Studio delle Interazioni tra Opere di Sbarramento Fluviale, Correnti Idriche Superficiali e Sotterranee: Cassa di

Espansione del Torrente Crostolo in Località Rivalta nel Comune di Reggio Emilia

Lisa Borgatti1, Federico Cervi2, Alessandro Corsini2, Marcello Fiorentini3, Giovanni Moretti3, Stefano Orlandini3, Maurizio Pellegrini2, Francesco Ronchetti2

1. Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento, del Territorio, Università degli Studi di Bologna.

2. Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia.3. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Civile, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia.

Cassa di espansione sul Torrente Crostolo

Torrente Crostolo

Ponte del Tondo

Tratto arginato

Casse di espansione

Fasce fluvialiCassa di Rivalta

Modello Idrologico

Analisi Territoriale:

DTM 20 m × 20 m, Regione Emilia Romagna.

Uso del suolo “Corine”, Regione Emilia Romagna.

Banca dati geologica, Regione Emilia Romagna.

Definizione dei parametri del metodo CN per la stima della pioggia efficace.

Precipitazioni ragguagliate al bacino con il metodo dei Poligoni di Thiessen.

Calibrazione del modello idrologico utilizzando eventi registrati dalla rete pluvio-idrometrica dell’ARPA-ER.

Laminazione delle Piene della Cassa di Rivalta

Analisi effettuata utilizzando il programma HEC-ResSim, USACE.

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00

01May2009

Po

rta

ta (

m3

/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

Rivalta-Pool.V_2CE_C3H-0.Flow-IN.15MIN

Rivalta-Pool.V_2CE_C3H-0.Flow-OUT.15MIN

Idrogramma in ingresso corrispondente ad una precipitazione sintetica con durata pari a 3 h. Determina il raggiungimento della quota massima di regolazione.

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00

01May2009

Po

rta

ta (

m3

/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN

Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN

Laminazione della Cassa di Rivalta: Aspetti Generali

Volume rilasciato

Idrogramma in uscitaIdrogramma in ingresso

Volume accumulato

Laminazione della Cassa di Rivalta: Analisi delle Portate

La capacità di laminazione dell’idrogramma:• è circa il 40%, se la quota di invaso non raggiunge la quota massima di regolazione• diminuisce all’aumentare della durata di precipitazione• diminuisce al calare della sezione utile delle luci di fondo• diminuisce all’aumentare del volume inizialmente presente nell’invaso

Curva delle precipitazioni massime di Cati Invaso inizialmente vuoto, Paratoie aperte

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8durata di precipitazione (h)

po

rta

ta (

m3 s

-1)

entranteuscente

Curva delle precipitazioni massime di CatiInvaso inizialmente pieno, Paratoie aperte

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8durata di precipitazione (h)

entranteuscente

Curva delle precipitazioni massime di CatiInvaso inizialmente vuoto

Paratoie aperte

113.4

113.6

113.8

114.0

114.2

114.4

114.6

114.8

115.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

durata di precipitazione (h)q

uo

ta in

vaso

(m

)

Curva delle precipitazioni massime di Cati Invaso inizialmente vuoto

Paratoie aperte

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3.0

3.1

3.2

3.3

0 1 2 3 4 5 6 7 8

durata di precipitazione (h)

volu

me

inva

sato

(1

0 6 m

3)

Laminazione della Cassa di Rivalta: Quote e Volumi

Il tempo critico per l’invaso è in corrispondenza dell’invaso massimo

Il tempo critico non varia con le diverse configurazioni delle paratoie

L’andamento delle quote è analogo a quello dei volumi

tcr = 3 h

Soglia per la tracimazione manufatto di RivaltaParatoie aperte

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6 7

durata precipitazione (h)

inte

nsi

tà d

i pre

cip

itazi

on

e e

ffic

ace

(m

m h

-1)

invaso vuotoinvaso pieno

Soglie di Precipitazione della Cassa di Rivalta

Limitando l’efflusso dalle luci di fondo le curve si abbassano, in particolare quelle con la condizione iniziale di invaso pieno

Le soglie per il sormonto arginale sono maggiori delle precipitazioni massime possibili di Cati

Condizione di sicurezza

Condizione di insicurezza

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00

01May2009

Po

rta

ta (

m3

/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rivaltella-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN

Rivaltella-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN

Laminazione della Cassa di Rivaltella

La cassa risente della laminazione attuata da quella di Rivalta

Scarsa laminazione degli idrogrammi in ingresso

Le percentuali di laminazione sono sotto al 10%

L’idrogramma in uscita segue quello in entrata

Idrogramma in uscitaIdrogramma in ingresso

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00

01May2009

Po

rta

ta (

m3

/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN

Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN

Curva delle precipitazioni massime di CatiSfioro incipiente nella cassa di Rivalta

Invaso inizialmente vuoto

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

durata di precipitazione (h)

volu

me

inva

sato

(1

0 6 m

3)

luci di fondo funzionantiluci di fondo ostruite

Si considera solo l’evento che porta alla tracimazione del manufatto di Rivalta

Il volume immagazzinato è maggiore se le luci di fondo sono ostruite

Il livello dell’invaso si alza di 60 cm se le luci sono ostruite

Curva delle precipitazioni massime di CatiSfioro incipiente nella cassa di Rivalta

