B

REV. N. DATA

ELABORATO

APPROVATO DA :

ELABORATO

REDATTO DA :

CODICE

PROGETTO :

ing. Mario Causero

005-20

RIQUALIFICAZIONE FLUVIALE PRESSO LA CONFLUENZA

DEI FIUMI TORRE E NATISONE

PER LA SALVAGUARDIA DEI MAGREDI

COMUNE DI TRIVIGNANO UDINESE E CHIOPRIS VISCONE

Committente:

S.A.L.I.T. S.r.l.

Strada Provinciale 6 (km 5)

34070 Medea (GO)

RELAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA

ASPETTI AMBIENTALI:

ASPETTI LEGATI ALLA FAUNA ITTICA: ASPETTI GEOLOGICI:

15 ottobre 2020

ASPETTI LEGATI ALLO STUDIO DI INCIDENZA:

MODELLO IDRODINAMICO:

dott. Giorgio De Luise

 

0  

RIQUALIFICAZIONE FLUVIALE PRESSO LA CONFLUENZA DEI FIUMI TORRE E NATISONE PER LA SALVAGUARDIA DEI MAGREDI

Relazione idrologico-idraulica

MODELLO IDRODINAMICO BIDIMENSIONALE (2D) A FONDO MOBILE DELLA CONFLUENZA

TORRENTE TORRE E FIUME NATISONE

Ing. Roberto Perin

Rev.00-08.09.20

 

1  

INDICE

1 Finalità dello studio idrodinamico e morfologico ..........................................................................

2 Il codice di calcolo BASEMENT................................................................................................. 2

2.1 BASEplane ........................................................................................................................... 3

2.2 Il modulo Morphology ......................................................................................................... 4

3 Fasi necessarie alla realizzazione del modello numerico bidimensionale (2D) ........................... 6

4 Risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche effettuate .......................................................... 13

5 Conclusioni ................................................................................................................................ 23

 

2  

1. Finalità dello studio idrodinamico e morfologico Al fine di analizzare dal punto di vista idrodinamico e morfologico la propagazione delle onde di piena alla confluenza tra il fiume Natisone ed il torrente Torre in corrispondenza degli interventi previsti dal progetto di RIQUALIFICAZIONE FLUVIALE PRESSO LA CONFLUENZA DEI FIUMI TORRE E NATISONE PER LA SALVAGUARDIA DEI MAGREDI, è stato utilizzato il modello di simulazione numerica BASEMENT (ETH Zurich). In particolare, lo studio idrodinamico risulta essere finalizzato all’analisi della propagazione delle onde di piena alla confluenza tra il fiume Natisone ed il torrente Torre nello scenario relativo sia allo stato di fatto (SDF) sia allo stato di progetto (SDP) al fine di quantificare e quindi confrontare gli effetti sulla corrente generati dagli interventi in progetto. Lo studio morfologico si prefigge l’analisi dell’evoluzione geometrica dell’alveo in fase di piena, e quindi del movimento dei sedimenti, al fine di poter individuare zone di accumulo oppure erosione. In questo modo si intende prevedere se e dove si potrebbero verificare effetti di erosione o deposito in caso di evento di piena straordinario caratterizzato da tempo di ritorno centenario (TR=100 anni), analizzando gli eventuali effetti negativi sul fondo e/o sulle sponde del corso d’acqua nello scenario di stato di fatto (SDF) e stato di progetto (SDP).  2. Il codice di calcolo BASEMENT  BASEMENT (BASic EnvironMENT for simulation of environmental and natural hazard) è un codice di calcolo gratuito sviluppato nel 2002 dal laboratorio di ricerche idrauliche, idrologiche e glaciologiche VAW (Swiss Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology) del Politecnico federale di Zurigo (ETH-Eidgenössische Technische Hochschule Zürich). BASEMENT consente di simulare sia la propagazione delle onde di piena nei corsi d’acqua sia i fenomeni di trasporto solido in alveo utilizzando uno schema di tipo monodimensionale (1D), bidimensionale (2D) oppure accoppiato (1D-2D) come combinazione di due o più dei precedenti. In particolare: BASEchain, rappresenta lo strumento numerico di tipo monodimensionale (1D) in cui il corso d’acqua

risulta essere modellato sulla base di sezioni trasversali che consentono di simulare la propagazione delle portate di piena con la possibilità di simulare anche fenomeni di trasporto dei sedimenti.

BASEplane, rappresenta lo strumento numerico di tipo bidimensionale (2D) in cui il corso d’acqua

risulta essere modellato sulla base di una griglia (mesh) di calcolo al fine di poter consentire la fedele simulazione, anche in presenza di sviluppi longitudinali complessi (ad esempio meandri, zone golenali, confluenze), della propagazione delle onde di piena e dei processi di trasporto solido che altrimenti non avrebbero una completa rappresentazione qualora si adottasse un modello più semplice. Risulta inoltre possibile accoppiare il modello bidimensionale con uno o più modelli monodimensionali. In Figura 1 sono illustrati i processi che possono essere simulati con un modello bidimensionale. Per il presente studio è stato utilizzato il modulo di calcolo BASEplane (v. 2.8 R5771).

 

3  

Figura 1: Schema dei processi simulabili con BASEplane (fonte: VAW- ETHZ Zurigo).  

