ANNO ACCADEMICO LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA … · 2017-06-01 · anno accademico 2015‐2016...

ANNO ACCADEMICO 2015‐2016

LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE PER LA

PROTEZIONE DAI RISCHI NATURALI

RELAZIONE DI FINE TIROCINIO

IL SOFTWARE HEC‐HMS: APPLICAZIONE AL BACINO

DEL TEVERE

Docente: Prof.ssa Elena Volpi

Studente: De Salvo Stefano (matricola 428811)

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Sommario1. PREMESSA ................................................................................................................................................. 3

2. INTRODUZIONE .......................................................................................................................................... 3

3. METODOLOGIA .......................................................................................................................................... 5

3.1 BASIN MODEL ........................................................................................................................................ 5

3.1.1. SUBBASIN ........................................................................................................................................... 6

3.1.1.1. MODELLI DI PERDITA ..................................................................................................................... 6

3.1.1.2. TRANSFORM METHOD ................................................................................................................ 11

3.1.2. REACH .............................................................................................................................................. 17

3.1.2.1. ROUTING METHOD ...................................................................................................................... 18

3.1.3. ULTERIORI ELEMENTI ....................................................................................................................... 19

3.2. METEOROLOGICAL MODELS ................................................................................................................ 20

3.3. CONTROL SPECIFICATIONS .................................................................................................................. 20

3.4. TIME – SERIES DATA ............................................................................................................................ 20

4. CASO DI STUDIO: TEVERE ALLA STAZIONE IDROMETRICA DI SANTA LUCIA............................................ 21

4.1. INQUADRAMENTO TERRITORIALE ....................................................................................................... 21

4.2. PROCEDIMENTO .................................................................................................................................. 22

4.3. RISULTATI ............................................................................................................................................. 24

5. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ........................................................................................................... 24

6. RIFERIMENTI ............................................................................................................................................ 25

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1. PREMESSA

La seguente relazione descrive le attività effettuate e finalizzate allo svolgimento della tesi di

laurea, con riferimento all’acquisizione di ulteriori nozioni informatiche. Tali attività sono previste

dall’art. 10, co. 5 let. d/e e considerate equivalenti al tirocinio per un numero di ore non inferiore a

150 come previsto dal piano di studi.

Nel testo sono illustrate tutte le caratteristiche ed aspetti del software HEC‐HMS, con l’obiettivo di

approfondire la conoscenza concernente le simulazioni di onde di piena all’interno di un bacino di

interesse, in questo caso il bacino del Tevere.

2. INTRODUZIONE

Il software HEC‐HMS è un sistema di analisi dei fiumi sviluppato dall’Hydrologic Engineering

Center, del Corpo degli Ingegneri dell’Esercito degli Stati Uniti d’America. È stato progettato per

simulare i processi di precipitazione e di deflussi di bacini idrografici, ed è applicabile ad una vasta

gamma di problemi idrologici; il software, infatti, consente la modellazione idrologica di un bacino,

mediante la definizione degli elementi concettuali che lo rappresentano e dei processi fisici che

avvengono in essi. HEC – HMS è stato creato per essere applicabile in un ampio campo di problemi

idrologici, quali:

‐ Studio dei deflussi in grandi bacini idrografici

‐ Analisi dei deflussi di piena

‐ Analisi di deflussi provenienti da piccoli bacini urbani o rurali

‐ Disponibilità idriche di regioni geografiche

‐ Studio dei sistemi di drenaggio urbani

‐ Previsione dei deflussi

‐ Riduzione dei danni dovuti alle piene fluviali

‐ Gestione delle aree golenali

‐ Regolazione di sistemi idraulici

Per la trasformazione afflussi pluviometrici – deflussi superficiali il programma dispone di:

‐ Un’interfaccia di specificazione delle precipitazioni che permette di descrivere un evento

storico osservato oppure una precipitazione ipotetica basata su una indagine di tipo

statistico, o il limite superiore di precipitazione possibile per una certa località