Invaso inizialmente vuoto

102.0102.2102.4102.6102.8103.0103.2103.4103.6103.8104.0104.2104.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8

durata di precipitazione (h)

qu

ota

inva

so (

m) !

luci di fondo funzionantiluci di fondo ostruite

Laminazione della Cassa di Rivaltella: Quote e Volumi

Soglia per la tracimazione dell'arginaturaCassa di Rivaltella

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 2 3 4 5 6 7

durata precipitazione (h)

inte

nsi

tà d

i pre

cip

itazi

on

e e

ffic

ace

(m

m h

-1)

luci libereluci ostruite

Soglie di Precipitazione della Cassa di Rivaltella

Se le luci sono ostruite le soglie si abbassano indipendentemente dalla durata di precipitazione

I valori riportati sono intermedi tra le soglie per la tracimazione del manufatto di Rivalta e le curve di Cati

Condizione di sicurezza

Condizione di insicurezza

Tracimazione delle Arginature di Rivalta Valutazione del Periodo di Ritorno

Curve di probabilità pluviometrica VAPI

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

durata di precipitazione (h)

alte

zza

di p

reci

pita

zio

ne

(m

m) ! T = 1000 a

T = 500 a

T = 200 a

T = 100 a

T = 50 a

T = 20 a

T = 10 a

T = 5 a

invaso vuoto

invaso pieno

Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia)dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche

Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia)dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche

Sfioro del Manufatto di Rivalta Valutazione del Periodo di Ritorno

Curve di probabilità pluviometrica VAPI

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

durata di precipitazione (h)

alte

zza

di p

reci

pita

zio

ne

(m

m) ! T = 1000 a

T = 500 a

T = 200 a

T = 100 a

T = 50 a

T = 20 a

T = 10 a

T = 5 a

invaso vuoto

invaso pieno

Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia) dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche

Tracimazione delle Arginature di RivaltellaValutazione del Periodo di Ritorno

Curve di probabilità pluviometrica VAPI

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

durata di precipitazione (h)

alte

zza

di p

reci

pita

zio

ne

(m

m) ! T = 1000 a

T = 500 a

T = 200 a

T = 100 a

T = 50 a

T = 20 a

T = 10 a

T = 5 a

luci libere

luci ostruite

Propagazione dell’Onda di Piena

HEC-RAS, U.S. Army Corps of Engineers

3200 3400 3600 3800 4000 4200

46

48

50

52

54

crostolo Plan: 1) Plan_72 8/26/2009

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (

m)

Legend

WS Max WS

Ground

Left Levee

Right Levee

Crostolo Rivalta-A1

Portata pari a 260 m3 s-1 in uscita dalla cassa di Rivalta.

Ponte del Tondo

Evento Caratterizzazione Idrologica Periodo di Ritorno

Insufficienza idraulica del Ponte del Tondo: riempimento della sezione di deflusso. Altre insufficienze idrauliche all’aumentare della portata.

Qout ≥ 262 m3 s1 Qin ≥ 494 m3 s1 d = 3 hhe ≥ 66 mmie ≥ 22 mm h1

h = 82 mm (φ = 0.80, ARF = 1)

T ≈ 50–100 a*T > 200 a†,‡

Insufficienza idraulica della cassa di espansione di Rivaltella: tracimazione delle arginature della cassa.

Qout ≥ 410 m3 s1

Qin ≥ 586 m3 s1

d = 3 hhe ≥ 78 mmie ≥ 26 mm h1

h = 97 mm (φ = 0.80, ARF = 1)

T ≈ 100–200 a*T > 200 a†

Insufficienza idraulica della cassa di espansione di Rivalta: tracimazione delle arginature della cassa.

Qout ≥ 2168 m3 s1

Qin ≥ 2300 m3 s1

d = 3 hhe ≥ 308 mmie ≥ 102 mm h1

h = 385 mm (φ = 0.80, ARF = 1)

T > 1000 a*Precipitazione temibile superiore a quella massima stimata da Cati (154 mm).

* Secondo le curve di probabilità pluviometrica basate sui risultati del progetto VAPI del GNDCI.

† Secondo le curve di probabilità pluviometrica pubblicate da ARPA Emilia Romagna.

‡ Susin ottiene Qout = 270 m3 s1 per Qin = 410 m3 s1 in ragione di un minore volume immagazzinabile. Il valore Q in = 410 m3

s1 è associato ad una precipitazione di 108 mm in una durata di 4.3 h ed al periodo di ritorno T = 100 a, ma il valore corretto della portata per quella precipitazione è Q in = 501 m3 s1. Pertanto, per le precipitazioni considerate da Susin, l’evento Qout = 270 m3 s1, e quindi anche l’evento Qout = 262 m3 s1, ha un periodo di ritorno T < 100 a.

