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IL RISCHIO IDRAULICO NEI PICCOLI BACINI NON STRUMENTATI: SOLUZIONI GIS PER LA MODELLAZIONE IDRAULICA BIDIMENSIONALE

Relazione finale dell’attività di tirocinio

Ing. Fabrizia Fiumara matr.1253238

Tutor: Ing. Fernando Nardi Ente IDRAN Ingegneria e tecnologia S.r.l.

Centro di Ricerca CERI Previsione, Prevenzione e Controllo dei Rischi Geologici Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Master di II livello in

Analisi e Mitigazione del Rischio Idrogeologico Direttore: Prof.ssa Francesca Bozzano a.a. 2015-16

Fabrizia Fiumara Il rischio idraulico nei piccoli bacini non strumentati: soluzioni GIS per la modellazione idraulica bidimensionale

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Il rischio idraulico nei piccoli bacini

Frequenti esondazioni del reticolo secondario

I bacini secondari coprono il 42.11% della superficie nazionale di cui il 52.2 % ha

un’estensione < ai 500 km2

L’urgenza di definire un quadro della pericolosità idraulica del reticolo secondario si scontra con : : Assenza di stazioni di misura idrometrica Rete di pluviometri spesso insufficiente Notevole incertezza

Brevi tempi di risposta

Bassa capacità di drenaggio in ambiente urbano a causa dell’ aumento delle

superfici impermeabili e della presenza di attraversamenti con sezioni

insufficienti

Precipitazioni intense


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Nei piccoli bacini la modellazione con una scala troppo grande perde di senso, non essendo

supportata da informazioni dettagliate

Non esistono linee guida generali per lo studio idrologico-idraulico dei piccoli bacini ma solo proposte sperimentali specifiche per i diversi contesti idro-geomorfologici e climatici. (ABT,2014)

Sviluppo GIS + DTM sempre più accurati

Modelli idraulici 2D Scelta della scala spaziale compromesso tra costo computazionale e accuratezza dei risultati

Modelli geomorfologici per la stima degli idrogrammi di piena sempre più efficaci,

soprattutto se integrati in codici di simulazione numerica 2D

Sviluppare una metodologia applicabile su larga scala per lo studio idraulico dei piccoli bacini non strumentati italiani combinando le potenzialità del codice di calcolo idraulico FLO-2D

con modelli idro-geomorfologici integrati in ambiente GIS


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Dati

• 35 sezioni topografiche (formato file di testo)

• 12 prospetti di manufatti (formato *dwx) • 2 shapefile, uno relativo alle sezioni ed uno

relativo alle opere, entrambi definiti nel sistema di rappresentazione WGS84-UTM33N

Fonte ABT 2014 -“Aggiornamento del piano di assetto idrogeologico del reticolo secondario di Roma capitale”.

• 48 sezioni topografiche dell’area valliva in formato *dwx rilevate per uno studio idraulico condotto nel 1999

(Fonte Autorità di Bacino del fiume Tevere) • file KMZ contenente la traccia delle sezioni nel

sistema di riferimento WGS84;

DTM della CTRN-5K, risoluzione a 5 m


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Metodologia Modellazione idrologica acquisita dal PS5 ABT 2014

1. Discretizzazione del bacino in sottobacini

2. Stima del tempo di corrivazione per ogni sottobacino

3. Calcolo dello ietogramma lordo di progetto

4. Analisi delle perdite idrologiche per la stima dello ietogramma netto

5. Applicazione del WFIUH per la stima dell’idrogramma di progetto

Determinazione della geometria rettangolare equivalente del canale

Modellazione preliminare in HEC-RAS

Trasferimento della geometria da HEC-RAS a FLO-2D

Simulazioni di eventi sintetici e reali

Post processing dei risultati per l’analisi comparativa con il modello di riferimento FLO-2D a 20m (PS5 ABT 2014)

Modellazione idraulica bidimensionale in FLO-2D


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Il bacino del Rio Galeria

• Superficie del bacino 158 km2

• Lunghezza asta 38.5 km

• Altitudine media 95 m.s.l.m

Affluente in destra idrografica del

fiume Tevere

Uso del suolo:

81% A aree verdi

19% aree urbanizzate


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Modellazione preliminare in HEC-RAS (I)

Definizione del reticolo idrografico mediante terrain analysis

(correzione delle depressioni, stima delle direzioni di deflusso, stima delle aree contribuenti per ogni cella)

Pre-processing in ArcGIS

Estrazione delle informazioni planimetriche ed altimetriche del Rio Galeria attraverso

l’estensione HEC-GeoRAS.


