Esercizio e Manutenzione delle Dighe - 15 Aprile 2003, Roma Sicurezza idrologica idraulica degli...

Esercizio e Manutenzione delle Dighe - 15 Aprile 2003, Roma

Sicurezza idrologica idraulica degli sbarramenti

Valutazione delle portate di pienadi assegnato rischio

Ing. Giorgio Galeati

ENEL SpaGenerazione ed Energy Management

Area Energie RinnovabiliUnità Idrologia - Mestre

Esercizio e Manutenzione delle Dighe

15 aprile 2003 - Roma

fornisce stime “affidabili” (capacità di descrivere le statistiche dei dati sperimentali) e “robuste” (capacità di fornire previsioni con ridotta incertezza)

Stima delle portate di piena di assegnato rischio

…… il metodo ideale ……

è semplice da capire e da utilizzare

è basato su pochi dati facilmente reperibili

è universalmente applicabile

a qualunque scala spazio – temporale in qualunque contesto geografico è trasportabile da un sito all’altro

fornisce stime affidabili (capacità di descrivere le statistiche

dei dati sperimentali) e “robuste” (capacità di fornire

previsioni con ridotta incertezza)







…... nella realtà ……

i metodi più semplici e di immediato utilizzo sono in generale caratterizzati da severe limitazioni

sono siti specificirichiedono adeguate informazioni sperimentalisono adatti a ben precise scale spazio – temporali

i metodi più complessi non sono “user friendly”, rappresentano solo in parte la complessità del bacino idrografico, richiedono

una mole rilevante di informazioni sperimentali

i dati idrologici sperimentali sono assai limitati se non assenti per la maggior parte delle applicazioni

…… problema irresolubile ? …...



La maggior quantità di dati idrologici sperimentali disponibile e la più ampia conoscenza delle dinamiche idrologiche prodotta dalla

ricerca consentono di ottenere, se unite ad un esame approfondito ed attento del sito in indagine, stime delle portate di piena di

assegnato rischio di gran lunga più affidabili e robuste che non in passato

Importanza del problema idrologicoUn’analisi dei casi storici di rottura (ICOLD, 1982) evidenzia che più del 30% delle 130 dighe che nel mondo hanno subito fenomeni di rottura sono state danneggiate per l’insufficiente capacità di smaltimento del complesso invaso organi di scarico. Tale percentuale sale al 65% se si considerano solo le rotture avvenute dopo il primo invaso.



Organizzazione della presentazione

1.Metodologie di stima delle portate di piena

di assegnato rischio

2.Metodologie di valutazione utilizzate nel contesto

degli studi sviluppati da ENEL

3.Considerazioni circa lo stato di sicurezza idrologico

idraulica delle dighe italiane sulla base delle stime

ottenute in più di 100 studi finalizzati alla valutazione

delle portate di piena di assegnato rischio



Rischio tempo di ritorno T (anni)

T è definito come il numero di anni che mediamente intercorre

tra due superamenti del valore Q’ da parte della grandezza

idrologica Q

T(Q’) = media (1, 2, 3, ..)



Il significato concreto di tempo di ritorno è poco evidente e facilmente equivocabile. Per chiarirne meglio il significato è opportuno fare riferimento al concetto di probabilità di pericolo (hazard) idrologico HN , probabilità che in N anni, periodo di

esercizio dell’opera, si verifichi una piena superiore a quella di progetto.

Legame tra T e HN : HN(Q’) = 1 - ( 1 - 1/T )N

Per valori di T >> N : HN(Q’) = N/T

Fissata la vita attesa dell’opera N il tempo di ritorno T definisce la probabilità che l’opera sia deficitaria nei confronti della sicurezza idrologica nel corso degli N anni di esercizio previsti.



Tecniche di stime delle portate di piena di assegnato rischio (tempo di ritorno)

Metodi deterministici

Relazioni empiriche

Curve inviluppo

Massima Piena Probabile

(PMF)



Metodi statistici – Analisi di tipo locale “at site”

Scelta della distribuzione

Scelta della procedura di stima dei parametri

Indagine di tipo POT (Peaks Over Threshold) o AFS (Annual Flood Series)

………



E’ consigliabile utilizzare i risultati di un’analisi “at site” solo

se T ≤ 2-3 ∙ N con N dimensione del campione sperimentale

(il Flood Estimation Handbook inglese non accetta valutazioni

ottenute per T > 2 ∙ N )

Se si ricorre ad un’analisi “at site” il numero di parametri che

caratterizza la distribuzione utilizzata deve essere il minore

possibile (Gumbel 2 parametri, GEV 3 parametri)

Avvertenze nell’uso di un’analisi di tipo locale



Analisi statistica di tipo locale mediante distribuzione di Gumbel e mediante distribuzione GEV

Dimensione complessiva del campione: 48 anni

Le curve sono relative all’analisi, nell’ordine, dei primi 24 anni, dell’insieme complessivo dei dati e degli ultimi 24 anni



Analisi statistica di tipo regionale

La stima viene condotta tramite metodologie di

regionalizzazione, basate sull’analisi dell’informazione pluvio-

idrometrica dell’intero territorio circostante l’area di interesse.