Conclusioni

• Circolare P.C.M. 19 Marzo 1996[...] le manovre volontarie degli organi di scarico siano svolte, in generale ed ove non diversamente specificato, adottando ogni cautela al fine di determinare un incremento graduale delle portate scaricate contenendone al massimo l'entità.

• D.P.C.M. 15 Dicembre 1998Criteri di allertamento [...] Poiché obiettivo del programma è tutto il territorio nazionale, si ritiene opportuno dirigere gli sforzi per conseguire un livello minimo per tutto il paese, costituito quindi dall’uso di soglie pluviometriche.

• Direttiva P.C.M. 27 Febbraio 2004- regolazione dei deflussi- piani di laminazione

Ulteriori Considerazioni

03:00 06:00 09:00 12:00 15:00

01May2009

Po

rta

ta (

m3

/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rivalta-Pool.P_2PA_C4H-0.Flow-IN.15MIN

Rivalta-Pool.P_2PA_C4H-0.Flow-OUT.15MIN

• Gestione delle piene artificiali- Pista ciclabile- Parco del Crostolo- Centri abitati

Quadro Normativo

•Circolare P.C.M. 19 Marzo 1996Il documento di protezione civile deve altresì contenere: la prescrizione che le manovre volontarie degli organi di scarico siano svolte, in generale ed ove non diversamente specificato, adottando ogni cautela al fine di determinare un incremento graduale delle portate scaricate contenendone al massimo l'entità che, nella fase di allerta di cui alla lettera a), non deve superare, nella fase crescente, quella della portata affluente al serbatoio […]

•Direttiva P.C.M. 27 Febbraio 2004Le manovre previste dal documento di protezione civile e/o dal programma statico e dal piano di laminazione potranno essere direttamente eseguite dal gestore dopo averne data comunicazione all'ufficio compartimentale dal Registro Italiano Dighe ed all'ufficio territoriale del Governo di riferimento […]Nel caso in cui il gestore, anche ai fini di salvaguardare l'opera, le popolazioni ed i beni a valle della diga, proponga di operare sia una manovra preventiva contemplata dal programma dinamico del piano di laminazione che una manovra in difformità a quanto rappresentato nel documento di protezione civile e/o nel piano di laminazione stesso, dovrà darne comunicazione all'Unità di comando e controllo attraverso l'Ufficio territoriale del Governo di riferimento.

Lavoro in Corso

• Descrizione dettagliata della geometria idraulica del sistema fluviale LiDAR aviotrasportato sull’intero bacino Rilievo di sezioni significative

• Monitoraggio dello stato idrico e dei flussi sub-superficiali in prossimità del manufatto e delle arginature della cassa di Rivalta

Indagini geognostiche Installazione di un sistema di monitoraggio in continuo con trasmissione

dei dati in remotoCampagna di letture piezometriche in una rete di monitoraggio periodico

allargata

Piezometri sul rilevato arginale

• 6 sezioni significative (+2) strumentate con piezometri di Casagrande e sonde per acquisizione dei dati in continuo e trasmissione in remoto

Sezione n°

Piezometro Sonde Centraline Note

Destra 1 P1A 1 1 (2 canali) P1B 2

2 P2A 3 1 (3 canali) P2B 4 P2C 5

3 P3A 6 1 (2 canali) P3B 7

4 P4A 8 1 (2 canali) P4B 9

5 P5 10 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea

Sinistra 6 P6 11 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea

7 P7A (11) 12 1 (4 canali) P7A (18) 13 P7B 14 P7C 15

8 P8A 16 1 (2 canali) P8B 17

Totale 17 8 4 da 2 canali; 1 da 3 canali; 1 da 4 canali; 2 da 8 canali

Piezometri sul rilevato arginale

• 6 piezometri di 2 m di profondità, fenestrati tra 1.5 e 1.8 m in corrispondenza dello strato in ghiaia lavata drenante posto immediatamente al di sotto di ciascuna delle piastre della vasca di dissipazione. Nel caso delle piastre con dissipatori, si è posizionato un piezometro in prossimità del manufatto principale, nella zona in cui si attendono le maggiori fluttuazioni di pressione dovute al risalto idraulico;• 6 piezometri di 5 m di profondità circa, fenestrati tra 2 e 5 m in corrispondenza del substrato limoso;• 2 piezometri di 20 m di profondità fenestrati in corrispondenza di lenti di materiale permeabile che si trovano a partire da quota di 85 m s.l.m. circa.

Piezometri in platea

Piezometri in platea

Sezione n°

Piezometro Sonde Centraline Note

Destra 1 P1A 1 1 (2 canali) P1B 2

2 P2A 3 1 (3 canali) P2B 4 P2C 5

3 P3A 6 1 (2 canali) P3B 7

4 P4A 8 1 (2 canali) P4B 9

5 P5 10 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea

Sinistra 6 P6 11 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea

7 P7A (11) 12 1 (4 canali) P7A (18) 13 P7B 14 P7C 15

8 P8A 16 1 (2 canali) P8B 17

Totale 17 8 4 da 2 canali; 1 da 3 canali; 1 da 4 canali; 2 da 8 canali