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Parte sesta

HEC – RAS

A cura dell’Ing. Scorzini Annarita

Viene proposta una guida rapida per la valutazione dei profili di moto permanente per corsi d’acqua

naturali mediante il software HEC-RAS, disponibile sul sito www.hec.usace.army.mil (area download).

Tale guida non ha nessuna pretesa di completezza, essendo relativa alle funzioni necessarie per le

applicazioni di più comune utilizzo.

Per un eventuale approfondimento si rimanda ai manuali relativi al modello, in particolare:

Hydraulic Reference Manual, che fornisce le basi teoriche delle procedure utilizzate dal

programma;

User’s Manual, per informazioni relative all’utilizzo del programma;

e slides delle lezioni.

5.1.Introduzione

Il modello di simulazione HEC-RAS (River Analisi System) è stato inizialmente sviluppato dall’US Amy

Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center per lo studio delle reti di canali aperti, attraverso

la ricostruzione dei profili idraulici di moto permanente in regime subcritico e supercritico, operando

nell’ipotesi di monodimensionalità del flusso. Fino alla versione 2.x, HEC-RAS rappresentava

l’evoluzione del modello HEC-2 (HEC, 1991) con l’aggiunta di numerose funzioni e strumenti di

analisi, nonché di una sofisticata interfaccia grafica operante in ambiente Windows.

In seguito, a partire dalla versione 3.0 (HEC, 2001), HEC-RAS è stato integrato con gli algoritmi di

calcolo del modello idraulico UNET - One-Dimensional Unsteady Flow Through a Full Network of Open

Channels che consentono di simulare il comportamento della corrente in moto vario per il solo regime

subcritico.

Fino alla versione 3.x, il modello lavorava fondo fisso, pur essendo dotato di una libreria di equazioni

con le quali era possibile la valutazione del trasporto solido. Queste, tuttavia, potevano essere

utilizzate unicamente per valutazioni in post-processing, ovvero valutazioni basate sui parametri

idraulici pre-calcolati a fondo fisso e regime moto permanente. Nel Novembre del 2006 è stata

distribuita, come versione sperimentale (Beta) la versione 4.0, dotata della capacità di realizzare

simulazioni in presenza di fondo mobile.

Attualmente quindi il modello costituisce un sistema integrato per l’analisi idraulica di reti di canali a

maglie aperte e chiuse, operante in regime di moto permanente o vario, che sfrutta le medesime

informazioni relative alla geometria dei corsi d’acqua e dei manufatti idraulici presenti.

306

Il modello può essere applicato per la soluzione di sistemi dalla geometria complessa che includono

congiunzioni, biforcazioni, reti chiuse, con la possibilità di simulare gli effetti dovuti alla presenza di

strutture, quali paratoie, sistemi di pompaggio, ponti, salti di fondo, ecc. Inoltre, il modello è dotato

di ulteriori algoritmi che permettono di indagare in dettaglio alcuni fenomeni di interesse

nell'ingegneria idraulica, quali ad esempio fenomeni erosivi intorno alle pile ed alle spalle dei ponti

senza platea ed effetti causati della parziale ostruzione di una sezione di deflusso a causa dei depositi

alluvionali, oppure tenere in conto gli effetti dell'eventuale formazione di ghiaccio sulla superficie

libera.

L’utilizzo del modello nell’ipotesi di moto vario aggiunge la capacità di analizzare i fenomeni di

propagazione di un’onda di piena e valutare gli effetti di laminazione dovuti alla naturale

conformazione del corso d’acqua o alla presenza di dispositivi artificiali.

5.2 Ipotesi di calcolo

Obiettivo principale dell’utilizzo del modello è quello di correlare l’entità della portata liquida in arrivo

dal bacino di monte con le velocità e con le altezze idrometriche raggiunte nell’alveo principale e

nelle golene in un determinato tratto fluviale.

La determinazione dei parametri fisici che descrivono il deflusso all’interno di una sezione d’alveo in

HEC-RAS è basata sulle seguenti ipotesi semplificative:

moto monodimensionale;

moto gradualmente variato;

distribuzione idrostatica delle pressioni in ciascuna sezione (linee di corrente rettilinee e

parallele);

alvei a debole pendenza (i < 1:10);

perdite di carico continue mediamente costanti fra due sezioni trasversali adiacenti;

sponde e fondo delle sezioni fisse (no erosione);

Nonostante la seconda ipotesi, è possibile valutare anche i fenomeni di moto rapidamente variato, a

condizione di inserire opportune condizioni al contorno interne come descritto più avanti. L’errore

dovuto all’imposizione di una perdita di fondo costante nel tratto compreso tra due sezioni adiacenti

può essere infatti limitata mediante l’introduzione di ulteriori sezioni ottenute per interpolazione.

Si descrivono di seguito i principali fondamenti teorici su cui si basa il modello, limitatamente al

modulo dedicato alla soluzione del problema in regime di moto permanente.

5.3 Equazioni di base del modello

5.3.1 Conservazione dell’energia

Sotto le predette ipotesi, le principali caratteristiche della corrente (livello idrico e velocità media)

vengono calcolate a partire da una sezione alla successiva, posta a monte o a valle, a seconda che il

regime sia rispettivamente supercritico o subcritico, risolvendo, con la procedura iterativa dello stan-

dard step method, l'equazione che esprime il bilancio di energia della corrente tra le medesime se-

zioni (Figura A1):

Hg2

Vhz

g2

Vhz

222

22

211

11

(A.1)

dove, indicando con i pedici 1e 2 le grandezze che si riferiscono alle due sezioni che individuano il

volume di controllo:

h1 e h2 sono le altezze idriche;

z1 e z2 sono le quote del fondo alveo rispetto ad un riferimento prefissato;

V1 e V2 sono le velocità medie;

307

α1 e α2 sono i coefficienti di ragguaglio delle potenze cinetiche o coefficienti di Coriolis;

ΔH è la perdita di carico tra le due sezioni.

Figura A1. Conservazione dell’energia: schema di calcolo

L'equazione (A.1) esprime il ben noto principio per cui la variazione tra due sezioni dell'energia

specifica della corrente è pari alle perdite distribuite, derivanti dagli attriti interni dovuti all'esistenza

di strati a diversa velocità nell'interno della massa liquida, ed alle perdite localizzate, in genere dovute

alla presenza di strutture in alveo che inizialmente producono un restringimento della corrente e un

successivo allargamento con formazione di vortici.

La perdita di carico tra le due sezioni viene, infatti, valutata come la somma di due termini: una

componente di attrito hf, dovuta alla scabrezza di fondo, calcolata per mezzo dell’equazione di

Manning, e una componente h0 che rappresenta le perdite dovute a contrazioni ed espansioni della

vena fluida, calcolata come frazione del carico cinetico:

g2

V

g2

VCSLhhH

211

222

f0f

(A.2)

con fS : cadente della linea dei carichi totali;

C : coefficiente di contrazione/espansione.

HEC-RAS possiede quattro diverse modalità per la valutazione della cadente media fS :

1. Trasporto medio valutato tra le sezioni 1,2:

2

21

21f

KK

QQS

2. Media aritmetica della pendenza d’attrito valutata tra le sezioni 1,2: 2

SSS 2f1f

f

3. Media geometrica della pendenza d’attrito valutata tra le sezioni 1,2: 2f1ff SSS

4. Media armonica della pendenza d’attrito valutata tra le sezioni 1,2: 2f1f

2f1ff

SS

SS2S

.