‐ Modelli di stima delle perdite, attraverso i quali si può stimare il volume dello scorrimento

superficiale noti la precipitazione e le proprietà del bacino imbrifero

‐ Modelli di formazione di volumi di piena, che possono essere usati per valutare lo

scorrimento superficiale, l’immagazzinamento e l’energia persa nel fenomeno in cui l’acqua

si muove dal bacino imbrifero verso un canale di scorrimento

‐ Modelli di propagazione di onde di piena che descrivono il processo che ne regola il

deflusso e il trasporto nella rete idrografica del bacino

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‐ Moduli per elementi di collegamento utili per la descrizione geometrica della rete

idrografica come confluenze, biforcazioni e altre singolarità

‐ Moduli per le strutture di controllo includenti diversivi e casse di espansione

‐ Modello di pioggia distribuito, che può essere utilizzato con dati di precipitazione

distribuiti, come ad esempio quelli ottenuti tramite un radar meteorologico

‐ Modello in continuo per tenere conto dell’umidità del suolo che può essere visualizzato per

simulare la risposta a lungo termine di un bacino imbrifero a variazioni meteorologiche

stagionali o annuali.

Nell’interfaccia è presente la barra dei menu, ed inoltre la finestra principale è suddivisa in 4

riquadri, indicati, partendo dalla finestra in alto a sinistra e procedendo in senso orario, come

Watershed Explorer, Desktop, Message Log e Component Editor.

Figura 1 – Interfaccia del software HEC‐HMS

Il primo riquadro è lo strumento di esplorazione delle diverse cartelle contenenti elementi

morfologici, pluviometrici e le impostazioni di calcolo, e riporta l’elenco di tutti gli elementi

idrologici organizzati in una struttura ad albero e suddivisi per argomento. Il secondo riquadro

contiene lo spazio di rappresentazione del reticolo idrologico che si andrà a creare. In basso a

destra sono riportate le note che accompagnano l’esecuzione dei diversi step procedurali e di

calcolo, nonché i relativi avvisi, mentre nel Component Editor si ritrova il riquadro destinato a

contenere la descrizione di dettaglio di ciascun elemento selezionato nelle prime 2 finestre.

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3. METODOLOGIA

Le diverse fasi di implementazione del modello idrologico possono essere effettuate mediante i

seguenti passaggi procedurali:

‐ Definizione delle componenti del sistema idrografico

‐ Individuazione della metodologia di stima delle perdite di bacino

‐ Impostazione della trasformazione afflussi deflussi → Per ciascun bacino o so obacino

considerato va impostato il metodo di calcolo per la trasformazione degli afflussi

pluviometrici in deflussi superficiali, definendone i parametri caratteristici. Tra i metodi

disponibili sono presenti, ad esempio, quelli basati sulla teoria dell’idrogramma unitario

oppure quelli che fanno riferimento a deflussi superficiali di tipo quasi – distribuito. Oltre

ad essi si può applicare il metodo cinematico, la cui schematizzazione concettuale prevede

la definizione di piani su cui scorre il flusso superficiale, successivamente raccolto da canali

collettori

‐ Definizione dei parametri di propagazione dei deflussi

‐ Analisi meteorologica

‐ Trasformazione afflussi ‐ deflussi

‐ Calibrazione parametri idrologici

L’esecuzione di una simulazione idrologica richiede la specificazione di tre insiemi di dati

(componenti idrologici):

a) Basin Model

b) Meteorologic Model

c) Control Specifications

3.1 BASIN MODEL

In questa fase si esegue una rappresentazione fisica delle caratteristiche del bacino idrografico.