  2.1 BASEplane  Il modello di simulazione numerica implementato in BASEplane si basa sull’integrazione numerica con la tecnica dei volumi finiti (FV) delle equazioni alle acque basse (Shallow Water Equations - SWE). Tali equazioni governano una grande varietà di fenomeni fisici caratterizzati da flussi a superficie libera, dalle maree negli oceani alla propagazione di onde di piena naturali o artificiali (ad esempio quelle derivanti da crolli di sbarramenti o diga) in alvei fluviali. La principale ipotesi alla base della derivazione di tali equazioni riguarda l’assunzione della distribuzione idrostatica delle pressioni lungo la verticale, che comporta un’agevole integrazione delle equazioni tridimensionali di Navier-Stokes per pervenire ad un sistema bidimensionale di equazioni differenziali alle derivate parziali non-lineari di tipo iperbolico come riportato in Figura 2:

 

4  

Figura 2: Equazioni alle acque basse (Shallow Water Equations - SWE) implementate in BASEplane.

In particolare, gli sforzi di taglio nel flusso turbolento e gli sforzi viscosi di taglio possono essere quantificate in base al concetto di eddy viscosity di Boussinesq, che può essere espresso come:

𝜏 2𝜌𝑣𝜕𝑢𝜕𝑥

, 𝜏 2𝜌𝑣𝜕𝑣𝜕𝑦

, 𝜏 𝜌𝑣𝜕𝑢𝜕𝑦

𝜕𝑣𝜕𝑥

Se il flusso è dominato dalle forze di attrito, la viscosità totale è la somma della eddy viscosity (quantità dovuta alla modellazione della turbolenza) e della viscosità molecolare (viscosità cinematica del fluido):

𝑣 𝑣 𝑣

La viscosità turbolenta viscosa può essere calcolata dinamicamente come 𝑣 𝑘𝑢∗ℎ/6 dove 𝑢∗ 𝜏𝜌 .

La viscosità molecolare è una proprietà fisica del fluido ed è costante se si assume l’ipotesi di fluido isotermico. Lo sforzo di taglio in prossimità del fondo è legato alla componente media della velocità per mezzo di una legge di attrito quadratica:

𝜏 = 𝜌| |

; 𝜏 = 𝜌| |

1) 

2) 

3) 

 

5  

dove |𝑢| √𝑢 𝑣 rappresenta il modulo del vettore velocità e 𝑐 = √

( 𝑘 rappresenta il coefficiente

di scabrezza secondo la formulazione di Strickler ed R il raggio idraulico). I termini dispersivi sono originati da una non uniformità del campo di velocità lungo la direzione verticale. Al momento BASEMENT non consente di modellare in modo esplicito questi termini. La soluzione delle SWE necessita l’imposizione di condizione al contorno appropriate come tutte le altre equazioni differenziali alle derivate parziali. In particolare, i confini fisici possono essere divisi in due categorie: closed e open. Il primo generalmente esprime che nessuna massa può fluire attraverso il confine, che in genere consiste in una scarpata e/o un muro. La tipologia open riguarda un confine immaginario fluido-fluido e si riferisce alla sezione di ingresso ed a quella di uscita della portata fluida nel dominio di calcolo. Le SWE e le equazioni che reggono i fenomeni di trasporto solido costituiscono un sistema di equazioni non lineari alle derivate parziali. Per un tale sistema un approccio analitico è utile unicamente per casi ideali e in condizioni semplificate. Nei casi pratici si richiede l’applicazione di un metodo numerico la cui soluzione deriva dalla discretizzazione delle equazioni. BASEMENT utilizza il metodo dei volumi finiti (FV) nel quale le equazioni sono integrate su un volume definito da nodi della griglia di calcolo (mesh). I termini integrali del volume verranno sostituiti da integrali di superficie utilizzando la formula di Gauss. Questi integrali di superficie definiscono i flussi convettivi e diffusivi attraverso le superfici. A causa dell'integrazione sul volume, il metodo è completamente conservativo. Questa è una proprietà importante dei metodi FV. È noto infatti che per simulare i fenomeni di transizione discontinui, come ad esempio la propagazione delle onde di piena, è opportuno utilizzare metodi numerici di tipo conservativo in luogo di quelli di tipo non conservativo. 2.2 Il modulo Morphology Il modulo Morphology implementato in BASEplane consente di effettuare la simulazione dei fenomeni di trasporto solido in alveo connessi alla propagazione delle onde di piena. Il trasporto solido si attua secondo due modalità: 1) trasporto solido al fondo (bed-load), il quale interessa quei sedimenti che sono trasportati prevalentemente a contatto del letto ed il movimento consiste sostanzialmente in una successione di salti dei grani, associati a moti di rotolamento dei grani stessi sul fondo e, moti di strisciamento, specie per particelle appiattite; 2) trasporto solido in sospensione (suspended-load) del materiale costituente il letto che viene portato in sospensione per particolari condizioni della corrente (sospensione da bed-material). La somma del trasporto al fondo e del trasporto in sospensione costituisce il trasporto solido totale. Risulta infatti noto come mediamente il movimento delle particelle solide si verifichi quando la tensione applicata supera la tensione critica per il movimento, in altre parole il materiale d’alveo si mette in moto quando le forze idrodinamiche (di sollevamento e trascinamento) prevalgono sulle forze che si oppongono al movimento (forza peso ed attrito). Nell’ipotesi di particelle omogenee, non coesive e su fondo orizzontale, Shields (1936), partendo dalle equazioni di equilibrio tra forze stabilizzanti e forze destabilizzanti, sviluppò una teoria di incipiente movimento. In particolare, si definiscono due parametri adimensionali; il primo è quello che definisce la mobilità di Shields:

𝜃𝑢∗

𝑔𝜌 𝜌

𝜌 𝑑

𝑢∗

𝑔∆𝑑

dove 𝑢∗ = 𝜏 𝜌 è la velocità di attrito funzione della velocità della corrente attraverso lo sforzo tangenziale al

fondo 𝜏 , è la densità relativa del grano immerso, mentre d è il dimetro del grano. Il secondo parametro

è il numero di Reynolds del grano che definisce la turbolenza del moto:

𝑅𝑒∗ 𝑑𝑢∗

𝑣

dove v è la viscosità cinematica dell’acqua. Questi due parametri sono legati da una funzione determinata sperimentalmente da Shields che identifica nel piano Re*, 𝜃cr la curva di separazione tra la zona di mobilità e quella di immobilità delle particelle (Figura 3).

 

6  

Figura 3: Diagramma di Shields.

Per i punti che giacciono sotto la curva (𝜃 𝜃 ) la corrente non è in grado di provocare il moto delle particelle, mentre i punti al di sopra della curva rappresentano condizioni di movimento dei sedimenti. La curva che rappresenta l’incipiente movimento (𝜃 𝜃 ) può essere divisa in tre tratte in funzione del numero di Reynolds. In aggiunta alla valutazione delle dinamiche di trasporto solido al fondo, il codice di calcolo può considerare il materiale che, a causa della ridotta dimensione o dell’effetto della corrente, rimane in prossimità della superficie libera. La legge adottata per la definizione del trasporto solido di superficie è l’equazione di Advezione - Diffusione con termini di scambio definiti secondo Van Rijn (1984), Zyserman and Fredsøe (1994). Non esiste un modo univoco per determinare la portata solida effettivamente trasportabile attraverso una sezione. Nel corso degli ultimi decenni, su base sperimentale, infatti sono state elaborate molteplici relazioni che includono vari parametri e che non hanno valenza assoluta, ma si adattano al meglio solo ad alcune situazioni specifiche. Le formule implementate in BASEplane per il calcolo del trasporto solido al fondo risultano essere pertanto numerose al fine di poter impiegare quella più adatta in relazione alla morfologia del corso d’acqua che si sta modellando. In particolare, in BASEplane sono disponibili le seguenti formule: MPM (Meyer-Peter and Muller), MPM multi, Power law, MPM-H, Parker, Rickenmann, Wu, Van Rijn, Smart-Jaeggi, Wilcock and Crowe, Engelund and Hansen. Per consentire la taratura del modello (qualora siano disponibili dati sperimentali), oltre alla scelta della formula che meglio si adatta alle condizioni granulometriche del caso in studio, è possibile intervenire sui coefficienti che reggono le stesse e settare un parametro che riduce l’effetto di asportazione al fondo. Alla stregua del modulo idrodinamico, le condizioni al contorno vanno definite sia a monte che a valle del dominio di calcolo. A monte è possibile definire le seguenti condizione al contorno: Sediment Discharge; Transport Capacity; IOUp (per approfondimenti teorici cfr. BASEMENT - Reference Manual). A valle l’unica condizione al contorno assegnabile è quella che impone l’uguaglianza tra la portata solida in ingresso a monte e quella in uscita dell’ultima cella a valle (IODown). Il sistema bi-fase (acqua-sedimenti) può essere rappresentato da un numero arbitrario di classi monogranulari (single grain oppure multi grain). Il dominio fisico è quindi suddiviso in volumi di controllo anche verticali per risolvere le equazioni governanti. La Figura 4 illustra una singola cella del modello numerico con suddivisione verticale in tre volumi di controllo: l’upper layer (strato azzurro) per la quantità di moto ed il trasporto solido sospeso, l’active layer (strato giallo) per il trasporto solido di fondo ed il sub layer (diviso a sua volta in due strati: uno per l’apporto solido verso lo strato superiore ed uno per l’accumulo). Le principali incognite dello strato superiore sono l’altezza del tirante idraulico h e le portate specifiche (in direzione delle coordinate cartesiane) q ed r; nell’active layer sono qBg,x e qBg,y che descrivono rispettivamente il trasporto di fondo specifico della g-esima classe granulometrica. La variazione dell’altezza di fondo ZB può essere ottenuta dalla combinazione delle equazioni di bilancio tra i suddetti strati verticali.

 

7  

Figura 4: Esempio di discretizzazione verticale (layer) di una singola cella di calcolo.

  3. Fasi necessarie alla realizzazione del modello numerico bidimensionale (2D) La modellazione idraulica di tipo bidimensionale (2D) necessita dell’utilizzo combinato di due distinti strumenti: meshatore, l’interfaccia grafica che consente la realizzazione della griglia di calcolo relativa all’area

da analizzare ovvero la discretizzazione del dominio in celle di calcolo. Le celle sono ottenute suddividendo il dominio di integrazione con linee che formano una griglia denominata mesh. Per tale studio si è utilizzato il plugin di QGIS denominato BASEmesh;

solutore, il codice di calcolo che mediante tecniche di integrazione numerica risolve per ogni singola cella le SWE fornendo i risultati delle simulazioni. In tale studio si è utilizzato il modulo di calcolo BASEplane che risolve le equazioni conservative con la tecnica di integrazione numerica dei volumi finiti (FV).