Si sopperisce alla limitata informazione temporale mediante

l’analisi di una più ampia informazione spaziale (verificato che

questa sia idrologicamente omogenea nei riguardi della

variabile di interesse).

Si applica per stimare le portate probabili di massima piena

in una sezione del reticolo idrografico carente o del tutto

priva di misure sperimentali.



Vantaggi dell’analisi regionale

Poiché la stima dei parametri è effettuata su un campione sperimentale più ampio è possibile usare distribuzioni con più di 2 parametri

L’incertezza di stima sulle estrapolazioni a tempi di ritorno più elevati è minore

Cunnane (WMO, 1989) consiglia di basarsi quando possibile sui risultati ottenuti mediante analisi regionali, facendo ricorso ad analisi di tipo puntuale solo se:

Il record di dati sperimentali è eccezionalmente lungo

La regione è estremamente eterogenea



Analisi regionale mediante il metodo della grandezza indice

La stima della grandezza indice rappresenta il punto più incerto della procedura

E’ consigliabile la stima della “portata indice” mediante le informazioni sperimentali se N ≥ 10 - 12 dati



Metodi indiretti - Formula razionale(trasformazioni di tipo semplificato)

Modello deterministico semplificato che contiene nella definizione dei suoi parametri una rilevante base empirica

QT = C h(,T) S /

QT portata al colmo con tempo di ritorno T

C “coefficiente di deflusso”. Dipende dalle caratteristiche del bacino e tiene conto di a) fattore di riduzione areale della pioggia, b) rifiuto del terreno e c) dispersione idrografica

h(,T) altezza di precipitazione con tempo di ritorno T e di durata (durata critica)



Note operative sull’applicazione della formula razionale

La formula di Giandotti per il calcolo del tempo di corrivazione (la più utilizzata in ambito nazionale) è stata definita con riferimento a bacini di superficie superiore a 50 km2 e conduce per bacini imbriferi più piccoli a sottostime del reale tempo di corrivazione.

Per una applicazione operativamente robusta della formula razionale occorre una valutazione corretta del coefficiente C, valutazione che può essere effettuata solo mediante uno studio idrologico appoggiato a dati sperimentali.



Metodi indiretti – Modelli di trasformazioneafflussi deflussi

Modelli ad evento / di simulazione



Modelli di simulazione

Metodi indiretti – Modelli di trasformazioneafflussi deflussi



Note operative sull’applicazione di modelli di trasformazione afflussi deflussi

Per un’applicazione operativa “robusta” di modelli di trasformazione afflussi deflussi occorre una valutazione corretta dei coefficienti / parametri che definiscono il modello utilizzato. Risulta indispensabile disporre di idonei e sufficienti dati sperimentali tenendo conto che, all’aumentare della complessità del modello, deve corrispondentemente aumentare la quantità di informazione sperimentale.

I modelli di simulazione, ancorché più complessi di quelli ad evento, sono gli unici in grado di fornire una valutazione del possibile impatto di “non stazionarietà” (climate change, modifiche antropiche) sulla frequenza degli eventi di piena.



Campi di applicazione delle diverse metodologie di valutazione delle piene in relazione alla scala spaziale

ed alla frequenza (tempo di ritorno T) della stima

C: Scenari idrologico-climatici

A: Regionalizzazione statisticaB: Metodo razionale



Approccio metodologico utilizzato da ENEL per la valutazione delle portate di piena di assegnato

rischio 1. Raccolta di tutti i dati idrometeorologici disponibili (portate al

colmo e/o giornaliere massime annue, precipitazioni orarie e/o intense) pubblicati dal S.I.M.N., rilevati agli strumenti ENEL, ricavabili tramite l’equazione di bilancio dell’invaso.

2. Applicazione di metodologie statistiche di tipo regionale

Verifica idoneità curve di crescita suggerite dagli studi disponibili in letteratura a descrivere il comportamento statistico delle variabili idrologiche nell’area in indagine

Eventuale stima di una specifica curva di crescita mediante un’analisi regionale limitata alle stazioni di misura limitrofe alla sezione interesse



3. Applicazione di metodi indiretti di trasformazione afflussi deflussi. Sfruttando la buona affidabilità della stima Q50-100

fornita dall’analisi statistica diretta si provvede a tarare un opportuno modello A-D rappresentativo del bacino imbrifero; il modello è quindi impiegato per proiettare l’effetto sul bacino imbrifero di precipitazioni intense di tempo di ritorno più elevato (T > 100 anni), grandezza la cui stima è mediamente più robusta per la maggior quantità di dati sperimentali in base a cui è ricavata

4. Verifica della congruenza tra le stime di portata ottenute mediante i due approcci



Filosofia dell’approccio utilizzato

Raccogliere la maggior informazione sperimentale possibile, così da rappresentare al meglio le caratteristiche geomorfoclimatiche proprie del bacino idrografico

Sviluppare lo studio sulla base dei più recenti sviluppi teorico applicativi tenendo anche conto, per quanto

possibile, dei risultati forniti dagli studi pregressi

Utilizzare nella misura più completa possibile l’intera informazione idrologica reperita, avvalendosi contemporaneamente sia dei dati di apporto sia delle caratteristiche pluviometriche



Sintesi dei risultati degli studi

Numero dighe esaminate: 104Ubicazione: su tutto il territorio nazionaleSuperficie bacini imbriferi: 0.4 – 2350 km2

Quota media bacini imbriferi: 300 – 2990 m s.l.m.