Tale componente permette di specificare elementi idrologici, metodi di calcolo delle perdite di

bacino, metodi di calcolo della trasformazione afflussi‐deflussi, ed ulteriori elementi che

compongono il dominio di interesse. Nella schematizzazione si definisce il bacino oggetto di

studio, dove per prima cosa si imposta il sistema di misura, ad esempio metrico. Successivamente

si definiscono tutte le componenti di bacino, quali sottobacini (Subbasin) per determinare l’onda

di piena, tratti di alveo (Reach) per la propagazione dell’onda, ed elementi di unione tra più

sottobacini o tronchi di alveo (Junction)

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3.1.1. SUBBASIN

In questa fase si rappresentano le caratteristiche di ciascuno sottobacino. In particolare si

specificano l’area e i modelli principali, in particolare quelli di perdita (Loss Method) e l’IUH

appropriato (Transform Method). Si può inoltre specificare se il dominio a cui sto facendo

riferimento è un semplice dominio oppure una schematizzazione in una griglia di celle, mediante il

Surface Method

Figura 2 – Interfaccia dell’elemento Subbasin

3.1.1.1. MODELLI DI PERDITA

Il programma consente di stimare le perdite per infiltrazione mediante l’applicazione di diverse

metodologie. In questa fase si può decidere se lavorare con una pioggia lorda, ossia priva di

perdite idrologiche, oppure con una pioggia netta, utilizzando un opportuno modelli di perdita tra

quelli disponibili nel software

INITIAL AND CONSTANT

In questo modello l’infiltrazione potenziale, , è costante in tutto l’evento. Quindi, se è la

altezza di pioggia caduta in un intervallo di tempo che va da t a t + Dt, la pioggia netta , durante

l’intervallo è data dalla seguente relazione

p = 0

(1)

Inoltre viene aggiunto al modello una perdita iniziale per rappresentare l’intercettamento delle

piante e l’invaso nelle depressioni. Perdite che si verificano prima del ruscellamento.

Si ottiene pertanto una nuova relazione

p =

0 ∑ ∑

0 ∑ (2)

Il modello initial and constant include un parametro (percentuale costante) e una condizione

iniziale (perdita iniziale). Queste rappresentano rispettivamente le proprietà fisiche del terreno e

degli usi del suolo, e delle condizioni precedenti.

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varia tra 0 (terreno saturo) a 1 (terreno completamente asciutto), in funzione delle

caratteristiche del suolo

DEFICIT AND CONSTANT

HEC – HMS utilizza un modello analogo a quello precedente, con la differenza che in questo caso la

perdita iniziale può essere recuperata dopo un periodo prolungato di tempo asciutto. Si ha quindi

un ulteriore parametro da specificare nel programma.

GREEN AND AMPT

In questo modello il fenomeno dell’infiltrazione viene rappresentato da una descrizione fisica

approssimata, stimando la velocità di infiltrazione in un profilo di umidità nel suolo di tipo

semplificato. In particolare, lungo il profilo del suolo si riscontra la presenza di un fronte di

umidificazione dove la variazione di contenuto idrico con la profondità è talmente elevata da

mostrare una discontinuità tra il suolo umido e quello asciutto. Con questo modello si ipotizza un

suolo omogeneo con contenuto idrico iniziale uniforme lungo tutto il profilo interessato, ed un

movimento dell’acqua “a pistone” lungo la verticale. Il fronte di umidificazione è orizzontale e

separa una zona satura, con contenuto d’acqua pari alla porosità, da una non satura, con

quest’ultima avente un contenuto di acqua pari a quello iniziale.

Figura 3 – Profilo schematizzato del contenuto idrico nel modello di Green ‐ Ampt

Definita L la distanza lungo la verticale tra la superficie del suolo e la posizione del fronte di

infiltrazione al tempo t, definisco il volume di acqua infiltratosi come

F(t) = L ∙Dϴ (3)

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Con Dϴ = n ‐ ϴi

Dove n è la porosità mentre ϴi è il contenuto di acqua iniziale

Si applica la legge di Darcy al moto di filtrazione verticale. Noto che la velocità di filtrazione alla

superficie coincide con il tasso di infiltrazione f si ha

f = ‐ K (4)

Dove K è la conduttività idraulica e il gradiente idraulico.