Nel prosieguo si riporteranno le fasi necessarie alla realizzazione del modello idraulico bidimensionale (2D) a fondo mobile realizzato. FASE 1 - Creazione della griglia (mesh) di calcolo: L’intera area oggetto di analisi deve essere modellata con una opportuna griglia di calcolo (mesh). Considerando che per il presente studio sono state utilizzate come portate di progetto onde di piena caratterizzate da un tempo di ritorno centenario (TR=100 anni), il dominio di calcolo sarà naturalmente rappresentato oltre che dall’alveo principale del fiume Natisone e del torrente Torre anche dalle rispettive zone golenali adiacenti (Figura 5). La superficie complessiva risulta essere di circa 4.995 kmq. La lunghezza sia dell’asta fluviale del torrente Torre (fino alla confluenza con il fiume Natisone) sia dell’asta fluviale del fiume Natisone (fino alla confluenza con il torrente Torre) è di circa 1.9 km. La lunghezza dell’asta fluviale del torrente Torre dalla sua confluenza con il fiume Natisone fino alla sezione di chiusura considerata è di circa 2.5 km.

 

8  

 Figura 5: Perimetrazione dei limiti spaziali del dominio di calcolo (A=4.995 kmq).

  Definiti i limiti spaziali del dominio di indagine risulta necessario costruire la griglia di calcolo (mesh). L’attribuzione di appropriate dimensioni e proporzioni alle celle è di fondamentale importanza poiché la griglia di calcolo (mesh) determina il passo di integrazione spaziale per la soluzione del sistema di equazioni differenziali che descrivono il comportamento del sistema. Una griglia di calcolo (mesh) ottimale deve presentare localmente, ove necessario, la risoluzione necessaria e sufficiente alla corretta rappresentazione locale delle grandezze e quindi deve essere fitta in zone con forti gradienti e rada in aree a basso gradiente altimetrico. In particolare, è stata realizzata una griglia di calcolo (mesh) di tipo non strutturato la cui distanza tra i nodi che la costituiscono è variabile da 2 m a 10 m in funzione della morfologia del terreno da modellare (Figura 6). Una tale risoluzione spaziale, a fronte di tempi di calcolo importanti, consente in linea teorica di ottenere una fedele riproduzione dell’andamento plano-altimetrico delle aree oggetto di analisi ed in particolar modo di modellare al meglio gli interventi in alveo previsti dallo stato di progetto (SDP). In Figura 7 si riporta a titolo di esempio il confronto relativo ad una sezione trasversale del fiume Natisone (a monte della confluenza con il torrente Torre) così come descritta dal rilievo laser scanner del terreno e la medesima sezione modellata per mezzo della griglia di calcolo (mesh) realizzata; risulta palese come tale griglia di calcolo (mesh) sia in grado di modellare in modo particolareggiato l’andamento plano-altimetrico dell’alveo. La griglia di calcolo (mesh) è costituita da un numero di 190987 nodi e 380575 celle.

 

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 Figura 6: Particolare relativo alla griglia di calcolo di tipo non strutturato utilizzata per la realizzazione del modello idraulico bidimensionale (2D).   

 Figura 7: Confronto andamento plano-altimetrico tra rilievo laser scanner (DTM) e griglia di calcolo (mesh) nello stato di fatto (SDF) presso una sezione trasversale del fiume Natisone.   

FASE 2 - Assegnazione dei coefficienti di scabrezza superficiali:

Realizzata la griglia di calcolo (mesh) è necessario attribuire ad ogni singola cella il coefficiente di scabrezza superficiale associato alla tipologia di terreno e/o destinazione d’uso del suolo che essa dovrà rappresentare/modellare. Risulta evidente come una griglia di calcolo (mesh) fitta costituita da celle di ridotte dimensioni possa descrivere fedelmente anche zone morfologicamente molto eterogenee. Ai fini del presente studio si è ritenuto opportuno definire per la modellazione relativa sia allo stato di fatto (SDF) sia allo stato di progetto (SDP) quattro distinte classi di tipologia di terreno e/o destinazione d’uso del suolo all’interno del dominio di calcolo considerato, ovvero:

 

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1. Alveo principale torrente Torre e fiume Natisone (colore grigio); 2. Zone arbustive e/o scarsamente vegetate insistenti nell’alveo principale del torrente Torre e del fiume

Natisone (colore verde chiaro); 3. Zone golenali e magredi (colore verde scuro); 4. Aree coltivate (colore marrone);