Il programma utilizza per default la prima delle quattro opzioni, a meno di indicazioni diverse da

parte dell’utente. Il programma offre una quinta opzione che consente la selezione automatica della

formula più idonea tra quelle illustrate in funzione del regime della corrente.

Il codice HEC-RAS suddivide l’area interessata dal moto in tre zone principali: zona golenale sinistra

(LOB, left overbank), alveo ordinario (CH, channel), zona golenale destra (ROB, right overbank). Per

tener conto dell’andamento curvilineo dell’asse, la distanza di calcolo tra due sezioni viene ponderata

308

rispetto alla frazione di portata che fluisce rispettivamente nelle tre zone. La lunghezza mediata del

tratto viene quindi calcolata come:

ROBCHLOB

ROBROBCHCHLOBLOB

QQQ

QLQLQLL

(A.3)

con:

ROBCHLOB L,L,L : lunghezze del tratto relative rispettivamente all’area golenale sinistra, alveo

ordinario e area golenale destra;

ROBCHLOB Q,Q,Q : portate medie attraverso la sezione rispettivamente in golena sinistra, alveo or-

dinario e golena destra.

5.3.1.1 Standard step method

Per illustrare lo standard step method utilizzato da HEC-RAS per la soluzione dell’equazione (A.1) si

possono descrivere i passi necessari per il calcolo del profilo relativo a condizioni di moto subcritico

con l’equazione dell’energia.

Si suppongano quindi due sezioni di cui si conosca la quota della superficie libera della sezione di

valle; il problema che si vuole risolvere è la conoscenza della quota corrispondente alla sezione di

monte.

Assumendo che la geometria delle sezioni sia nota, i termini incogniti dell’equazione sono h1, V1 e

ΔH. V1 è desumibile direttamente dal valore di h1, per cui le incognite possono essere ridotte a due.

Con due incognite è necessaria una seconda equazione, riguardante le perdite di energia ed espressa

da he=hf+ho, per poter ottenere una soluzione. Stante la tipologia delle equazioni, la ricerca della

soluzione sarà del tipo “trail and error”, per successivi tentativi.

I passi attraverso cui avviene il calcolo sono i seguenti:

1. Viene supposta una quota di pelo libero per la sezione di monte. Un primo tentativo può

essere fatto imponendo la pendenza della linea dell’energia pari alla pendenza del tronco

d’alveo; quindi, Δh=(Q/K)2 L, dove Δh rappresenta la variazione nella quota del pelo libero,

Q è la portata, K il termine di trasporto e L la distanza dalla sezione a monte;

2. Sulla base della quota di pelo libero assunta e della geometria della sezione, vengono

determinati i termini cinetico e il trasporto totale per la sezione a monte;

3. Con i valori calcolati del termine cinetico e di trasporto del passo 2, viene calcolato il valore

di he;

4. Con il valore calcolato di he, viene calcolata l’altezza di pelo libero della sezione a monte

utilizzando l’equazione dell’energia;

5. Viene fatto un confronto fra il valore calcolato al passo 4 e il valore impostato al passo 1. Se

la differenza non è inferiore a una prefissata tolleranza (di default pari a 3 mm), il ciclo

riprende cambiando il valore al passo 1.

Questa tecnica richiede tempi di elaborazione brevissimi e non incontra problemi di convergenza

nemmeno in presenza di discontinuità geometriche o idrauliche.

5.3.2 Conservazione della quantità di moto

In corrispondenza di particolari situazioni localizzate, per le quali il moto non può, a rigore, essere

considerato gradualmente variato, come avviene in corrispondenza di ponti, tombini, stramazzi,

risalti idraulici ecc. (passaggio attraverso lo stato critico), per il calcolo dei profili idrici viene utilizzata

l’equazione di bilancio della quantità di moto:

309

21fx21 MMFWPP (A.4)

Figura A2. Conservazione della quantità di moto: schema di calcolo

dove:

P1 e P2 sono le spinte agenti in corrispondenza delle sezioni 1 e 2;

Wx è la componente della forza peso del volume di controllo nella direzione del moto;

Ff è la forza resistente dovuta all’attrito;

M2 e M1 sono i flussi della quantità di moto entranti ed uscenti dalla sezioni 2 e 1;

Esplicitando i vari termini si ottiene la formula funzionale dell’equazione di conservazione della quan-

tità di moto utilizzata da HEC-RAS:

111

211

f21

021

222

222 h

g

QSL

2SL

2h

g

Q

(A.5)

5.4 Guida pratica

In Figura A3 è rappresentata la schermata che compare all’apertura di HEC-RAS e dalla quale è

visibile l’organizzazione del programma.

Figura A3. Finestra principale di HEC-RAS

Nella terminologia di HEC-RAS un Project (File .prj – Figura A4) è composto da un set di file dati

associati ad un determinato sistema idrografico. All’interno di questo l’utente può utilizzare uno o

tutti i pacchetti supportati per le analisi idrauliche. I file associati ad un Project sono i seguenti: Plan

Data (File .p01,.p02…), Geometric Data (File .g01, g.02…) e Steady Flow Data (File .f01, .f02…) [+

eventualmente: Unsteady flow Data per simulazioni a moto vario, Quasi-steady flow Data e Sediment

Data per simulazioni a fondo mobile (moto quasi stazionario), Water Quality Data per simulazioni di

310

qualità delle acque e Hydraulic Design Data per il calcolo, ad esempio, dell’erosione attorno alle pile

di ponti].

Figura A4. Informazioni contenute nel file .prj

Nello svolgimento del progetto, l’utente può creare diversi Plans, combinando diverse coppie di dati

geometrici ed idraulici. Quindi i dati necessari da inserire nel programma saranno essenzialmente

costituiti da informazioni relative all’asta fluviale e ai valori di portata e condizioni al contorno.

Prima di procedere nell’illustrazione del procedimento per la creazione di un progetto HEC-RAS, si

vanno ad analizzare i contenuti del file .g01 (Figura A5) e .f01 (Figura A6), dal momento che è

possibile introdurre i dati necessari al programma senza passare necessariamente per l’interfaccia

grafica del programma, ma agendo sul singolo file, in particolare per quanto riguarda il caricamento

dei dati geometrici (creando uno script che legga i nostri dati (ad esempio da un .xls) e li riporti

automaticamente nel file opportuno).

In particolare, il file .g01 contiene le informazioni relative a:

Nomi del River e del/dei Reach/es;

Coordinate che definiscono l’asta fluviale;

Geometria di ciascuna sezione:

- ID sezione;

- Distanza della sezione rispetto a quella successiva di valle;

- Eventuale descrizione;

- Coordinate della sezione (x,z) (Station/Elevation);

- Valori dei coefficienti di scabrezza di Manning, relativi rispettivamente alla golena

sinistra (LOB), canale principale (CH) e golena destra (ROB);

- Coordinate delle Bank Stations, ovvero dei punti che delimitano il canale principale.