Anno di costruzione: 1910-1970 (1937 anno medio costr.)

Per gli sbarramenti per i quali si necessita di una più accurata caratterizzazione idrologica (la base dati sperimentali disponibile non è sufficiente per valutazioni sufficientemente oggettive) sono

stati installati sistemi di monitoraggio “ad hoc”

N.dati raccolti: Portate al colmo massime annue ≈ 1100

Portate medie giornaliere ≈ 1500



Confronto tra il livello di invaso nei serbatoi a fronte di eventi di piena con T = 500 e 1000 anni

e la quota di massimo invaso (QMI)

Le valutazioni sono state condotte sotto ipotesi conservative sia

per quanto riguarda lo sbarramento (centrali di produzione

non operative, livello iniziale nel serbatoio all’arrivo della

piena pari alla quota di massima regolazione), sia per quanto

attiene la stima degli idrogrammi di piena



La portata esitata dal complesso degli organi di scarico alla QMI è ≥ 2.0 ∙ Q500 per il 30% (25%) degli sbarramenti.

La portata esitata dal complesso degli organi di scarico alla QMI è ≥ 1.5 ∙ Q500 per il 50% (40%) degli sbarramenti.

Il numero di sbarramenti per i quali la quota d’invaso risulta ≤ alla QMI è superiore all’81% (75%). La maggior parte delle opere che non soddisfano tale requisito, il 12% (17%), assicura il mantenimento di un franco tra 0.10 - 2.70 m, con un valore medio di ≈ 0.90 (0.70) m. Tali sbarramenti sono tutti anteriori al 1954, in massima parte al 1930 (il 70%); dal punto di vista geografico la gran parte (il 60%) sono ubicati sulle Alpi Liguri o sui rilievi Appenninici.

T = 500 / 1000 anni



Sbarramenti i cui bacini imbriferi sottesi sono caratterizzati da una quota media superiore a 2000

m s.l.m. (40 sbarramenti esaminati).Il numero di sbarramenti per i quali, a fronte di un episodio di piena con tempo di ritorno T = 500 / 1000 anni, la quota nell’invaso è ≤ alla QMI è pari ad una percentuale del 95% e del 90%. Gli sbarramenti che non soddisfano tale requisito sono tutti anteriori al 1950 ed in massima parte anteriori al 1930 (il 75%).

Con riferimento ad episodi di piena caratterizzati da un tempo di ritorno T = 500 anni è assicurato il mantenimento di un franco variabile tra 0.50 – 1.50 m, con un valore medio di ≈ 1.00 m. Per eventi di piena caratterizzati da T = 1000 anni il franco è variabile tra 0.20 – 1.40 m, con un valore medio di ≈ 0.70 m. In nessun caso si ha la tracimazione dello sbarramento.



A titolo di conferma del rilevante grado di sicurezza deglisbarramenti che sottendono bacini idrografici in quotasi consideri che la portata esitabile dal complessodegli organi di scarico, Qscar , risulta mediamente pari a:

Qscar ≈ 2.6 ∙ Q500

Qscar ≈ 2.2 ∙ Q1000

Per gli sbarramenti che delimitano bacini imbriferi la cui quota media è inferiore a 2000 m s.l.m. si è riscontrato invece:

Qscar ≈ 1.9 ∙ Q500

Qscar ≈ 1.6 ∙ Q1000



Considerazioni conclusive

Gli sbarramenti esaminati risultano in generale caratterizzati da un’elevata sicurezza idrologico-idraulica in quanto sono in

grado di far fronte ad episodi di piena caratterizzati da una bassissima probabilità di occorrenza senza ingenerare

situazioni di pericolo per la struttura.

Le indagini sin qui condotte hanno evidenziato che:

gli sbarramenti che sottendono bacini idrografici di altaquota sono contraddistinti da condizioni di elevata sicurezzacirca la capacità di smaltimento degli eventi di piena.La verifica del grado di sicurezza idrologico – idraulica di talecategoria di opere può pertanto essere condotta con minor priorità



Le dighe per le quali, a fronte di episodi idrologici di piena con tempo di ritorno T =500 e 1000 anni, si possono più frequentemente verificare livelli di invaso compresi tra la QMI ed il coronamento, sono quelle costruite anteriormente al 1930 ed ubicate sulle Alpi Liguri e sui rilievi Appenninici. A tale tipologia di sbarramenti è pertanto preferibile assegnare maggior priorità nello sviluppo di ulteriori analisi.

Per gli sbarramenti per i quali si necessita di una più accurata caratterizzazione idrologica è raccomandabile l’installazione di sistemi di monitoraggio “ad hoc”, in base ai cui dati sperimentali condurre valutazioni integrative.

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