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Modellazione preliminare in HEC-RAS (II)

• Correzione delle sezioni

estratte dal DTM

• Inserimento di ponti e tombini

• Sistemazione delle banks

• Riprofilatura del thalweg

0 50 100 150 200 250 300 35060

65

70

75

80

85

90

95RS=22900.72Upstream (Culvert)

Elev

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(m)

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0 50 100 150 200 250 300 35060

65

70

75

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90

95RS=22900.72Downstream (Culvert)

Station (m)

Elev

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(m)

16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000

-20

0

20

40

60

80

100

120

pr_12_12 Plan: Plan 01 2/22/2017

Main Channel Distance (m)

Ele

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GA

L_S

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9

GA

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8

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6

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4

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GA

L_S

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1

GA

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GA

L_A

T10_

SE

Z01

RIO_GAL Rio_Galeria


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Impostazione del modello in FLO-2D

Importazione del DTM ‘’alleggerito’’ Definizione della grid 100 m Definizione del dominio di calcolo Delineazione manuale del canale

Operazione eseguita in maniera automatica in ArcGIS intersecando lo

shapefile della griglia di calcolo con l’asta principale, attraverso il data management

tool “Feature to line”.

Correzione delle lunghezze


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Determinazione della geometria rettangolare equivalente

La stima delle profondità e delle larghezze può essere condotta per tratti fluviali omogenei in termini di area bagnata, simulando in moto permanente la propagazione di portate tali da lambire i cigli spondali: note la capacità massima della sezione naturale e la profondità massima, si ricava la larghezza equivalente.


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Infrastrutture idrauliche

Definizione delle scale di deflusso Modellazione in HEC-RAS delle singole opere 17 strutture 13 progetti su tratti di 500m Inserimento delle Ineffective flow area per riprodurre l’effetto della griglia in FLO-2D e limitare l’analisi su sezioni di 100m

FLO-2D simula la presenza di un ponte regolando il deflusso secondo la scala delle portate che può essere ricavata utilizzando un codice di calcolo di supporto come HEC-RAS.

Inserimento di argini per simulare l’effetto del rilevato (es. Ferrovia)


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….Simulazioni

1) Evento di progetto con tempo di ritorno Tr = 200 anni

2) Evento di piena del 31 gennaio 2014

Precipitazioni diffuse e intense su tutto il Lazio tra il 31/01 e il 03/02/2014

Allagamento dello stabilimento AMA

in località Ponte-Malnome

• Simulazione in FLO-2D 100m • Simulazione 1D in HEC-RAS; analisi in moto vario


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Post Processing

Gli shapefile generati sono stati sottoposti a post processing per riportare

in ambiente GIS i risultati alla stessa risoluzione e renderli così confrontabili

1. Omogeneizzazione dei dati vettoriali e

raster (WGS84 – UTM zone 33N).

2. 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.

3. Elaborazione del WSE in formato raster con risoluzione di 5m attraverso l’utilizzo di un metodo di interpolazione Kriging.

4. Dai dati raster della WSE, elaborati per ciascun modello e per ciascun evento, è stato possibile ricavare strati informativi raster dei tiranti idrici


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Evento sintetico Tr 200 anni

• si possono osservare differenze di tirante notevoli in corrispondenza della zona fociva imputabili alla presenza di condizioni al contorno troppo ravvicinate nel modello a 100m;

• nel complesso le differenze di tirante sono inferiori in valore assoluto a 50 cm.

Analisi dei due modelli in FLO-2D


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Selezionare per scrivere o eliminare il sottotitolo

Evento di piena reale


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Evento di piena reale

Nella comparazione tra i due modelli in FLO-2D va escluso dall’analisi il canale,

avendo considerato nel calcolo delle differenze lo strato informativo relativo al tirante e non alla WSE dato che non è

stato fornito.

FLO-2D 100m

HEC-RAS FLO-2D 20 m

Aree allagate: Sud e centro

Aree allagate: Sud e centro

Aree allagate: Sud

No allagamento presso la foce

No canale nell’analisi

II valori delle differenze di tirante sono mediamente inferiori a 50 cm


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Conclusioni..

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.

La minore complessità di costruzione del modello e i minori costi richiesti potrebbero permettere un aggiornamento periodico più frequente del modello per revisionare il quadro conoscitivo secondo le continue modifiche del territorio.

L’efficacia dell’approccio proposto è limitata al campo di applicazione della mappatura delle aree inondabili.

Fabrizia Fiumara Pagina 18 Il rischio idraulico nei piccoli bacini non strumentati: soluzioni GIS per la modellazione idraulica bidimensionale

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Ing. Fabrizia Fiumara

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