311

Figura A5. Informazioni contenute nel file .g01

Nel file .f01 sono invece contenute le seguenti informazioni:

Numero dei profili da calcolare e relativi nomi;

Valori della portata da simulare;

Numero della sezione in cui tale portata è immessa;

Condizioni al contorno:

- Di monte (Up Type) o di valle (Dn Type), (0=false, 1=true)

- Tipo di condizione al contorno (valore della superficie idrica nota, altezza di moto

uniforme, altezza critica, scala delle portate).

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Figura A6. Informazioni contenute nel file .f01

I files .g01 e .f01 sono “combinati” nel Plan, .p01, il quale porta ulteriori informazioni relative alla

metodologia di calcolo:

tipo di regime: corrente lenta (subcritical flow), veloce (supercritical flow) o mista (mixed

flow);

parametri e tolleranze di calcolo (tolleranza per lo standard step method e per il calcolo

dell’altezza critica, numero massimo di iterazioni, metodo per il calcolo della cadente media,

metodo per il calcolo dell’altezza critica).

Figura A6. Informazioni contenute nel file .p01

Nei seguenti paragrafi verranno analizzate le singole fasi necessarie per l’ottenimento dei profili di

moto permanente con il programma, così suddivise:

Creazione del Project;

Introduzione dei Geometric Data;

Introduzione dei Flow Data;

Run in moto permanente;

Visualizzazione dei risultati.

5.4.1 Creazione del Project

N.B.: Operazione preliminare (se non già attiva sul proprio computer) è quella di impostare il punto

“.” come separatore delle cifre decimali (andando su Pannello di controllo → Opzioni internazionali e

della lingua → Formati)

E’ necessario poi definire il sistema di misura, che, alla prima apertura del programma, è settato sul

sistema americano; è possibile passare al Sistema Internazionale selezionando Options → Unit

system (US Customary/SI) e settarlo come default per i progetti futuri (Figura A7).

313

Figura A7. Selezione del Sistema di misura

A questo punto, è possibile procedere alla creazione del Project su cui si intende lavorare ovvero alla

sua apertura, se già esistente:

Creazione: File → New Project → definizione del Title del Project, del File Name e della

Directory in cui allocarlo (Figura A8);

Apertura: File → Open Project.

Figura A8. Creazione Project

5.4.2 Introduzione Geometric Data

I dati geometrici comprendono tutti i dati relativi alla geometria delle sezioni

topografiche note, alla loro distanza relativa e alle caratteristiche di scabrezza delle

pareti. Le operazioni da compiere sono: Edit → Geometric Data (o cliccando sul relativo

tasto rapido).

Si aprirà quindi la finestra che permetterà l’inserimento dei dati, secondo i seguenti passaggi:

1. Inserimento del River Reach(es):

Dopo aver cliccato sul pulsante River Reach (Figura A9), si disegna il tratto (o la rete) fluviale da

studiare, tracciandone uno schema, anche non in scala, dal momento che i dati dimensionali verranno

inseriti successivamente.

N.B.: tracciare il tratto da monte verso valle (click singolo del mouse per i segmenti della linea, click

doppio per l’ultimo segmento).

Disegnato lo schema, apparirà una finestra in cui verrà chiesto di inserire il nome del River e del

Reach.

314

2. Inserimento delle sezioni trasversali

Per fornire tutti i dati relativi alle sezioni trasversali del corso d’acqua, sempre nella finestra generale

relativa alla geometria, si clicca su Cross Section (Figura A9).

Figura A9. Finestra generale dati geometrici

Si aprirà quindi la finestra in cui sarà possibile editare le caratteristiche delle varie sezioni; si

procederà quindi con l’inserimento delle singole sezioni (Options → Add a new cross section), che

dovranno essere numerate (River Station) in ordine crescente da valle verso monte.

A questo punto sarà possibile inserire tutte le informazioni richieste (Figura A10):

Cross section coordinates (x,z): si indicano le quote altimetriche (Elevation, z) corrispondenti ai

punti assegnati sul piano orizzontale (Station,x), desumibili dal rilievo topografico.

Figura A10. Inserimento dati relativi a ciascuna sezione

315

N.B.: le coordinate vanno inserite procedendo dalla sponda sinistra verso destra (in altri termini,

la sezione è rappresentata guardando verso valle).

Downstream reach lengths: si indica la distanza relativa della sezione rispetto a quella successiva

di valle. In particolare, poiché si considera la sezione trasversale costituita da due golene e alveo

centrale, si indica in LOB la distanza relativa alla golena di sinistra, in Channel la distanza relativa

al canale centrale, in ROB la distanza relativa alla golena di destra.

Sulla base di tale distinzione, la distanza di calcolo tra due sezioni successive viene calcolata come

una media ponderata rispetto alla frazione di portata che fluisce in golena sinistra, destra e nel

canale principale (Figura A11).

Figura A11

Manning’s values: si indicano i coefficienti di scabrezza di Manning relativi alle tre parti in cui è

suddivisa la sezione (l’Help fornisce informazioni relativamente ai valori da assegnare ad n).

Cont/Exp Coefficients: si indicano i coefficienti di contrazione/espansione:

Bank stations: si forniscono le ascisse iniziali e finali della parte di alveo considerata come canale

principale.

Dopo aver inserito tutti i dati relativi ad una sezione, si clicca su Apply data, in modo da renderli

effettivi. Si ripetono quindi le stesse operazioni per tutte le sezioni.

L’esperienza dimostra che per conseguire una soluzione numerica che rispecchi la realtà fisica del

flusso è necessaria un’informazione topografica costituita da sezioni trasversali allocate a distanza

inferiore a dieci volte la larghezza dell’alveo.

In assenza di un numero sufficiente di sezioni, HEC-RAS permette il calcolo automatico di sezioni

supplementari interpolando quelle fornite. L’interpolazione viene effettuata individuando cinque punti

caratteristici di tutte le sezioni che vengono preliminarmente congiunti rispettivamente tra loro, quali:

prima coordinata della sezione, limite sinistro del canale principale, punto di quota minima nel canale

principale, limite destro del canale principale, ultima coordinata della sezione. Gli altri punti di sezioni

successive vengono legati tra loro seguendo il criterio delle minime distanze.

Si può definire l’interpolazione automatica tra le sezioni fornite, andando sulla finestra generale della

geometria e cliccando su Tools XS → Interpolation, definendo una distanza minima tra due sezioni

316

consecutive (Interpolation between 2 XS’s) o per tutto il Reach (Interpolation By Reach), ottenendo

un risultato simile a quello mostrato in Figura A12.

Figura A12. Interpolazione sezioni

Tra le Options disponibili nella rappresentazione delle sezioni trasversali, HEC-RAS permette la

modellazione di Ineffective Flow Areas, Levees e Obstructions. Si analizzano di seguito il significato

fisico di tali opzioni e le operazioni da seguire per il loro inserimento nel modello.

Ineffective Flow Areas

Le Ineffective Flow Areas (Figura A13) sono utilizzate per modellare porzioni di sezione in cui può

essere presente dell’acqua, ma con velocità pari a zero: possono quindi essere pensate come delle

aree di ristagno.