Sulla base della documentazione fotografica e delle immagini satellitari, sono stati ricavati i valori di scabrezza da associare ad ognuna delle quattro classi di tipologia di terreno e/o destinazione d’uso del suolo. Facendo riferimento alla letteratura scientifica (Tabella 1) per quanto riguarda l’alveo principale del torrente Torre e del fiume Natisone (classe 1) è stato assunto un valore del coefficiente di scabrezza ks = 30 (n = 0.33 secondo la formulazione di Manning), per le zone arbustive e/o scarsamente vegetate insistenti nell’alveo principale del torrente Torre e del fiume Natisone (classe 2) è stato assunto un valore del coefficiente di scabrezza ks= 25 (n = 0.40 secondo la formulazione di Manning), per le zone golenali (classe 3) è stato assunto un valore del coefficiente di scabrezza ks = 20 (n = 0.50 secondo la formulazione di Manning) così come per le aree coltivate (classe 4). In Figura 8 ed in Figura 9 si riportano rispettivamente la suddivisione relativa allo stato di fatto (SDF) ed allo stato di progetto (SDP) delle aree interne al dominio di calcolo in funzione dei diversi indici (classi) di scabrezza superficiale adottati. Tale distinzione è stata ritenuta necessaria considerando le variazioni morfologiche in alveo previste dall’intervento progettuale oggetto di studio.

Figura 8: Suddivisione delle aree in funzione dei diversi indici (classi) di scabrezza superficiale nello scenario relativo allo stato di fatto (SDF).

CLASSE 1 (Ks = 30) 

CLASSE 2 (Ks = 25) 

CLASSE 3 (Ks = 20) 

CLASSE 4 (Ks = 20) 

 

11  

Figura 9: Suddivisione delle aree in funzione dei diversi indici (classi) di scabrezza superficiale nello scenario relativo allo stato di fatto (SDP). Tabella 1: Coefficienti di scabrezza secondo la formulazione di Manning (Chow, 1959).

CLASSE 1 (Ks = 30) 

CLASSE 2 (Ks = 25) 

CLASSE 3 (Ks = 20) 

CLASSE 4 (Ks = 20) 

 

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FASE 3 - Quotatura della griglia di calcolo (mesh):

Costruita la griglia di calcolo (mesh) ed assegnati i coefficienti di scabrezza superficiale ad ogni cella, risulta necessario effettuare l’operazione di quotatura in modo tale da poter assegnare ad ogni singolo nodo che costituisce la griglia di calcolo (mesh) il relativo valore della quota altimetrica rispetto il datum di riferimento. Così facendo ogni nodo costituente la griglia di calcolo (mesh) sarà univocamente definito da una terna (X, Y, Z) in modo tale da poter descrivere fedelmente l’andamento plano-altimetrico dell’area che si intende modellare. In particolare, per quanto riguarda le aree golenali ed i magredi sono stati utilizzati i valori forniti dal DTM (Digital Terrain Model con risoluzione spaziale di 1 m) fornito della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia mentre per quanto riguarda l’alveo principale sono stati utilizzati i valori plano-altimetrici forniti dal rilievo laser scanner effettuato con un drone nel mese di maggio 2020 in modo tale da ottenere valori plano-altimetrico relativi all’alveo sufficientemente aggiornati. La quotatura della griglia di calcolo (mesh), ovvero dei nodi che la costituiscono, è stata eseguita automaticamente dal meshatore facendo interpolare la serie di punti quotati. La griglia di calcolo (mesh) così ottenuta risulterà una superficie tridimensionale quotata (Figura 10).  

 Figura 10: Vista tridimensionale (3D) della griglia di calcolo (mesh) relativa ad un tratto del fiume Natisone a monte della confluenza con il torrente Torre.   FASE 4 - Condizioni a contorno ed iniziali: La soluzione delle SWE (Shallow Water Equations) necessita l’imposizione di condizioni al contorno appropriate come tutte le altre equazioni differenziali alle derivate parziali. I confini fisici possono essere divisi in due categorie: close e open (Figura 11). La categoria close (anche dette condizioni al contorno di parete) generalmente esprime che nessuna massa può fluire attraverso il confine individuato e che in genere consiste ad esempio in una scarpata, un muro oppure un argine maestro. La tipologia open (anche dette condizioni al contorno di trasparenza) riguarda un confine immaginario fluido-fluido e si riferisce alla sezione di ingresso (condizione a contorno di monte) e di uscita (condizione a contorno di valle) delle portate fluide e/o solide. Nella modellazione eseguita come condizione al contorno di monte sono state considerate le portate di piena sia del torrente Torre sia del fiume Natisone immediatamente a monte della loro confluenza (Figura 12). In particolare, sono stati utilizzati gli idrogrammi di piena associati ad un tempo di ritorno centenario (TR=100 anni) e gentilmente forniti dall’Autorità di bacino distrettuale delle Alpi Orientali.

 

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Figura 11: Definizione delle condizioni a contorno di monte, di valle (open) e di parete (close).

Figura 12: Idrogrammi di piena (TR=100 anni) del torrente Torre a monte della confluenza con il fiume Natisone e del fiume Natisone a monte della confluenza con il torrente Torre (fonte: Autorità di bacino distrettuale delle Alpi Orientali).

