DTM e GIS a supporto della modellazione idraulica per i piccoli bacini: il caso studio del Rio Galeria Fabrizia Fiumara, IDRAN Ingegneria e Tecnologia S.r.l., fabrizia.fiumara@libero.it Fernando Nardi, WARREDOC, Università per Stranieri di Perugia, fernando.nardi@unistrapg.it Parole chiave: DTM; FLO-2D; rischio idraulico; reticolo secondario Abstract Il reticolo di drenaggio urbano è oggetto di esondazioni sempre più frequenti e problematiche idrogeologiche a causa di un'urbanizzazione incontrollata che determina una crescente impermeabilizzazione del suolo rendendo sempre più gravose le condizioni di rischio idraulico. Nonostante l evidente urgenza di dover conoscere e mitigare gli effetti nefasti delle onde di piena nei piccoli bacini urbani, ad oggi è tuttavia limitata l estensione ed il dettaglio degli studi idraulici che, anche quando disponibili, sono caratterizzati da una significativa incertezza. In questo lavoro viene utilizzato il modello idraulico FLO-2D e proposta una procedura speditiva di applicazione del modello bidimensionale basata su un analisi di tipo idro-geomorfologico integrata in ambiente ESRI ArcGIS. Tale procedura ottimizza i DTM largamente disponibili verificando la potenziale applicazione dei modelli 2D su larga scala grazie all utilizzo dei GIS per lo studio e la mappatura del rischio idraulico dei fossi minori che caratterizzano i piccoli bacini non strumentati del territorio italiano. 1. Introduzione I piccoli bacini sono caratterizzati, a causa della loro configurazione geomorfologica e della loro ridotta estensione, da tempi di risposta molto brevi e possono essere interessati da fenomeni alluvionali e franosi estremamente gravosi in occasione di precipitazioni intense. In ambiente urbano la criticità di questi eventi aumenta per la bassa capacità di drenaggio legata all impermeabilizzazione del suolo e alla presenza di numerosi attraversamenti lungo i corsi d acqua. La modellazione idraulica, necessaria per la determinazione del quadro conoscitivo della potenziale pericolosità per effetto delle alluvioni e per l individuazione delle azioni di mitigazione del rischio idraulico, soffre, in questi bacini, della mancanza di dati idraulici essendo la grande maggioranza dei piccoli bacini priva di stazioni di misura idrometrica. 2. L esigenza La definizione di un quadro del rischio idraulico del reticolo secondario è un esigenza relativamente recente ed interessa una buona parte del territorio italiano: i bacini idrografici del reticolo secondario e minore ricoprono il 42.11% della superficie nazionale, di cui neanche la metà supera i 500 km 2 (ISPRA, 2006, http://www.sinanet.isprambiente.it/it/sia-ispra/download-mais). Analizzare il rischio idraulico di questi bacini alla medesima scala di dettaglio e secondo la metodologia tradizionale che caratterizza gli studi idrologicoidraulici adottata per il reticolo principale sarebbe economicamente non sostenibile e comunque i risultati sarebbero affetti da un notevole grado di incertezza. Uno dei software freeware più diffusi per la modellazione idraulica fluviale il FLO-2D Basic consente di simulare in maniera fisicamente basata ed in due dimensioni la propagazione dell onda di piena in golena. La prima scelta progettuale prevista dal software consiste nello stabilire le dimensioni del dominio e della maglia con cui discretizzarlo. Nel caso dei piccoli bacini la scelta della scala spaziale deve tener conto della mancanza di osservazioni idrometriche, unitamente alla scarsa disponibilità di rilievi topografici sebbene, la crescente diffusione di strumenti e dati geospaziali da sensore remoto, consenta di ricostruire in ambiente GIS una geometria sempre più accurata. Una modellazione con una scala troppo grande non supportata da 1
informazioni sufficientemente dettagliate perderebbe di senso, mentre una scala troppo piccola potrebbe compromettere l affidabilità dei risultati. Nei fossi minori tuttavia, le dinamiche e le aree caratterizzate da insufficienza idraulica sono individuabili preliminarmente sulla base di criteri morfologici che possono essere implementati effettuando uno studio su larga scala o per macro-aree omogenee (versanti, golene, segmenti fluviali). Nasce, dunque, l idea di proporre un modello idraulico che possa combinare le potenzialità del codice di calcolo idraulico FLO-2D con modelli idro-geomorfologici integrati in ambiente GIS, con il fine ultimo di sviluppare una metodologia applicabile su larga scala per lo studio idraulico dei piccoli bacini non strumentati italiani. 