Questa equazione può essere approssimata, considerando 2 punti in corrispondenza della

superficie del terreno e dal limite del fronte di umidificazione, nel seguente modo

f = K (5)

Con L = z1‐z2

Considerando un sistema di riferimento con origine sulla superficie del suolo avrò

1 = h0 = 0 (tirante idrico della lama d’acqua eventualmente presente)

2 = ‐ Ψ – L (somma del potenziale capillare e del potenziale gravitazionale)

Sostituendo i suddetti valori alla equazione di Darcy, e considerando che L = F/Dϴ, si ottiene

f = K [ ] (6)

Integrando la relazione si ottiene il volume infiltrato al tempo t

F(t) = Kt + Dϴ ln(1+ ϴ

) (7)

Questa equazione viene risolta per iterazione, con unico valore incognito F. Inserendo un primo

valore iniziale (solitamente F=K∙t) si ottiene un nuovo valore di F che viene sostituito a quello

iniziale. Si reitera il processo fino ad arrivare a convergenza. Fatto questo si definisce pertanto il

tasso di infiltrazione f.

SCS CN

Ricavato da una base empirica, stima la precipitazione netta cumulata come funzione della

precipitazione lorda cumulata precedente, dipendente dall’uso del suolo e dalle condizioni iniziali

di quest’ultimo. È definito dalla seguente relazione

Q =

(8)

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Figura 4: Metodo SCS‐CN

Dove

Q è il volume di acqua che resta in superficie (pioggia netta)

P è il volume d’acqua totale di precipitazione

riguarda le perdite iniziali

S è la capacità idrica massima del suolo o volume specifico di saturazione

Le perdite iniziali sono costituite da alcuni processi quali intercettazione della pioggia da parte

delle chiome della vegetazione, accumulo delle locali depressioni del terreno e imbimbizione

iniziale di quest’ultimo. È definito dalla seguente relazione

= 0.2 S (9)

Mentre S è definito come

S = – 10 (10)

Dove CN rappresenta il Curve Number, variabile da 0 (serbatoio che infiltra tutta la pioggia) e 100

(serbatoio impermeabile). Solitamente CN varia da 30 (terreno molto permeabile) a 100 (terreno

impermeabile).

SOIL MOISTURE

Il modello simula il completo ciclo idrologico dell’acqua, dalla fase iniziale di precipitazione fino

all’infiltrazione nel terreno, tenendo conto dell’intercettamento di acqua da parte delle piante e

l’invaso nelle depressioni superficiali. Fenomeno che viene schematizzato da una serie di serbatoi.

Data una precipitazione e una evapotraspirazione potenziale, il modello simula il ruscellamento

superficiale, portata sotterranea, perdite dovute all’evapotraspirazione e la percolazione profonda

sull’intero bacino.

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Figura 5 – Schema del modello Soil Moisture

I vari strati sono:

‐ Canopy – Interception storage → Rappresenta la precipitazione intercettata dalla vegetazione

‐ Surface – Interception storage → è il volume d’acqua invasato nelle depressioni

‐ Soil – profile storage → rappresenta l’acqua immagazzinata nello strato subsuperficiale. La

portata è l’acqua che si infiltra dalla superficie

‐ Groundwater storage → rappresenta i processi di portata infiltrata. Può avere 1 o più strati.

L’acqua percola dalla superficie fino a questi strati. Le perdite derivanti da un groundwater

storage sono dovute alla portata sotterranea o alla percolazione da un layer verso un altro.

GRIDDED MODELS

Per i modelli Deficit and Constant, SCS CN, Green and Ampt e Soil Moisture è previsto inoltre una

ulteriore schematizzazione, che considera il bacino rappresentato da una griglia di celle. I

parametri da cui dipendono i modelli andranno quindi specificati per ciascuna cella del dominio

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3.1.1.2. TRANSFORM METHOD

IUH DI CLARK

La sua struttura è composta da una serie di modelli di invaso e modello cinematico.

Figura 6 – IUH di Clark

L’IUH sarà quindi dato da quello del modello cinematico, ipotizzato come ingresso, e da quello del

serbatoio lineare

h(t) = / d (11)

Dove K rappresenta la constante di invaso del serbatoio lineare. Il modello richiede la stima del

tempo di concentrazione e dello Storage Coefficient, calcolato mediante calibrazione

KINEMATIC WAVE

In questo modello il bacino viene schematizzato come composto da 2 superfici piane dove l’acqua

scorre fino alla sezione di chiusura. Questo modello rappresenta il comportamento del flusso di

acqua superficiale sulle superfici piane. Può inoltre essere utilizzato per simulare il

comportamento di portate nei tratti fluviali del bacino.

