LA PERIMETRAZIONE DELLE AREE A RISCHIO IDRAULICO
Capitolo 5
5.1 Premessa
L'aggiornamento 2007 del Piano Stralcio delle Fasce Fluviali ha riguardato la determinazione delle fasce di pertinenza fluviale, per i tempi di ritorno Tr=30, Tr=200 e Tr= 500 anni, del fiume Cavone, sulla base di rilevazioni topografiche e caratterizzazioni granulometriche di fondo alveo.
Per la prima volta i dati topografici tradizionali sono stati integrati, ai fini di una più precisa definizioni dei limiti delle aree inondabili, con un DTM di altissima precisione ottenuto mediante l'utilizzo di un Laser-Scanner montato su elicottero.
Con la determinazione delle Fasce Fluviali sul fiume Cavone sono stati completati gli studi del rischio idraulico afferenti al reticolo idrografico principale.
La metodologia utilizzata per gli aggiornamenti è basata sull'utilizzo del metodo VAPI, mediante il quale vengono determinate le portate al colmo di piena con assegnata probabilità di accadimento, rispetto alle quali è stata condotta un'analisi idraulica mediante l'applicazione di un modello idrodinamico per lo studio di correnti in moto stazionario.
La perimetrazione delle aree inondabili è stata eseguita utilizzando i rilievi topografici delle sezioni, le ortofotocarte in scala 1:5000 ed i risultati delle simulazioni. Questi sono stati riportati sia in forma tabellare che grafica utilizzando, come supporto, le suddette ortofoto digitali.
Lo studio è stato condotto considerando le condizioni di moto permanente relative alle massime portate di piena con tempi di ritorno rispettivamente di 30, 200 e 500 anni.
I calcoli sono stati eseguiti considerando l'alveo a fondo fisso. Poiché è ben noto che gli alvei alluvionati si modificano al passaggio delle portate molto alte assumendo sezioni di ampiezza e profondità dipendenti dall'azione di modellamento della corrente, alla luce di ulteriori studi ed approfondimenti da condursi parallelamente sulla dinamica fluviale, sarà possibile perfezionare i risultati ottenuti e pervenire successivamente ad una più precisa stima delle aree
a rischio di inondazione.
La base topografica utilizzata per la valutazione della pericolosità idraulica consiste essenzialmente in:
- rilievi topografici delle sezioni trasversali dell'asta principale del fiume e delle relative strutture idrauliche e di attraversamento;
- rilievo delle caratteristiche granulometriche del fondo alveo in alcune sezioni significative distribuite lungo il corso del fiume;
- ortofotocarte in formato digitale raster in scala 1:5000, di una fascia comprendente il fiume per una ampiezza di circa 2 km, i relativi punti quotati e le isoipse in formato vettoriale generate dal modello digitale del terreno, la cui cartografia costituita da 7 immagini separate è stata composta per la generazione di un unico layer;
- profili longitudinali delle arginature e relativa ubicazione.
Attraverso l'acquisizione dei suddetti dati e di dati storici in bibliografia è stato inoltre effettuato uno studio sulla dinamica fluviale al fine di classificare i diversi tratti d'alveo (incisi in formazioni lapidee o in terreni fortemente coerenti, tronchi alluvionati e pedemontani e tronchi incassati di pianura), riconoscere le tendenze evolutive e definire l'assetto della rete idrografica prima e dopo gli interventi antropici.
5.2 Il modello idrologico
Lo studio idrologico utilizzato per valutare il rischio di piena in una sezione qualsiasi del reticolo idrografico del bacino è basato sui risultati e le metodologie dell'indagine VAPI già effettuata in Basilicata, (VAlutazione delle PIene) Rapporto di sintesi per la regione Basilicata (bacini del versante ionico) a cura di P. Claps e M. Fiorentino.