OPEN OPEN

CLOSE

CLOSE

CLOSE

 

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Come condizione al contorno di valle è stata imposta una condizione di moto uniforme definendo la pendenza media dell’alveo del torrente Torre in coincidenza della sezione terminale del modello realizzato, ovvero in coincidenza della soglia collocata immediatamente a valle del ponte sul torrente Torre (SP 50 Palmarina) che collega gli abitati di Jalmicco e Viscone. Relativamente alle condizioni al contorno di monte per la modellazione dei fenomeni di trasporto solido è stata utilizzata la condizione Transport capacity la quale prevede che l’afflusso del sedimento sia calcolato dal modello numerico per ogni cella in base alla composizione del sedimento calcolando la capacità di trasporto in equilibrio dello stesso mentre per quanto riguarda le condizioni a contorno di valle è stata impiegata la condizione IODown la quale impone l’uguaglianza tra la portata solida in ingresso a monte e quella in uscita dell’ultima cella a valle. Per effettuare le simulazioni a moto vario è stato necessario inoltre effettuare in via preliminare simulazioni a moto permanente al fine di poter ottenere le condizioni iniziali propedeutiche alla propagazione delle onde di piena (ovvero degli idrogrammi di piena) in alveo. FASE 5 - Scelta della formula per la stima del trasporto solido: Per la stima del trasporto solido in alveo si è optato per un approccio del tipo single grain il quale prevede la definizione di una sola classe granulometrica rappresentativa dell’intero materiale ghiaioso presente in alveo e per la quale si deve definire il diametro mediano (D50), la densità e la porosità. Per quanto riguarda l’analisi granulometrica si è fatto riferimento a quanto riportato nello studio del 2006 effettuato dalla Protezione Civile della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia il quale individua nel tratto di torrente Torre in prossimità della confluenza con il fiume Natisone depositi caratterizzati da granulometria che varia da ghiaie grosse alle ghiaie fini con scarsa quantità di sabbia (Tabella 2). Tabella 2: Diametri caratteristici relativi al torrente Torre alla confluenza con il fiume Natisone.

D5 (mm) D16 (mm) D30 (mm) D50 (mm) D84 (mm) D90 (mm) D95 (mm) 4 9 16 27 53 60 74

Per il presente studio si è stimato un valore medio della porosità del 35% ed una densità di 2650 kg/mc. L’approccio single grain consente l’utilizzo delle seguenti formule per la stima del trasporto solido: MPM (Meyer-Peter and Muller), Rickenmann, Smart-Jaeggi e Power law. Nel presente studio si è optato per l’utilizzo della formula di Meyer-Peter and Muller (MPM) utilizzando dei coefficienti secondo la rivisitazione proposta da Wong e Parker nel 2006 (cfr. BASEMENT - Reference Manual):

𝑞𝐵 ∝ 𝑠 1 𝑔𝑑 𝜃 𝜃 ,

dove ∝ rappresenta il bed load factor, m il bed load exponent, 𝑞𝐵 il trasporto solido specifico relativo al sedimento di classe g, 𝜃 l’effective dimensionless shear stress per il sedimento di classe g, 𝜃 , il critical

dimensionless shear stress per il sedimento di classe g (𝜃 , = 0.047), 𝑑 il diametro del sedimento della classe g, s = ρs/ρ. La formulazione di Meyer-Peter and Muller (MPM) è di tipo empirico, basata su esperimenti in laboratorio ed è applicabile a sedimenti medio-grossolani (da sabbia media a ghiaia grossolana con diametro compreso tra 0.4 mm e 29 mm) per corsi d’acqua caratterizzati da pendenze fino al 2%. 4. Risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche effettuate Nel prosieguo si riporteranno le principali risultanze emerse dalle simulazioni effettuate per mezzo del codice di calcolo BASEMENT. L’utilizzo del modulo di calcolo BASEplane ha consentito di effettuare una modellazione idrodinamica di tipo bidimensionale (2D) a moto vario con fondo mobile relativa alla propagazione delle onde di piena di progetto alla confluenza del torrente Torre con il fiume Natisone. In particolare, le simulazioni effettuate hanno consentito di analizzare l’evoluzione della morfologia dell’alveo del fiume Natisone e del torrente Torre a seguito della propagazione delle relative onde di piena con tempo di ritorno di cento anni (cfr. Figura 12) sia nelle condizioni ante operam, ovvero nello stato di fatto (SDF), sia nelle condizioni post operam, ovvero nello stato di progetto (SDP) sulla base degli interventi previsti dal

 

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progetto di RIQUALIFICAZIONE FLUVIALE PRESSO LA CONFLUENZA DEI FIUMI TORRE E NATISONE PER LA SALVAGUARDIA DEI MAGREDI . La Figura 13 riporta una planimetria relativa alle sezioni fluviali lungo il fiume Natisone e torrente Torre prese come riferimento per il confronto e l’analisi dei risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche effettuate.

Figura 13: Planimetria relativa alle sezioni fluviali oggetto di analisi e comprensiva della perimetrazione degli interventi di scavo/riporto previsti in fase progettuale alla confluenza del torrente Torre con il fiume Natisone.

La Figura 14 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 1 (SEZ. 1) del fiume Natisone nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.85 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata. La Figura 15 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 1 (SEZ. 1) del fiume Natisone nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.69 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata. Dal confronto tra la Figura 14 e la Figura 15 si evince come gli interventi in progetto consentirebbero di ridurre il tirante idraulico associato alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) di circa 15 cm fungendo così da opera per il miglioramento della sicurezza idraulica del fiume Natisone; dall’analisi della

SEZ. 1 

SEZ. 2 SEZ. 4 

SEZ. 7 

 

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Figura 15 si noti infatti come la sommità del riporto/terrazzamento effettuato in sinistra idrografica (dalla progressiva 40 m alla progressiva 100 m) rimanga emerso anche in presenza di un’onda di piena caratterizzata da tempo di ritorno centenario (TR=100 anni). Relativamente alle forme di fondo si osservi come ci sia un consistente accumulo di sedimento dalla progressiva 150 m alla progressiva 380 m.