Figura 7 – Schema del modello di onda cinematica

12

Come equazione di base il modello utilizza l’equilibrio dei momenti

= ‐ ‐ ‐ (12)

Dove può essere dedotto dall’equazione di Manning

Q = / /

A (13)

Quest’ultima può essere semplificata, in caso di portate di magra, con la seguente

approssimazione

= (14)

In questo modo si ottiene una semplificazione della equazione di Q

Q = α (15)

Ad essa viene associata l’equazione di continuità

+ VB + B = q (16)

Anch’essa semplificata per basse portate

+ = q (17)

Combinando il tutto si arriva alla seguente relazione

+ α = q (18)

Relazione risolta dal software tramite una approssimazione alle differenze finite, con condizioni al

contorno assegnate. Per i parametri α e m si considerano dei valori specifici in funzione della

geometria della sezione.

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Figura 8 – Valori di α e m per varie tipologie di sezioni

MODCLARK IUH

Simile all’IUH di Clark, con la differenza che il bacino viene schematizzato in una griglia di celle,

all’interno delle quali il tempo come

= (19)

14

Dove

è la distanza della singola cella dalla sezione di chiusura

è la distanza dalla cella più lontana fino alla sezione di chiusura

è il tempo di concentrazione del bacino

Per ciascuna cella è specificata l’area, e il volume di invaso nel serbatoio lineare per ciascuna cella

è calcolato come prodotto tra area e precipitazione, il tutto ovviamente riferito all’intervallo

temporale Dt.

Figura 9 – Schema concettuale del ModClark IUH

SCS IUH

Il modello si basa su un adimensionalizzato e con un singolo picco IUH. I parametri da cui esso

dipende sono Ut, assunto come una percentuale del picco dell’IUH , per un tempo t, e da ,

ossia il tempo del picco dell’IUH. Up definito dalla seguente relazione

= C (20)

15

Dove

A è l’area del bacino

C è una costante di conversione

è invece definito dalla seguente relazione

= + (21)

Dove

Dt è l’intervallo computazionale nel programma

è il tempo del bacino, definito dalla differenza temporale tra il centro di massa della pioggia in

eccesso e il picco dell’IUH. Solitamente si utilizza un intervallo Dt inferiore al 29% del tlag.

Figura 10 ‐ SCS IUH

Quest’ultimo definito dalla seguente relazione

= 0.6 (22)

Dove è il tempo di concentrazione.

SNYDER’S IUH

Per il suo studio Snyder selezionò il tempo di ritardo, il picco di portata e il tempo totale di base

come caratteristiche critiche dell’IUH. Il tempo di pioggia è quindi relazionato al tempo di risposta

del bacino dalla seguente relazione

= 5.5 (23)

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Se la durata è specificata, il tempo di risposta del bacino può essere definita. Se la durata dell’IUH

desiderato per il bacino di interesse è differente in maniera significativa dalla relazione precedente

si può far riferimento alla seguente relazione

= ‐ (24)

Per casi standard Snyder scoprì che il ritardo dell’IUH e il picco per unità di eccesso di

precipitazione per unità di area del bacino è relazionato nel seguente modo

= C (25)

Dove

è il picco dell IUH standard

A è l’area drenata del bacino

è il coefficiente di picco dell’IUH


Figura 11 – IUH di Snyder

Per altre durate il picco dell’IUH è definito dalla seguente relazione

= C (26)

All’interno del programma si definisce il tempo di lag e il coefficiente di picco. Il primo è definito

dalla seguente relazione

= C . (27)