Figura A13. Ineffective Flow Area

Tali aree sono tenute in conto ai fini del calcolo dei parametri idraulici (es. contorno bagnato), ma

non sono considerate “attive” ai fini del convogliamento dell’acqua; la loro attivazione avviene nel

momento in cui l’altezza idrica supera il valore limite impostato (definito da una coppia (Station,

Elevation)).

HEC-RAS distingue due tipologie: le Normal Ineffective Flow Areas e le Blocked Ineffective Flow Areas

(Figura A14); la distinzione tra le due consiste che le prime sono individuate da una coordinata (che

può essere collocata in destra, in sinistra o su entrambi i lati) e da un’altezza, mentre le seconde

sono descritte da triplette di (Coordinata iniziale (Start Sta), Coordinata finale (End Sta), Altezza

(Elev)) per ogni blocco individuato.

317

Figura A14. Normal e Blocked Ineffective Flow Areas

La Figura A15 mostra un esempio di inserimento di due Normal Ineffective Flow Areas in una sezione

trasversale.

Figura A15. Inserimento di Ineffective Flow Areas in HEC-RAS

Obstructions

Le Obstructions (Figura A16) sono utilizzate per modellare porzioni di sezione che sono

permanentemente bloccate, ma che non impediscono all’acqua di andare oltre di loro. Dal punto di

vista idraulico, producono una riduzione dell’area bagnata ed un aumento del contorno bagnato nel

momento in cui l’acqua viene in contatto con esse. Come le precedenti, sono distinte in Normal

Obstructions e Multiple Obstructions. La modalità di inserimento dei relativi dati è del tutto analoga

al caso precedente; si riporta in Figura A17 una schermata relativa all’inserimento di Multiple

Obstructions in una sezione trasversale.

318

Figura A16. Obstructions

Figura A17. Inserimento di Multiple Obstructions in HEC-RAS

Levees

L’introduzione dei Levees si rende necessaria in tutti quei casi in cui la monodimensionalità del

modello produce risultati non rappresentativi della realtà, come nel caso di Figura A18: senza

l’inserimento di tale opzione osserveremmo lo stesso livello idrico presente nella parte destra della

sezione anche nell’area golenale sinistra posta al di là dell’argine.

Il levee, simulato come se fosse un muro verticale, impedisce quindi all’acqua di andare oltre i limiti

fissati fintato che non viene sormontato.

Figura A18. Levee

319

Dal punto di vista computazionale tali elementi producono un aumento del contorno bagnato

(limitarne quindi l’altezza allo stretto necessario) nel momento in cui l’acqua viene in contatto con

essi.

La metodologia per l’introduzione di questa opzione è del tutto simile a quella descritta nei due casi

precedenti: in input vengono richieste la Station e l’Elevation del levee (che può essere posizionato

a sinistra, a destra o su entrambi i lati).

Una volta terminata l’introduzione dei dati geometrici, è necessario salvare il file .g01, andando nella

schermata generale della geometria: File → Save Geometry Data as → assegnare un nome al file

della geometria. (OSS.: si consiglia di salvare il file anche nel corso dell’inserimento dei dati).

Oltre alla metodologia “base” qui descritta, è possibile caricare i dati geometrici anche in altri modi,

dipendenti soprattutto dalla tipologia/formato dei dati che si hanno a disposizione. Come già

accennato, una seconda opzione può essere quella di agire direttamente sul file .g0, facendolo

compilare in modo automatico da uno script che legga i dati immagazzinati in altri files. Un’altra via

è quella di utilizzare le opzioni GIS presenti in HEC-RAS o il software HEC-geoRAS (si tratta in realtà

di una Toolbar di ESRI-ArcView), disponibile presso lo stesso sito; in quest’ultimo caso la condizione

necessaria è avere a disposizione dati georiferiti dell’area di interesse.

5.4.3 Introduzione Flow Data

La risoluzione dell’equazione dei profili richiede due tipologie di dati: la portata fluente nel tratto e

una profondità nota (condizione al contorno), posta a monte per corrente veloce, a valle per corrente

lenta. Qualora non sia noto a priori se il flusso avverrà interamente in corrente lenta, o interamente

in corrente veloce, è preferibile fornire la condizione al contorno sia a monte che a valle, per operare

in condizioni miste.

Per l’inserimento di tali dati, le operazioni da compiere sono (a partire dalla schermata

generale, Figura A7): Edit → Steady Flow Data (o cliccando sul relativo tasto rapido).

Si aprirà quindi la finestra che permetterà l’inserimento dei dati, secondo i seguenti

passaggi:

1. Inserimento dei dati di portata

Con riferimento alla Figura A19, selezionato il River e il Reach su cui si vogliono imporre i dati, si

indica la sezione nella quale si desidera introdurre un/più valore/i di portata, che viene confermata

mediante il comando Add a flow change location. Viene così aggiunta una riga all’elenco sottostante,

con l’apposito spazio per inserire il valore della portata. Il valore della portata fornito in una sezione

viene mantenuto costante nei calcoli per tutte le sezioni successive verso valle, fino ad una eventuale

sezione in cui viene definito un nuovo valore.

E’ possibile calcolare più profili in uno stesso Project, definendone il numero (non superiore a 25000)

nella schermata di Figura A19, alla voce Enter/Edit number of profiles.

2. Inserimento condizioni al contorno

In Reach boundary conditions (Figura A20) si definiscono le condizioni al contorno (selezionando la

posizione: monte/valle), per le quali HEC-RAS permette di scegliere fra quattro possibili opzioni:

Known W.S.: si fornisce il valore noto di altezza del pelo libero, indicato rispetto alla quota del

piano di riferimento assunto per le quote relative alle sezioni trasversali;

Critical depth: si assume come altezza del pelo libero l’altezza critica, automaticamente calcolata

per ogni profilo;

320

Normal depth: si assume come altezza del pelo libero l’altezza relativa al moto uniforme che il

programma calcola per ogni profilo; bisogna fornire in questo caso la pendenza della linea dei

carichi totali, che si può approssimare con la pendenza del tratto di canale a monte;

Rating curve: si fornisce la scala di deflusso relativa alla sezione considerata (curva altezza-

portata), attraverso la quale il programma procede mediante interpolazione per la determinazione

dell’altezza correlata.

Figura A19. Finestra generale per l’inserimento dei Flow Data

Figura A20. Finestra per l’inserimento delle condizioni al contorno

Una volta terminata l’introduzione dei dati idraulici, è necessario salvare il file .f01, andando su: File

→ Save Flow Data as → assegnare un nome al file dei Flow Data. (OSS.: si consiglia di salvare il file

anche nel corso dell’inserimento dei dati).

321

5.4.4 Run in moto permanente

Per l’avvio dell’analisi in moto permanente, dalla schermata generale di HEC-RAS si va

su Run → Steady Flow Analysis oppure si clicca sul relativo tasto rapido, cui seguirà

l’apparizione della finestra relativa al Plan (Figura A21). Qui è possibile definire il Plan

su cui si intende effettuare l’analisi, ovvero un progetto costituito da un insieme di dati

geometrici e di portata precedentemente definiti.

Figura A21. Schermata per l’analisi in moto permanente

Prima di far partire il calcolo si definisce il Flow Regime (corrente veloce, lenta o mista), verificando

che sia compatibile con le condizioni al contorno imposte (in caso contrario il programma fornirà un

messaggio di errore).