Figura 14: Sezione trasversale relativa allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 1 (SEZ. 1) del fiume Natisone nella condizione sia antecedente (SDF fondo ante) sia successiva (SDF fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.85 m slmm).

Figura 15: Sezione trasversale relativa allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 1 (SEZ. 1) del fiume Natisone nella condizione sia antecedente (SDP fondo ante) sia successiva (SDP fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.69 m slmm). La Figura 16 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 4 (SEZ. 4) del torrente Torre (a monte della confluenza) nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.98 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata.

 

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Figura 16: Sezione trasversale relativa allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 1 (SEZ. 4) del torrente Torre (a monte della confluenza) nella condizione sia antecedente (SDF fondo ante) sia successiva (SDF fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.98 m slmm). La Figura 17 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 4 (SEZ. 4) del torrente Torre (a monte della confluenza) nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.67 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata. Dal confronto tra la Figura 16 e la Figura 17 si evince come gli interventi in progetto consentirebbero di ridurre il tirante idraulico associato alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) di circa 30 cm fungendo così da opera per il miglioramento della sicurezza idraulica del torrente Torre a monte della sua confluenza con il fiume Natisone; relativamente alle forme di fondo si osservi come nello stato di progetto (SDP) ci siano fenomeni di erosione localizzati dalla progressiva 110 m alla progressiva 190 m ed un sostanziale accumulo di sedimento dalla progressiva 250 m alla progressiva 340 m.

Figura 17: Sezione trasversale relativa allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 4 (SEZ. 4) del torrente Torre (a monte della confluenza) nella condizione sia antecedente (SDP fondo ante) sia successiva (SDP fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 42.67 m slmm).

 

18  

La Figura 18 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 7 (SEZ. 7) del torrente Torre a valle della confluenza nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 37.53 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata.

Figura 18: Sezione trasversale relativa allo stato di fatto (SDF) del fondo alveo della sezione n. 7 (SEZ. 7) del torrente Torre (a valle della confluenza) nella condizione sia antecedente (SDF fondo ante) sia successiva (SDF fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 37.53 m slmm). La Figura 19 riporta sia il profilo trasversale relativo allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 7 (SEZ. 7) del torrente Torre (a valle della confluenza) nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) sia il profilo idraulico relativo al valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 37.34 m slmm) lungo la sezione trasversale individuata. Dal confronto tra la Figura 18 e la Figura 19 si evince come gli interventi in progetto consentirebbero di ridurre il tirante idraulico associato alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) di circa 19 cm fungendo così da opera per il miglioramento della sicurezza idraulica del torrente Torre a valle della sua confluenza con il fiume Natisone; relativamente alle forme di fondo si osservi come nello stato di progetto (SDP) ci siano fenomeni di erosione localizzati sia dalla progressiva 180 m alla progressiva 250 m sia dalla progressiva 500 m alla progressiva 570 m ed un sostanziale accumulo di sedimento sia dalla progressiva 250 m alla progressiva 340 m sia dalla progressiva 400 m alla progressiva 500 m. Ai fini della valutazione del comportamento degli interventi previsti in fase progettuale si ritiene utile riportare anche il profilo trasversale relativo allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 2 (SEZ. 2) del fiume Natisone nella condizione antecedente e successiva alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni). Tale sezione (Figura 20) infatti è rappresentativi sia delle opere di scavo sia di riporto/terrazzamento previste dal progetto. In particolare, dall’analisi della Figura 20 si evince come la propagazione in alveo dell’onda di piena di progetto con tempo di ritorno centenario (TR=100 anni) non vada a modificare in modo sostanziale la forma della sezione trasversale a conferma dell’efficacia degli interventi in progetto. Figura 15, Figura 17 e Figura 19 hanno riportato nel dettaglio, ovvero localmente, esclusivamente l’evoluzione delle forme di fondo relative all’alveo del fiume Natisone e torrente Torre in prossimità degli interventi progettuali previsti; per un’analisi globale circa l’evoluzione delle forme di fondo dell’intero “sistema confluenza torrente Torre - fiume Natisone”, nel prosieguo si riportano due planimetrie in cui si evidenziano le zone d’alveo soggette ad erosione oppure deposito in seguito alla propagazione dell’onda di

 

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piena centenaria (TR=100 anni) nelle condizioni relative sia allo stato di fatto (Figura 21) sia allo stato di progetto (Figura 22), ovvero a lavori di scavo/riporto in alveo effettuati. Come già affermato in precedenza, gli interventi previsti in fase di progettazione hanno consentito di ottenere anche un miglioramento dal punto di vista della sicurezza idraulica presso la confluenza del fiume Natisone e del torrente Torre grazie all’efficientamento/omogeneizzazione dei deflussi in alveo come si può evincere dal confronto tra la Figura 23 e la Figura 24 in cui si riporta la mappatura dei valori di velocità della corrente in occasione del picco di piena centenario (TR=100 anni) rispettivamente nello stato di fatto (SDF) e stato di progetto (SDP).