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Dove

è il coefficiente del bacino

L è la lunghezza del tratto principale dal punto di chiusura fino al punto più vicino al baricentro del

bacino


I parametri da trovare sono e , definiti via calibrazione. varia da 1.8 a 2,2 tipicamente, così

come , che varia da 0.4 a 0.8

IUH SPECIFICO

In alternativa agli IUH concettuali può essere inserito un IUH “manuale”, ricavato ad esempio da

un modello geomorfologico. All’interno del programma viene richiesto di inserire l’andamento

dell’IUH in funzione nel tempo, scegliendo l’intervallo temporale più opportuno. La differenza con

gli altri modelli la si riscontra dal punto di vista dimensionale; infatti il software legge l’IUH avente

le dimensioni di una portata. Andrà quindi trasformato opportunamente moltiplicandolo per l’area

e e tendendo conto delle unità di misura, in quanto il risultato ha l’unità di misura di mc/s

3.1.2. REACH

Determinate le caratteristiche del processo di formazione dei deflussi per ciascun sottobacino,

nella fase successiva si definiscono i parametri regolanti la propagazione dei deflussi a pelo libero.

Si definiscono quindi le caratteristiche del tratto fluviale in considerazione, specificando il metodo

di propagazione dell’onda (Routing Method) e gli eventuali metodi di perdita (Loss/Gain Method)

Figura 12 ‐ Interfaccia dell’elemento Reach

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3.1.2.1. ROUTING METHOD

KINEMATIC WAVE

Analogamente con quanto definito nel modello delle perdite, si tratta di una approssimazione alle

differenze finite sulla equazione di continuità e quelle dei momenti, semplificata opportunamente.

LAG

Si tratta del metodo più semplice, che consente la simulazione del trasferimento di una onda di

piena non laminata introducendo un ritardo temporale (lag) a partire dal tempo di corrivazione del

bacino o sottobacino in esame Il risultato è la portata in ingresso ma traslata di un tempo (tempo

di lag) di specifica durata. La portata non viene quindi attenuata, e la forma resta sempre la stessa

Figura 13 – Lag method

Come si può vedere dall’immagine, il tempo di lag è dato dalla distanza temporale tra i 2 picchi

oppure tra i baricentri delle onde di piena.

MODIFIED PULS

Questo metodo è basato sulla approssimazione alle differenze finite dell’equazione di continuità,

unita a una empirica rappresentazione dell’equazione dei momenti. L’equazione di continuità è

così descritta

+ = 0 (28)

Questa equazione mi dice che il contributo laterale di portata è insignificante. Con questa

equazione l’espressione approssimata alle differenze finite diventa

‐ = (29)

Che rappresenta un semplice bilancio di volumi, bilancio tra la differenza tra la portata in ingresso

e in uscita dal fiume al tempo t e la variazione temporale del volume di acqua. Utilizzando una

approssimazione all’indietro e riarriangando il risultato in modo da isolare i valori incogniti si ha

( ) = ( ) + ( ) (30)

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Equazione che viene risolta automaticamente da HEC‐HMS.

MUSKINGUM – CUNGE

Questo metodo, utilizzato per la propagazione lungo sezioni geometriche semplici o composte,

rappresenta il trasferimento dell’onda di piena lungo un tratto di alveo di lunghezza Dx, sulla base

dell’equazione di continuità

(t) ‐ (t) + , =

(31)

L’ipotesi di base di questo metodo è che il volume invasato W è proporzionale alla media pesata

tra la portata entrante (Qi) e quella uscente (Qi+1) dal tronco di alveo, ottenendo così

W = K [ϴ + (1‐ ϴ) ] (32)

Si ottiene pertanto un sistema di equazioni, che viene integrato alle differenze finite. Ponendo

ϴ = 0.5 ‐ ∙

(33)

K = (34)

In cui D rappresenta la diffusività di propagazione dell’onda e C la sua celerità, si ottiene la

soluzione di un modello parabolico. Grandezze che vengono stimate in funzione delle

caratteristiche geometriche ed idrauliche delle sezioni dell’alveo. Nel software andrà quindi

specificata la forma della sezione, la pendenza media del tronco di alveo, la pendenza delle

sponde, la larghezza del fondo dell’alveo e l’indice di scabrezza, inteso come un valore medio sulla

sezione.