Tra le Options disponibili in questa schermata troviamo la scelta del metodo per il calcolo delle perdite

continue (Friction Slope Method) e dell’altezza critica (Critical Depth Computation Method), la

definizione delle tolleranze di calcolo (Set Calculation Tolerances); è opportuno scegliere l’opzione

per il calcolo dell’altezza critica su tutte le sezioni, andando su Critical Depth Output Options →

Critical Depth Always Calculated (in caso contrario il programma provvederà al calcolo di hc solo nei

casi in cui il numero di Froude è prossimo ad 1 o in cui non riesce a bilanciare l’equazione dell’energia

entro il numero massimo di iterazioni fissate).

Con Compute parte l’analisi che definisce il profilo idrico del corso d’acqua di cui sono stati forniti i

dati.

5.4.5 Visualizzazione dei risultati

HEC-RAS fornisce in output tutti i risultati della simulazione in una tabella riassuntiva con le principali

grandezze relative a tutte le sezioni (View → Profile Summary Table) e il dettaglio di ogni sezione e

delle tre zone in cui è divisa (View → Detailed Output Tables). Inoltre sono disponibili i grafici relativi

all’intero profilo (View → Water Surface Profiles), alle singole sezioni (View → Cross Sections) e una

vista tridimensionale dell’intero alveo (View → X-Y-Z Perspective Plot), oltre alla scala delle portate

per le singole sezioni (View → Rating Curves) ed ai grafici relativi all’andamento di una serie di

grandezze (View → General Profile Plot).

322

Figura A22. Profile Summary Table

Figura A23. Detailed output table

(Oss: i Warnings forniscono informazioni utili per apportare modifiche alla geometria)

323

Figura A24. Water Surface Profiles

Figura A25. Cross-sections

324

Figura A26. X-Y-Z Perspective Plot

Figura A27. Rating Curves

325

Figura A28. General Profile Plot

6. HEC – HMS

A cura dell’Ing. Scorzini Annarita

HEC- HMS è un software (disponibile sul sito www.hec.usace.army.mil , area download) progettato per

simulare i processi relativi alla trasformazione afflussi-deflussi di sistemi idrologici più o meno com-

plessi. È stato creato per essere applicabile a un campo di problemi idrologici più ampio possibile che

comprende lo studio dei deflussi provenienti sia da grandi bacini idrografici che da piccoli bacini

urbani o rurali, alla regolazione dei sistemi idraulici.

1. Moduli di una simulazione

La simulazione idrologica del software Hec-Hms, viene definita dalla combinazione di tre moduli:

Basin Model, Meteorologic Model e Control Specifications.

• Basin Model: data set per la rappresentazione fisica delle caratteristiche del bacino idrografico. Per

la simulazione della trasformazione afflussi-deflussi i singoli elementi idrologici sono connessi in una

rete ad albero. Gli elementi idrologici costituiscono i blocchi base dei modelli di bacino. Un elemento

rappresenta un’entità fisica che contribuisce a determinare la risposta del bacino alle precipitazioni

atmosferiche. Gli elementi disponibili in Hec-Hms sono: subbasin (sottobacino), reach (tratto di corso

d’acqua), junction (punto di confluenza), reservoir (invaso), diversion (diramazione), source (sor-

gente) e sink (pozzo).

Un sistema fluviale semplice può essere descritto da un elemento subbasin, che identifica il bacino

idrografico, confluente in un elemento junction, che ne identifica la sezione di chiusura. Inoltre oc-

corre costruire una rete, stabilendo una connessione tra i due elementi idrologici, in modo da fissare

la direzione del deflusso dell’acqua dal sottobacino al punto di confluenza. Il subbasin costituisce un

326

elemento che generalmente non ha alcuna portata in ingresso ed è caratterizzato da un idrogramma

dei deflussi in uscita.

• Meteorologic Model: calcola il deflusso in uscita da ogni sottobacino a partire dai dati sulle precipi-

tazioni atmosferiche. I processi idrologici vengono distinti in tre categorie: perdite di bacino, trasfor-

mazioni afflussi-deflussi e deflussi di base. Una parte delle precipitazioni, che raggiunge la superficie

del bacino idrografico, s’infiltra nel suolo e si trasforma in deflusso di base per il corso d’acqua,

oppure rimane nel sottosuolo, unendosi alle acque sotterranee.

Tutti i processi di infiltrazione vengono rappresentati con un metodo matematico di calcolo delle

perdite (loss method). La parte di precipitazione che non si infiltra si trasforma in deflusso superficiale

ed in deflusso sub superficiale negli strati superiori del suolo, raggiungendo così i corsi d’acqua del

bacino idrografico e quindi la sezione di chiusura. Tutti i processi fisici che compongono la trasfor-

mazione afflussi-deflussi vengono rappresentati attraverso metodi di trasformazione (transform me-

thod) basati sulla propagazione superficiale dei deflussi idrici. Il contributo delle acque sotterranee

ai deflussi superficiali viene considerato tramite i deflussi di base, considerati con metodi di calcolo

appositi (baseflow method). La junction può avere uno o più idrogrammi in ingresso e ne ha uno solo

in uscita. In corrispondenza di questo tipo di elemento si ha la semplice somma dei deflussi in in-

gresso, senza considerare l’effetto dell’invaso in corrispondenza del punto di confluenza.

• Control Specifications : specificati la data, l’ora d’inizio e fine simulazione e l’intervallo temporale

di calcolo, si analizza il fenomeno della trasformazione afflussi-deflussi. I risultati della simulazione

idrologica possono variare da 1 minuto a 24 ore.

2. Le perdite di bacino

Tutta la superficie di un bacino idrologico può essere classificata in due categorie: superficie imper-

meabile direttamente connessa o superficie permeabile.

La superficie impermeabile direttamente connessa rappresenta l’area del bacino per cui la precipita-

zione caduta si trasforma direttamente in deflusso superficiale, senza nessun tipo di perdite. Le pre-

cipitazioni che cadono sulla parte permeabile del bacino sono invece soggette a perdite. Tutte le

aree impermeabili direttamente connesse di un sottobacino vengono specificate, in Hec-Hms, come

percentuale dell’area totale del bacino idrografico.

La precipitazione efficace relativa alle aree permeabili viene computata con i metodi di calcolo delle

perdite. Il bacino può considerarsi tutto permeabile, quindi, tutto soggetto a perdite, affidando ad un

metodo di calcolo delle perdite la valutazione della precipitazione efficace.

In Hec-Hms è possibile utilizzare diverse opzioni per il calcolo delle perdite per infiltrazione:

deficit and constant (deficit iniziale - tasso d’infiltrazione costante); deficit and constant distribuito;

initial and constant (perdite iniziali - tasso d’infiltrazione costante); Exponential; Green & Ampt; Green & Ampt distribuito; SCS Curve Number distribuito;

SCS Curve Number; Smith Parlange; SMA (Soil Moisture Accounting).