3. La soluzione Il presente lavoro illustra le differenze di due modelli idraulici sviluppati con FLO-2D, per lo stesso bacino, ma caratterizzati da una risoluzione spaziale e da una rappresentazione della geometria differente. La differente scala ha reso necessario il post processing dei risultati delle simulazioni condotte, con il ricorso a tecniche di interpolazione geospaziale GIS al fine di rendere confrontabili i risultati. L analisi è stata condotta sul bacino del Rio Galeria, un piccolo bacino affluente del fiume Tevere, dotato di una stazione di misura in prossimità della sua sezione di chiusura, che comunque non fornisce una serie storica significativa di eventi di piena, facendo rientrare il caso di studio tra i bacini piccoli e non strumentati del territorio urbanizzato romano. Il confronto tra i due modelli è stato effettuato simulando due eventi di piena, uno sintetico ed uno reale. La scelta del caso di studio è ricaduta sul Rio Galeria sia per la sua morfologia regolare (golene ampie e ben definite) sia per la disponibilità dei dati e risultati degli studi idraulici inerenti l aggiornamento del piano d assetto idrogeologico del reticolo secondario di Roma (ABT, 2014) che sono stati utilizzati come riferimento. Il modello FLO-2D di riferimento è stato costruito su un dominio discretizzato in celle di 20 m e con una geometria d alveo definita dalle sezioni naturali che sono state oggetto di appositi rilievi topografici. Il modello proposto è stato realizzato adottando una maglia quadrata di 100 m e con una geometria rettangolare equivalente per la rappresentazione semplificata della batimetria del corso d acqua. Lo strato informativo di partenza è costituito dal DEM a 5m della CTRN 5K dal quale sono state estratte le grandezze morfometriche caratteristiche da associare alle celle canale per la definizione del tubo di flusso che determina la modalità di propagazione idraulica dell onda di piena attraverso la seguente procedura: definizione del reticolo idrografico mediante terrain analysis (correzione delle depressioni, stima delle direzioni di deflusso, stima delle aree contribuenti per ogni cella) estrazione delle informazioni planimetriche ed altimetriche del Rio Galeria attraverso l estensione HEC-GeoRAS. Stima delle grandezze geometriche delle celle canale. (La stima delle lunghezze è stata ottenuta intersecando l asta fluviale con il dominio di calcolo definito in FLO-2D mentre quella della larghezza e della profondità dell alveo è stata condotta mediando le informazioni ricadenti nella medesima cella) 2
[Fig. 1 Bacino del Rio Galeria ] 3
Grazie all interfaccia Mapper di FLO-2D, dedicata alla visualizzazione e all esportazione dei risultati delle simulazioni, sono stati prodotti gli shapefile dei profili dei livelli di piena ottenuti dalla simulazione dell evento di progetto caratterizzato da un tempo di ritorno di 200 anni e dalla simulazione dell evento di piena di gennaio 2014. Gli shapefile generati sono stati sottoposti a post processing per riportare in ambiente GIS i risultati alla stessa risoluzione e renderli così confrontabili. Di seguito vengono descritti i passi principali di tale ulteriore passaggio della metodologia adottata: a) Omogeneizzazione dei dati vettoriali e raster (WGS84 UTM zone 33N). b) Estrazione di uno shapefile puntuale costituito dai baricentri delle maglie in input, contraddistinti dagli stessi valori di WSE (Water Surface Elevation) associati alle celle di origine. c) Elaborazione del WSE in formato raster con risoluzione di 5m attraverso l utilizzo di un metodo di interpolazione Kriging. (L interpolazione dei dati puntuali ricavati nel punto a) è stata effettuata su un area più estesa dello shapefile originario per non trascurare gli effetti di bordo). Dai dati raster della WSE, elaborati per ciascun modello e per ciascun evento, è stato possibile ricavare strati informativi raster dei tiranti idrici sottraendo ai dati sopracitati il DEM a passo 5m della CTRN 5K (considerando solo le differenze positive). L analisi comparativa dei risultati dei modelli è stata condotta sui dati raster delle WSE e dei tiranti. 4
[Fig. 2 - Tiranti idrici della simulazione dell'evento T200 con il modello a 100m] 5
[Fig. 3 - Differenza tra i tiranti ottenuti dalla simulazione dell'evento T200 del modello a 100m e quelli ottenuti con il modello a 20m] 6
Nella figura 3 si rappresenta la differenza dei tiranti risultanti dalle simulazioni dell evento di piena T200 che risulta mediamente inferiore, in valore assoluto, ai 50 cm fatta eccezione per la zona di confluenza con il fiume Tevere che risente delle condizioni al contorno. 4. Il cambiamento La modellazione idraulica a bassa risoluzione sviluppata utilizzando modelli digitali del terreno sempre più accurati si rivela efficace per la definizione della pericolosità idraulica delle aree golenali del reticolo secondario; non solo, la minore complessità di costruzione del modello e i minori costi richiesti potrebbero permettere un aggiornamento periodico più frequente del modello per aggiornare il quadro conoscitivo secondo le continue modifiche del territorio. La modellazione semplificata proposta restituisce valori di tirante massimo congruenti con il modello di riferimento, ma non consente di analizzare nel dettaglio la dinamica dell onda di piena: l efficacia dell approccio proposto è pertanto limitata al campo di applicazione della mappatura delle aree inondabili. Riferimenti Autorità di Bacino del fiume Tevere (ABT), Piano di bacino del fiume Tevere - Piano Stralcio per il tratto metropolitano del Tevere da Castel Giubileo alla foce - PS5 - Progetto di aggiornamento adottato il 22.12.2014 ISPRA, 2006, http://www.sinanet.isprambiente.it/it/sia-ispra/download-mais 7