3.1.3. ULTERIORI ELEMENTI

Sono inoltre presenti i seguenti elementi

‐ Junction → All’interno del programma può essere modellata una confluenza tra 2 tratti fluviali.

Il software utilizza una semplificazione della equazione di continuità, basata sulla assunzione

che nessuna portata v immagazzinata alla confluenza

∑ = 0 (35)

Dove è la portata in ingresso nel fiume r al tempo t e è la portata in uscita. Si ottiene

pertanto

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∑ (36)

Ossia la portata a valle è data dalla somma di quelle a monte. Nella junction non è richiesto

nessun parametro per la modellazione.

‐ Reservoir → Con questo elemento si simulano i processi di laminazione tipici di un invaso,

attraverso una funzione definita dall’utente che lega le portate in ingresso a quelle in uscita, in

termini di volumi. Relazione che viene definita specificando la curva che lega i volumi di invaso

alla portata defluente.

‐ Diversion → Utilizzato per simulare la presenza di scolmatori o aree di invaso laterali

all’interno di un reticolo idrografico, ha come input uno o più idrogrammi e in uscita due

idrogrammi

‐ Source → Simula sorgenti o apporti di porzioni del sistema idrografico. Ha solo deflusso in

uscita e nessun ingresso

‐ Sink → Elemento pozzo, ha idrogrammi in ingresso e nessun elemento in uscita.

3.2. METEOROLOGICAL MODELS

Tramite il Meteorogical model si esegue l’analisi pluviometrica. Al suo interno si possono definire

sia i dati di pioggia di riferimento che quelli relativi ad ulteriori processi, quali evapotraspirazione e

scioglimento di neve. Nel primo caso è possibile inserire sia eventi registrati che ietogrammi

sintetici, tra cui quelli definiti direttamente dall’utente o estrapolati dalle serie riferite a diversi

pluviografi, utilizzando quindi il metodo Gage Weights ed assegnando opportuni coefficienti di

peso tramite ad esempio il metodo dei poligoni di Thiessen.

3.3. CONTROL SPECIFICATIONS

Tramite questa funzione si definisce l’intervallo temporale, specificando il giorno di inizio e fine

evento (in termini di data), scegliendo il più opportuno intervallo temporale per la

rappresentazione dei dati (giornaliero, orario o suborario)

3.4. TIME – SERIES DATA

Nella Time ‐ series data si inseriscono i dati di precipitazione che andrà trasformata in deflusso

superficiale (con il loro andamento naturale o in termini di cumulata). Inoltre è possibile inserire,

se disponibili, l’andamento di eventuali portate osservate ad esempio a una stazione idrometrica

di riferimento, utile per un confronto tra dati osservati e dati simulati.

Al termine del processo di simulazione vengono proposti dei risultati in termine di tabella globale,

che definisce i dati di area del bacino, valore del picco di portata e relativo istante temporale e

volume (in millimetri o metri cubi). Sono inoltre presenti dei grafici che rappresentano

l’andamento simulato, con dati presenti nella Time – Series Table

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4. CASO DI STUDIO: TEVERE ALLA STAZIONE IDROMETRICA DI SANTA LUCIA

Il caso in esame riguarda un sottobacino del Tevere, in particolare la parte del bacino del fiume

fino alla stazione idrometrica di Santa Lucia. L’obiettivo dello studio è valutare la simulazione

dell’onda di piena con una pioggia lorda e un IUH specifico, desunto da una analisi geomorfologica.

4.1. INQUADRAMENTO TERRITORIALE

Il fiume Tevere, il maggior corso d’acqua dell’Italia peninsulare, si forma nell’Appennino Tosco

Emiliano e sfocia nel mar Tirreno, dopo un percorso di circa 405 Km. Esso, dopo aver segnato un

ripido dislivello e aver bagnato l’abitato di Balze, percorre 4 Km in terra di Romagna ed entra in

Toscana, dove bagna Pieve Santo Stefano e lambisce Sansepolcro, passando. Tra queste due

località il fiume è sbarrato da una diga che ha creato un ampio bacino, denominato Lago di

Montedoglio. Quindi il fiume, penetrando nell’Umbria, percorre la Val Tiberina, in provincia di

Perugia, dove bagna Città di Castello e Umbertide. Il suo affluente principale è il Nestore.