Ognuno dei metodi citati fa riferimento ad un particolare modello d’infiltrazione delle acque nel ter-

reno, pertanto richiede in input dati specifici (Tabella I – per maggiori approfondimenti è possibile

riferirsi allo User’s Manual), diversi per ogni metodo, che permettono di effettuare la simulazione. I

modelli a parametri distribuiti prevedono l’inserimento dei dati in input per ogni maglia di una griglia

specificati in un file apposito (gricell file). Quasi tutti i loss methods richiedono parametri di non

semplice determinazione: da questo punto di vista, è evidente che il metodo SCS Curve Number è il

327

più accessibile, data la semplice reperibilità delle informazioni che occorrono alla determinazione del

parametro CN (caratteristiche geopedologiche e litologiche dei terreni costituenti il bacino idrogra-

fico). Per il metodo SCS Curve Number, Hec-Hms determina le altezze di pioggia efficaci a partire

dall’altezza di pioggia totale cumulata e dall’altezza di pioggia efficace cumulata calcolata ad ogni

passo temporale della simulazione idrologica. I parametri richiesti sono le perdite iniziali (initial loss)

in mm, calcolate come 0,2×S (parametro indice del fenomeno d’infiltrazione) ed il valore di CN.

Tabella I

Metodo Parametri richiesti in input

Deficit and

constant

Altezza massima d’invaso nello strato di terreno considerato

Capacità d’invaso a disposizione all’inizio della saturazione

Tassi di recupero della capacità di invaso

Percentuale area impermeabile del bacino

Initial and

constant

Perdite iniziali

Tasso d’infiltrazione

Percentuale area impermeabile del bacino

Exponential

Deficit di umidità antecedente del terreno

Coefficiente iniziale del tasso d’infiltrazione

Esponente della curva di possibilità pluviometrica

Percentuale area impermeabile del bacino

Green & Ampt

Perdite iniziali

Contenuto d’acqua a saturazione

Potenziale di suzione del fronte umido

Conducibilità idraulica a saturazione

Percentuale area impermeabile del bacino

SCS

Curve Number

Perdite iniziali

Parametro CN del bacino

Percentuale area impermeabile del bacino

Smith

Parlange

Contenuto d’acqua iniziale

Contenuto d’acqua finale

Contenuto d’acqua a saturazione

Potenziale di suzione del fronte umido

Distribuzione della pori

Conducibilità idraulica

Percentuale area impermeabile del bacino

Coefficiente correttivo funzione della temperatura

Soil Moisture

Accounting

Intercettazione da parte della copertura vegetale

Depressioni superficiali

Acque comprese nella zona di aerazione

Acque sotterranee negli acquiferi più superficiali

Acque sotterranee negli acquiferi più profondi

Percentuale area impermeabile del bacino

È possibile inoltre tenere conto delle perdite per:

Immagazzinamento nelle depressioni superficiali (selezione del Surface Method);

Intercettazione da parte delle piante (selezione del Canopy Method)

328

3. La trasformazione afflussi-deflussi

L’aliquota di precipitazione che non viene coinvolta nelle varie perdite idrologiche e la pioggia che

cade sulle aree impermeabili costituiscono la precipitazione efficace. Questa dà origine allo scorri-

mento superficiale e muovendosi attraverso il bacino idrografico verso la sezione di chiusura, genera

l’idrogramma di piena. Per calcolare il deflusso superficiale risultante dalla precipitazione efficace,

Hec-Hms può far ricorso a sei diversi metodi di trasformazione afflussi-deflussi: il metodo cinematico,

(Kinematic Wave), il metodo quasi distribuito ModClark, ed una serie di metodi basati sulla teoria

dell’idrogramma unitario, ovvero il metodo di Clark, il metodo SCS e il metodo Snyder, accanto alla

possibilità per l’utente di specificare un proprio idrogramma unitario. In generale l’idrogramma uni-

tario, indicato con la sigla inglese UH (Unit Hydrograph), è la risposta impulsiva, in uscita da un

bacino, provocata dall’ingresso di un volume unitario, di durata unitaria Δt (impulso rettangolare).

4. L’analisi dei dati meteorologici

Come detto, l’analisi dei dati meteorologici viene eseguita tramite il modulo Meteorologic Model, che

include i dati sulle precipitazioni e sull’evapotraspirazione. Per quanto riguarda le precipitazioni, in

Hec-Hms sono disponibili sette differenti metodi di analisi, con possibilità di ricostruire eventi storici

e generare ietogrammi sintetici, e tre per l’evapotraspirazione.

Per la definizione di ietogrammi sintetici, in Hec-Hms sono disponibili tre diverse opzioni: il metodo

Frequency Storm usa dati di pioggia elaborati statisticamente per creare uno ietogramma a blocchi

alternati, con un determinato tempo di ritorno; il metodo Standard Project viene utilizzato per le

generazione della Standard Project flood; il metodo User-Specified Hyethograph può essere utilizzato

per immettere uno ietogramma di progetto predefinito dall’utente. Tra le tre alternative quella più

adatta e di immediata applicazione è lo User-Specified Hyethograph.

4.1 Costruzione dello ietogramma

A partire dalla curve di possibilità pluviometrica per ogni tempo di ritorno, lo ietogramma viene

costruito seguendo una procedura semiempirica, secondo la quale il massimo della pioggia si verifica

a metà della sua durata: si procede quindi dividendo il tempo di pioggia in n intervalli e discretizzando

la curva di possibilità pluviometrica con una curva a gradini (Figura 1).

Il tempo di pioggia tp si pone pari al tempo di corrivazione, in modo da ottenere il massimo della

portata al colmo, poiché, quando la durata di pioggia è pari al tempo di corrivazione, tutti i punti

della superficie del bacino idrografico contribuiscono alle piene.

Della curva a gradini si utilizzano i valori dell’altezza di pioggia relativa al primo intervallo e di tutti

gli scalini, intesi come differenza tra due altezze di pioggia successive.

Sullo ietogramma si riporta la prima altezza di pioggia a metà della durata tc/2, per rappresentare il

picco della precipitazione, e i valori degli scalini, man mano che diminuiscono di altezza, a destra e

a sinistra del picco centrale.

Per l’immissione dei dati di input in Hec-Hms occorre definire, per ogni valore del tempo di ritorno,

delle stazioni pluviometriche (precipitation gage).

A tali stazioni fittizie è associato uno ietogramma, che descrive una precipitazione valida per tutti i

punti del bacino. Pertanto ad ogni precipitation gage deve essere associato un subbasin.

Nella shell di acquisizione dati relativi alle precipitation gages, occorre inserire data e ora d’inizio e

fine misurazione e l’intervallo di discretizzazione, poiché Hec-Hms associa ad ogni stazione pluvio-

metrica un solo evento di pioggia.

329

Figura 1

Infine l’immissione dei dati, relativi alle ordinate dello ietogramma, si effettua in una finestra in cui

il programma riporta già le scansioni temporali di durata prescelta.

5. Simulazione della trasformazione Afflussi-Deflussi

L’intervallo temporale in cui si analizza il fenomeno della trasformazione afflussi-deflussi viene con-

trollato dai dati immessi dall’utente nel modulo Control Specifications.

In esso vengono specificati la data e l’ora d’inizio e fine simulazione e l’intervallo temporale di calcolo.

Quest’ultimo determina la risoluzione dei risultati della simulazione idrologica e può variare da 1

minuto a 24 ore.

