC: modelli di simulazione/ottimizzazione, modelli data-driven e di controllo ottimo,... 7 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

8 PRIMO LIVELLO: PIANIFICAZIONE La normativa regionale (FVG: L.R. 11/2015) riveste un ruolo fondamentale. Come integrare l invarianza idraulica nei PRGC? La modellistica numerica permette di indagare a varie scale i fenomeni idrologico-idraulici che caratterizzano il territorio comunale. Esempi: 1) definizione della classe di pericolosità per ciascuna Zona di Attenzione (Z.A.), con relativo aggiornamento del P.A.I.: Modello 2D di dettaglio Mappe zone allagabili definizione Z.A. 2) proposta di zonizzazione di tutte le porzioni di territorio comunale non ricadenti sotto P.A.I., in funzione della loro sofferenza idraulica: Modello idrodinamico 2D di dettaglio Modello idrologico 2D distribuito Modello 1D idrografia minore (rogge) e rete fognaria 3) proposta di adottare nel P.R.G.C. il concetto di trasformazione del territorio ad impatto zero (e, quindi, gli interventi e le modalità di compensazione) in relazione alla zona di appartenenza. 8

9 La Tavola 32 del P.A.I.L. con le Zone di Attenzione 9

10 Modello idrodinamico 2D CARTA ZONE ALLAGABILI Tr = 100 anni Condizioni al contorno da modello generale Autorità di Bacino (D.Lgs. 49/2010) 10

11 La Tavola 32 del P.A.I.L. aggiornata 11

12 Modello idrologico distribuito 12

13 Modello idrologico distribuito 13

14 Modello monodimensionale 14

15 Modello monodimensionale 15

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18 TAVOLA DI SINTESI Zonizzazione aree a sofferenza idraulica 18

19 SECONDO LIVELLO: PROGETTAZIONE 19 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

20 SECONDO LIVELLO: PROGETTAZIONE Idrogramma laminato 20 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

21 SECONDO LIVELLO: PROGETTAZIONE 21 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

22 SECONDO LIVELLO: PROGETTAZIONE Problema: determinare il numero, la posizione e il volume di dispositivi di laminazione per garantire l invarianza idraulica Approccio multiobiettivo Numero di vasche, volumi complessivi (Costi) Efficienza di laminazione del sistema Constraints: conservation equations; operational constraints, boundary conditions Mass balance equation (continuity) N. di Vasche Energy loss equation (Head-loss on a link ij) Pipe PRV Aumento del grado di laminazione con l incremento del numero di vasche Minimum pressure requirement for node i at time k Soluzioni dominate da quelle sul Fronte di Pareto Maximum number of valves allowed Situazione attuale: No Vasche Boundary condition (reservoir level at time k) Portata di picco Decision variables: number of PRVs, their location, their settings Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura 22

23 MODELLO EPA-SWMM (Storm Water Management Model) I SOTTOBACINI CADITOIE CANALI a) BACINO E RETE DI DRENAGGIO -DETERMINAZIONE DEL PLUVIOMETRO DI RIFERIMENTO -DIVISIONE DEL BACINO IN AREE OMOGENEE -INDIVIDUAZIONE DELLE PROPRIETA : Pendenza e larghezza equivalente Parametri di Horton e Manning % sup. permeabile e impermeabile Invasi superficiali -DEFINIZIONE DEL NODO DI INGRESSO IN RETE PLUVIOMETRO b) SUDDIVISIONE IN SOTTOBACINI P (afflusso meteorico) ietogramma PIOGGIA SPAZIALMENTE UNIFORME c) SCHEMATIZZAZIONE DEL SOTTOBACINO CON UNA FALDA PIANA RETTANGOLARE FALDA PIANA CUNETTA INGRESSO NEL NODO W invaso superficiale INGRESSI NEI NODI d) MOTO VARIO NELLA RETE DI DRENAGGIO P Q USCITA q(t) V t L y infiltrazione Q (deflusso) P inet S con NODO idrogramma Q Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura 1 5/3 y W if nm 23

24 MODELLO EPA-SWMM (Storm Water Management Model) NODI & RAMI NODI sono PUNTI DI INGRESSO DELLE PORTATE ALLA RETE DI DRENAGGIO SI RIPORTANO: Coordinate geografiche Quota del fondo Quota del piano campagna I RAMI sono COLLETTORI TRA I NODI (permettono la propagazione degli idrogrammi di piena in rete) MANUFATTI paratoie sfioratori laterali CARATTERISTICHE: Nodi estremi e relative quote Lunghezze Scabrezza equivalente Il modulo risolve numericamente le equazioni di Saint Venant. In forma conservativa: A t Q t Q x 0 Q2 x A ga H x gas 0 f 24 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

25 MODELLO EPA-SWMM (Sistema fognario di Grado) Ubicazione futura vasca volano Link Max. Depth m 25 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

26 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 26 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

27 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 27

28 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 28

29 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 29 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

30 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 30

31 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 31 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

32 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 32

33 TERZO LIVELLO: GESTIONE IN TEMPO REALE 33 Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura

34 RISCHIO E ALLAGAMENTI IN AMBITO URBANO Negli eventi più intensi le misure strutturali (vasche) possono entrare in crisi, quindi: 1) convivere con gli allagamenti; 2) adottare misure non strutturali (informazione, preallerta, protezione civile, ); 3) introdurre meccanismi di tipo assicurativo... Matteo Nicolini - Università di Udine Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura 34

35 The end! Grado, 19 maggio 2016 Matteo Nicolini 35