Figura 19: Sezione trasversale relativa allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 7 (SEZ. 7) del torrente Torre (a valle della confluenza) nella condizione sia antecedente (SDP fondo ante) sia successiva (SDP fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni) e relativo valore (medio) del livello di tirante idraulico (WSE - Water Surface Elevation) massimo raggiungibile (+ 37.34 m slmm).

Figura 20: Sezione trasversale relativa allo stato di progetto (SDP) del fondo alveo della sezione n. 2 (SEZ. 2) del fiume Natisone nella condizione sia antecedente (SDP fondo ante) sia successiva (SDP fondo post) alla propagazione dell’onda di piena di progetto (TR=100 anni).

 

20  

Figura 21: Planimetria relativa alle zone d’alveo del torrente Torre e del fiume Natisone soggette ad erosione oppure deposito (valori espressi in metri) in seguito alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) nello stato di fatto (SDF). N.B.: si è riportata anche la perimetrazione delle aree oggetto di intervento (scavo/riporto) al fine di poter confrontare al meglio le differenze in termini di erosione/deposito tra lo SDF e SDP.

SEZ. 1 

SEZ. 2 

EROSIONE (‐) DEPOSITO (+) [m] 

 

SEZ. 4 

SEZ. 7 

 

21  

Figura 22: Planimetria relativa alle zone d’alveo del torrente Torre e del fiume Natisone soggette ad erosione oppure deposito (valori espressi in metri) in seguito alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) nello stato di progetto (SDP) con la perimetrazione delle aree oggetto di intervento (scavo/riporto).

SEZ. 1 

SEZ. 2 SEZ. 4 

SEZ. 7 

EROSIONE (‐) DEPOSITO (+) [m] 

 

 

22  

 Figura 23: Planimetria relativa alle velocità raggiungibili in alveo presso la confluenza del torrente Torre e del fiume Natisone in seguito alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) nello stato di fatto (SDF). N.B.: si è riportata anche la perimetrazione delle aree oggetto di intervento (scavo/riporto) al fine di poter confrontare al meglio le differenze in termini di velocità tra lo SDF e SDP.

SEZ. 1 

SEZ. 2 

VALORI VELOCITÀ [m/s] 

 

SEZ. 4 

SEZ. 7 

 

23  

 Figura 24: Planimetria relativa alle velocità raggiungibili in alveo presso la confluenza del torrente Torre e del fiume Natisone in seguito alla propagazione dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) nello stato di progetto (SDP).   

VALORI VELOCITÀ [m/s] 

 

SEZ. 1 

SEZ. 2 SEZ. 4 

SEZ. 7 

 

24  

5. Conclusioni Le simulazioni numeriche effettuate con il codice di calcolo BASEMENT hanno consentito di effettuare un’analisi di tipo preliminare finalizzata al confronto ed alla valutazione dell’efficacia delle ipotesi progettuali proposte alla confluenza del fiume Natisone e del torrente Torre. Nel prosieguo saranno riportate le principali risultanze emerse dallo studio: Gli interventi in progetto consentono di ridurre il tirante idraulico associato alla propagazione

dell’onda di piena centenaria (TR=100 anni) di circa 15-30 cm fungendo così da opera per il miglioramento della sicurezza idraulica dell’area. Questo aspetto risulta essere importante in particolar modo per le aree a valle della confluenza, dove esistono strutture arginali di perimetrazione. Tali argini risultano fortemente interessati dai deflussi di piena e pertanto un abbassamento del tirante idraulico permette di mitigare il rischio di sormonto e conseguente collasso dell’arginatura.

Dall’analisi dell’evoluzione del trasporto solido effettuata, così come dall’evoluzione della mappa delle velocità ottenuta, si evidenzia come le aree oggetto di intervento progettuale per la realizzazione di strutture di riporto al fine della mitigazione dell’erosione spondale non risultano soggette a particolare erosione. Questo si traduce nel fornire alle stesse una sufficiente stabilità nel tempo con conseguente capacità di vegetare. Si perviene quindi a sponde in grado di offrire maggiore resistenza all’asporto in condizioni di piena.

Dal confronto tra le sezioni relative allo stato di fatto (SDF) e stato di progetto (SDP) si evidenzia come le aree dove si interviene con la riattivazione dei rami attualmente abbandonati acquisiscano una tendenza ad un limitato deposito per eventi di piena estremi, senza che si manifestino particolari occlusioni o escavazioni. Questo indica come la posizione di tali riattivazioni sia ottimizzata, cioè tale da permettere il migliore deflusso sia della corrente di piena sia del sedimento trasportato prevalentemente al fondo.

La riattivazione dei rami secondari abbandonati e l’allontanamento dei canali più incisi dalle zone in evidente erosione verso le sponde e arginature esistenti permette una mitigazione del rischio idraulico nell’area della confluenza. La realizzazione di nuove protezioni spondali mediante riporti di ghiaie e sabbie uniti a tecniche di ingegneria naturalistica, ubicate nei punti maggiormente soggetti ad erosione, permette una stabilizzazione della sponda ed un incremento della sua capacità di resistere a piene centenarie, permettendo la difesa dei prati stabili esistenti nell’area della confluenza tra fiume Natisone e torrente Torre.