La data e l’ora d’inizio della simulazione coincidono con quella delle osservazioni pluviometriche. La

data finale viene posta in maniera tale da permettere all’onda di piena di esaurirsi. Conviene adottare

un intervallo di calcolo in conformità all’intervallo fissato per la costruzione dello ietogramma di piog-

gia.

Anche i risultati della simulazione idrologica vengono riportati con riferimento a tale intervallo, con

eventuale interpolazione lineare dei risultati degli elementi idrologici che hanno effettuato i loro calcoli

con diverso passo.

Esempio 24 . Idrogrammi di progetto per il bacino del Torrente Raio

Di seguito verrà seguito passo-passo il procedimento per la determinazione degli idrogrammi di piena

con Hec-Hms per il bacino del Torrente Raio.

I dati relativi al bacino idrografico, da implementare nel software, a fini della simulazione idrologica

sono:

• Superficie del bacino A=192.08 km2;

• parametro CN=78;

• perdite iniziali Ia = 0.2 · S= 0,2 · 72.99 = 14.6 mm;

• percentuale del bacino impermeabile = 0 %;

• tempo di corrivazione = 4.78 ore;

• tempo di ritardo del bacino tlag = 0.6· 4.78 = 2.86, ore pari a circa 172 minuti

(il tempo di ritardo è posto pari al 60 % del tempo di corrivazione e rappresenta la distanza temporale

tra il centro dello ietogramma e il picco dell’idrogramma risultante).

I dati di pioggia utilizzati corrispondono alle leggi di possibilità pluviometrica, riassunte nella seguente

Tabella I, determinate a seguito di regionalizzazione dell’informazione pluviometrica.

Tabella I

330

Tr a n

20 37.3 0.319

50 44.0 0.308

100 49.1 0.301

200 54.1 0.295

500 60.7 0.289

Creazione del progetto

Per definire un nuovo progetto si seleziona dalla barra dei menu File → New Project. Nella shell New

Project (Figura 2) viene richiesto di introdurre il nome del progetto, es. “Raio” , (con eventuale

descrizione nello spazio apposito) e di indicare la directory in cui si desidera salvare i relativi files.

Figura 2

Affinché il software possa eseguire la simulazione, dovranno essere immessi in input i dati neces-

sari per le tre componenti:

Basin Model Meteorologic Model

Control Specifications.

Basin Model

Le caratteristiche del bacino idrografico vengono configurate accedendo al Basin Model Manager (se-

lezionando dalla barra dei menu Components → Basin Model Manager → New → Introduzione del

nome del bacino (Figura 3)).

La conferma sul comando Create genera nella parte sinistra della schermata (tra le Components)

una cartella denominata Basin Model (Figura 4 – “1”).

L’apertura di tale cartella e la selezione del bacino appena introdotto (Figura 4 – “1”) attiva la finestra

principale sulla destra in cui si andrà a schematizzare il bacino; nel caso in esame, il Bacino del

Torrente Raio è completamente definito da un elemento Subbasin (bacino idrografico) e un elemento

Junction (sezione di chiusura bacino).

Si seleziona quindi l’icona Subbasin (Figura 4 – “2”), presente nella barra degli strumenti in alto, e

la si posiziona nell’area di visualizzazione (verrà chiesto di inserire un nome identificativo dell’ele-

mento, es. “Raio”) ; si ripete la stessa operazione anche per l’elemento Junction (Figura 4 – “3”).

Successivamente, si clicca con il tasto destro del mouse sul Subbasin appena inserito e si seleziona

Connect Downstream spostando il cursore sull’elemento Junction (Figura 4 – “4”).

331

Figura 3

Figura 4

La parte in basso a sinistra dello schermo è quella predisposta per l’inserimento di tutti i parametri

necessari per le componenti costituenti il progetto.

Selezionato quindi l’elemento Subbasin, si vanno ad impostare le caratteristiche del bacino, operando

nella finestra riportata in Figura 5.

332

Figura 5

Nella prima cartella Subbasin:

si inserisce il valore dell’area del bacino: 192,08 km2;

si sceglie il metodo per il calcolo delle perdite per intercettazione (Canopy method) → None (tra-

scuriamo tali perdite);

si sceglie il metodo per il calcolo delle perdite per immagazzinamento nelle depressioni superficiali

(Surface Method) → None (trascuriamo tali perdite);

si sceglie il metodo per il calcolo delle perdite per infiltrazione (Loss Method) → SCS Curve Num-

ber;

si sceglie il metodo di trasformazione afflussi-deflussi (Transform Method) → SCS Unit Hydro-

graph;

si sceglie se tenere conto del deflusso di base ed eventuale relativo metodo di calcolo (Baseflow)

→ None (trascuriamo tale contributo).

In funzione delle scelte effettuate, si attiveranno delle altre cartelle per l’inserimento dei parametri

necessari per ciascun metodo; nel caso in esame, dovranno essere completate le cartelle Loss e

Transform (Figura 6).

In Loss vengono richieste in input:

le perdite iniziali (Initial Loss): Ia → 14,60 mm;

il Curve Number del bacino: CN → 78;

la percentuale di area impermeabile del bacino: (Impervious) → lasciare il valore 0,0.

Nella seconda cartella Trasform deve essere inserito il valore del tempo di ritardo (Lag time), pari a

172 minuti.

333

Figura 6

Immissione dei dati di pioggia

Per l’immissione dei dati di pioggia, si seleziona dalla barra dei menu Components → Time-series

data manager. Viene aperta una finestra in cui viene richiesto il tipo di dato (selezionare Precipitation

Gages → New ) e un nome da associargli, es. Tr=20anni per il primo ietogramma (Figura 7).

Figura 7

Nella finestra delle componenti appare quindi una cartella denominata Time-Series Data (Figura 8),

dalla quale è possibile editare le caratteristiche dei singoli eventi pluviometrici.

334

Figura 8

Una volta selezionato il Precipitation Gage appena inserito, devono essere indicate nella finestra in

basso a sinistra della schermata (Figura 8) le seguenti opzioni:

Data Source → Manual Entry;

Units → Incremental Millimeters;

Time interval → 15 Minutes.

Nella cartella seguente (Time Window) si inserisce la data e l’ora d’inizio e fine pioggia: es.

01gen2000 ore 00:00 e 01gen2000 ore 04:45.

Successivamente, nella cartella Table, è possibile inserire i dati di pioggia relativi al tempo di ritorno

in esame, in un ordine tale da descrivere uno ietogramma sintetico con il massimo al centro (adot-

tando la procedura di cui in Figura 1); il grafico dello ietogramma appena introdotto può essere

visualizzato cliccando su Graph (Figura 9).

Figura 9

OSS.: I dati da inserire in input nella tabella del Data Editor, per i vari tempi di ritorno, sono le altezze

di pioggia incrementali, ricavate dalle già citate leggi di possibilità pluviometrica, relative a intervalli

temporali interi scelti in modo consono alla lunghezza del fenomeno idrologico (nel caso specifico 15

minuti, pari a 0.25 di ora). Nella Tabella II è riportato, a titolo esemplificativo, il calcolo dello ieto-

gramma in input per Tr pari a 20 anni.