Tale metodologia fa riferimento ad un approccio di tipo probabilistico per la valutazione dei massimi annuali delle portate di piena. Per ridurre le incertezze legate alla presenza di eventi estremi molto rari in ogni singolo punto ed alla variabilità da sito a sito del valore indice della piena, si adotta una metodologia di analisi regionale che si avvale anche di modelli concettuali di formazione dei deflussi di piena a partire dalle precipitazioni intense sul bacino. Tale approccio consente di utilizzare non solo tutta l'informazione idrometrica ma anche tutta quella pluviometrica, posseduta su un dato territorio.
In particolare, viene adottato un modello probabilistico a doppia componente (TCEV) che interpreta gli eventi massimi annuali come il risultato di una miscela di due popolazioni distinte: la prima produce gli eventi massimi ordinari, più frequenti ma meno intensi; la seconda produce gli eventi massimi straordinari, meno frequenti ma spesso catastrofici. Si fa poi riferimento ad una procedura di regionalizzazione gerarchica, in cui i diversi parametri del modello probabilistico vengono valutati a scale regionali differenti, in funzione dell'ordine statistico del parametro stesso. La metodologia appena descritta è basata su analisi a scala regionale che tendono a trascurare la presenza di eventuali anomalie locali.
In analisi e studi locali, a scala di bacino, l'elaborazione di tali anomalie può rivestire carattere essenziale ai fini della corretta valutazione della distribuzione di probabilità dei massimi annuali delle portate di piena: in tutti questi casi potrebbero rendersi necessarie indagini idrologiche ad hoc. A tal proposito va evidenziato che fattori decisivi nella definizione della distribuzione di probabilità delle piene sono quelli climatici "caratteristici", cioè medi, dei bacini, in aggiunta a quelli geopedologici e di uso del suolo. I primi risultano attivi nel definire il numero medio annuo di piogge intense e la "resa" delle sollecitazioni in termini di numero medio annuo di piene. I fattori d'uso del suolo e geopedologici concorrono essenzialmente a determinare la "resa" delle piogge intense in termini di valore medio e numero delle piene.
Nel caso di bacini in cui sono presenti uno o più manufatti che provocano squilibri sul regime naturale delle portate di piena, occorrerà valutarne 1'effetto con modelli di simulazione del comportamento idrologico/idraulico delle opere stesse. A seguito dei risultati ottenuti da tali studi si potrà effettuare una modellazione più raffinata fino ad addivenire ad una simulazione fisico-matematica completa dell'effettivo comportamento idraulico dei manufatti durante gli eventi di piena presi a riferimento.
La valutazione delle fasce di pertinenza fluviale con assegnata probabilità di accadimento (o tempo di ritorno "T" - vedi DPCM 29/09/1998), è stata effettuata, come già detto, considerando portate al colmo di piena determinate secondo la metodologia "Analisi di frequenza delle portate al colmo di piena" VAPI Valutazione delle Piene in Italia GNDCICNR.
Tale studio indica la possibilità di stima delle portate al colmo di piena, "QT", con assegnato tempo di ritorno, "T", come prodotto della piena indice "E(Q)" per il fattore probabilistico di crescita "KT":
QT = KT E(Q)
E' ben noto che la piena indice, la cui variabilità è fortemente influenzata dall' area del bacino, può essere stimata tramite una legge del tipo:
E(Q) = α Aβ
Nel succitato studio VAPI vengono riportate due relazioni per il calcolo della piena indice, relative alle due aree, nelle quali è stata suddivisa la Basilicata, ritenute omogenee ai fini del calcolo della suddetta piena indice, tabella 1:
| Area omogenea 1 | Area omogenea 2 |
| Bacini del Bradano, Basento, Cavone e Agri | Bacini del Sinni, del Lao e del Noce |
| E(Q) = 2.13 A0.766 | E(Q) = 5.98 A0.64 |
Tabella 1 - Aree omogenee ai fini del calcolo della piena indice
Ai fini del calcolo del fattore probabilistico di crescita KT , in accordo con la variabilità dei parametri geomorfoclimatici, si è suddiviso il territorio in tre zone omogenee (tabella 2) a ciascuna delle quali corrisponde una coppia di valori dei parametri "a" e "b" da inserire nella seguente relazione:
(ln: logaritmo naturale; T: tempo di ritorno)
| Zona A | Zona B | Zona C | |||
| Bacino del Bradano | Basso bacino del Basento | Bacini dell' Agri, del Sinni, del Cavone, del Noce e alto bacino del Basento |
|||
| a | b | a | b | a | b |
| -0.5673 | 0.9930 | -0.2354 | 0.7827 | 0.0565 | 0.5977 |
Tabella 2 - Aree omogenee ai fini del calcolo del fattore probabilistico di crescita KT
5.3 Il modello idraulico
Per effettuare le elaborazioni idrodinamiche è stato utilizzato, in questa fase, il modello di simulazione HEC-RAS (River Analysis System), sviluppato presso l'Hydrologic Engineering Center, dall'United States Army Corps of Engineers. Tale modello consente il calcolo dei profili idraulici di moto permanente gradualmente vario, in reti di canali naturali o artificiali.