Il sottobacino in esame è quindi una porzione dell’Alto Tevere, con una estensione superficiale di

924 circa.

Figura 14 – a) Inquadramento territoriale e b) orografia del sottobacino del Tevere alla stazione

idrometrica di Santa Lucia

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Figura 15 ‐ Interfaccia del software per il sottobacino del Tevere a S.Lucia

4.2. PROCEDIMENTO

Sono state quindi definite le caratteristiche del sottobacino, considerando una pioggia lorda e un

IUH specifico.

Figura 16 – IUH Geomorfologico implementato nel software HEC‐HMS

Nella modellazione dell’evento di piena sono state considerate le piogge osservate dai pluviometri

di Città di Castello e Petrell nel periodo che va dal 5 al 12 dicembre 1992. L’area di competenza è

stata ricavata con il metodo dei poligoni di Thiessen, tramite i quali è stato definito il peso che

ciascun pluviometro ha all’interno dell’area.

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Figura 17 – Suddivisione delle aree con metodo dei poligoni di Thiessen

Figura 18 – Altezza di pioggia cumulata osservata dei pluviometri a) Città di Castello e b) Petrelle

Nella Control specifications è stato definito l’intervallo di simulazione, specificando di restituire

l’onda di piena con uno step temporale di 1 ora.

All’interno della Time Series Data è stata definita la serie temporale delle piogge osservate, in

termini di pioggia cumulata, e l’onda di piena osservata alla stazione idrometrica di riferimento.

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4.3. RISULTATI

Di seguito viene riportato l’andamento della portata simulata confrontata con l’onda di piena osservata alla

stazione idrometrica di Santa Lucia

Figura 19 – Risultati del processo di simulazione

I risultati mostrano come l’IUH ricavato è risultato soddisfacente, in quanto si nota una buona

approssimazione dei baricentri delle onde osservate. L’elevata differenza tra i valori dei colmi di

piena osservati e simulati è giustificata dal fatto che si è considerata a priori una pioggia lorda,

priva pertanto delle perdite idrologiche

5. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Al termine di questo iter di acquisizione di nozioni e informazioni sul software HEC‐HMS, si è

riscontrata la grande potenzialità che il software mostra nella simulazione delle onde di piena e di

tutti i processi idrologici presenti all’interno del nostro sistema naturale. Sviluppi futuri all’interno

della tesi riguarderanno la simulazione dell’onda di piena del fiume Tevere fino alla stazione

idrometrica di Ripetta tenendo conto della influenza dell’invaso di Corbara, situato in prossimità

della confluenza del Tevere con il Paglia, facendo riferimento a specifici IUH ricavati da una

modellazione geomorfologica e al metodo di Muskingum – Cunge per la propagazione dell’onda di

Piena

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6. RIFERIMENTI

A. Murachelli, V. Riboni (2010) – Rischio idraulico e difesa del territorio

G. Calenda (2015) – Infrastrutture Idrauliche

V. Merwade (2012) – Hydrologic Modeling using HEC–HMS

US Army Corps of Engineers (2000) – Hydrologic Modeling System Hec‐Hms: Technical Reference

Manual

US Army Corps of Engineers (2013) – Hydrologic Modeling System Hec‐Hms: User’s Manual

B. E. Larock, R.W. Jeppsn, G. Z. Watters (2000) – Hydraulics of Pipeline Systems

US Army Corps of Engineers (1991) – A Muskingum‐Cunge channel flow routing method for

drainage Networks

Rosso R. (2002) ‐ Manuale di protezione Idraulica del Territorio

M. Paudel, E. J. Nelson, W. Scharffenberg (2009) – Comparison of Lumped and Quasi‐Distribuited

Clark Runoff Models Using the SCS Curve Number Equation

V. Merwade (2012) – Hydrologic Modeling using HEC‐HMS

ANNO ACCADEMICO LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA … · 2017-06-01 · anno accademico 2015‐2016...

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