335

Tabella II

t

[ore]

h= a · tn

[mm]

hincrem

[mm]

Ietogramma h

[mm]

0

0.25

0.5

0.75

1.00

1.25

1.5

1.75

2.00

2.25

2.5

2.75

3.00

3.25

3.5

3.75

4.00

4.25

4.5

4.78

0

23.97

29.90

34.03

37.30

40.05

42.45

44.59

46.53

48.31

49.96

51.51

52.96

54.32

55.62

56.86

58.05

59.18

60.27

61.44

0

23.97

5.93

4.13

3.27

2.75

2.40

2.14

1.94

1.78

1.65

1.54

1.45

1.37

1.30

1.24

1.18

1.13

1.09

1.17

0

1.09

1.18

1.30

1.45

1.65

1.94

2.40

3.27

5.93

23.97

4.13

2.75

2.14

1.78

1.54

1.37

1.24

1.13

1.17

Si ripetono quindi, per tutti i tempi di ritorno, le operazioni appena descritte, al fine di poter simu-

lare tutti gli eventi.

Meteorologic model

Gli ietogrammi inseriti attraverso la procedura appena descritta devono essere associati a dei relativi

modelli meteorologici. Si seleziona quindi dalla barra dei menu Components → Meteorologic model

data manager e si crea un nuovo modello meteorologico, cui si dà nome ad es. “Ietogramma Tr20”.

Nella finestra delle componenti appare quindi una cartella denominata Meteorologic Models (Figura

10), da cui è possibile accedere all’editor nella parte in basso a sinistra della schermata.

Cliccando sul nome del modello meteorologico appena inserito (Ietogramma Tr20), si selezionano

nella cartella Meteorology Model i campi (Figura 10):

Precipitation → Specified Hyetograph;

Evapotraspiration → None (trascuriamo il contributo evapotraspirativo);

Snowmelt → None (trascuriamo il contributo dovuto allo scioglimento delle nevi).

Nella successiva cartella Basin (Figura 10) si sceglie nel menu a tendina Include Subbasin -> Yes.

Altresì, selezionando dalla finestra delle componenti Specifcied Hyetograph (Figura 11), deve essere

associato al modello meteorologico il relativo ietogramma. Tali operazioni vanno ripetute per tutti i

tempi di ritorno in considerazione.

336

Figura 10

Figura 11

Control specifications

Dalla barra dei menu si seleziona infine il terzo modulo Control Specifications Manager → New. Una

volta inserito un nome, nella finestra delle componenti appare una cartella denominata Control Spe-

cifications (Figura 12), dalla quale è possibile editare i dati temporali che caratterizzano la durata

dell’onda di piena.

Figura 12

Si definiscono quindi la data e l’ora di inizio e fine dell’evento e la scansione temporale:

Start Date → 01gen2000;

Start Time → 00:00;

End Date → 02gen2000;

337

End Time → 00:00;

Time interval → 15 Minutes.

Esecuzione del run

A questo punto tutte le componenti necessarie per la simulazione dell’evento sono complete. È quindi

possibile procedere alla creazione del Run, accoppiando il Basin Model, il Meteorological Model e le

Control Specifications: si seleziona dalla barra dei menu Compute → Create simulation run → si sele-

zionano le componenti relative al processo idrologico che si vuole simulare.

Nella finestra in alto a sinistra, nella cartella Compute, viene riportato quindi il Run appena creato.

Figura 13

Per avviare la simunazione si clicca sull’icona nel barra degli strumenti in alto; viene visualiz-

zata la barra di stato che controlla il progredire della simulazione numerica e, una volta raggiunto il

100%, si clicca Close.

Si procede con le operazioni appena descritte per tutti i tempi di ritorno, selezionando per ciascuno

il relativo modello meteorologico nella rispettiva lista della finestra Create Simulation Run.

I risultati sono visualizzabili nella cartella Results (Figura 14a), selezionando l’icona dell’elemento

(Subbasin/Junction) (Figura 14b).

a) b)

Figura 14

338

Si riportano di seguito, a titolo esemplificativo, gli idrogrammi ottenuti per tempi di ritorno pari a 20,

50 e 100 anni.

Figura 15. Idrogramma e Summary Table per l’evento Tr 20 anni

Figura 15. Idrogramma per l’evento Tr 50 anni

339

Figura 16. Idrogramma per l’evento Tr 100 anni

Esempio 31. Opere contenitrici - Argini longitudinali

Per l’identificazione della massima portata di piena defluente in prossimità dell’area urbana, eviden-

ziata nella seguente Figura, è stato fatto riferimento a misure dirette di portata registrate in tre

stazioni distribuite lungo il fiume Aterno, site in località: Tre Ponti, L’Aquila e Molina.

A .confluenza con il T. Raio B. confluenza con il T. Vetoio C. stazione di misura delle portate a L'Aquila

Figura 1. Planimetria

Volendo definire una soluzione

progettuale per mettere in sicurezza l’area urbana, utilizzando l’ortofotocarta, vengono rilevate le

presenze di insediamenti e di attività antropiche che verranno sovrapposte alla carta delle aree inon-

dabili. Per la successiva fase di programmazione delle opere di mitigazione del rischio è necessaria

una conoscenza, attraverso un rilievo topografico del tronco di interesse, del profilo di fondo, delle

sezioni trasversali critiche sia per la linea dei cigli che per la riduzione di pervietà dell’alveo.

340

Figura 2. Ortofotocarta

Dall’esame dell’andamento planimetrico del fiume e del profilo longitudinale dell’alveo si rileva uno

sviluppo abbastanza omogeneo con pendenze di fondo uniformi.

Suddivisa l’asta fluviale in tratti omogenei sono state rilevate cinque sezioni significative dal cui

esame si evince l’alveo di modellazione, o di bank full, generalmente corrispondente alla piena ordi-

naria, ai fini esplicativi dell’esempio questa portata verrà stimata in corrispondenza della parte mag-

giormente incassata delle sezioni trasversali .

341

Figura 3

Successivamente, note le caratteristiche geometriche delle sezioni 1-5, nell’ipotesi di corrente in

regime turbolento uniforme, sono state calcolate le altezze di moto uniforme e l’altezza critica alle

portate di modellazione o di “bank full” ed alla massima portata al colmo Q200=177 m3/s

Nelle Tabelle 1-5 , per ciascuna sezione, sono riportati i dati necessari per la determinazione delle

funzioni Q=f(h) ed mhf necessarie per stabilire il regime di corrente che, per tutte le sezioni,

si evidenzia lenta. La simbologia adottata è riportata nella Figura 4

Figura 4

342

Tabella 1

343

Tabella 2

344

Tabella 3

345

Tabella 4

346

Tabella 5

347

Nella Figura 5 sono riportate, nelle singole sezioni, le altezze di moto uniforme alle portate di mo-

dellazione o di “bank full”, alla portata di verifica e per questa anche l’altezza critica (linea tratto-

punto).

Figura 5

La soluzione progettuale per contenere le esondazioni nella zona di interesse possono riguardare la

realizzazione di arginature delimitando e centralizzando l’alveo di “bank full” con golene secondo la

sezione tipo riportata nella Figura 6.

Figura 6.

Nelle successive Tabelle 6- sono riassunti tutti i valori necessari per il dimensionamento delle sezioni

progettate.

348

Tabella 6

349

Tabella 7

350

Tabella 8

351

Tabella 9

352

Tabella 10