Con tale modello possono essere simulate condizioni di moto subcritico (corrente lenta), supercritico (corrente veloce) e misto, e possono essere valutati gli effetti di immissioni o emissioni laterali di portata, briglie e salti di fondo (weir), paratoie, brevi condotti in pressione (culvert), ponti (bridge), ostacoli al flusso e costruzioni edificate nelle zone golenali.
Il modello dispone di una interfaccia grafica che facilita le operazioni di definizione della geometria del problema, dei parametri di calcolo e dell'analisi dei risultati esprimibili sia in termini di tabelle che di grafici. Questi ultimi includono la visualizzazione del tirante idrico relativo a ciascuna sezione, la visualizzazione dei profili di moto permanente (con l'indicazione del pelo libero, dei limiti arginali, della quota della linea dell'energia, ecc...) e grafici in prospettiva tridimensionali che consentono di evidenziare le aree soggette ad inondazione nelle differenti condizioni idrometriche.
Nelle ipotesi di condizioni di moto permanente unidimensionale, corrente gradualmente variata (fatta eccezione per le sezioni in cui si risente della presenza di strutture, quali ponti o tombini per attraversamento) e pendenze longitudinali del fondo dell'alveo non eccessive, per un dato tratto fluviale elementare, di lunghezza finita, il modello si basa sulla seguente equazione di conservazione dell'energia tra le generiche sezioni trasversali di monte e di valle, rispettivamente indicate coi pedici 2 e 1:
Y2+Z2+α2V22/(2g) = Y1+Z1+α1V12/(2g)+ΔH
Le perdite energetiche per unità di peso che subisce la corrente fluida fra due sezioni trasversali sono espresse come segue:
| ΔH= | LJm+C | (α2 V22 | - | α1 V12) |
| |
(2g | 2g) |
in cui L è la lunghezza del tratto in analisi, Jm è un valore medio rappresentativo della cadente (perdita di carico per unità di lunghezza) nel tratto medesimo e C è il coefficiente di contrazione o espansione; in tal modo, si tiene conto sia delle perdite di carico continue o distribuite, rappresentate dal primo addendo del membro di destra, sia delle perdite di carico localizzate o concentrate, rappresentate dal secondo addendo del membro di destra e dovute alle variazioni di sezione trasversale e/o alla presenza di ostacoli strutturali.
Negli alvei naturali, si suole suddividere la sezione trasversale in tre parti, caratterizzate da differenti valori della scabrezza, in cui la velocità si possa ritenere uniformemente distribuita: la parte centrale o canale principale, interessata dalle portate più basse, e le banchine laterali o golene, interessate dalle portate più alte. La determinazione della cadente, J, sezione per sezione avviene tramite l'equazione di moto uniforme di Manning:
| media dei coeff. di trasporto | Jm= | Q1+ Q2 K1+K2 |
| media aritmetica |
Jm = (J1+ J2)/2 | |
| media geometrica | Jm = (J1J2)0,5 | |
| media armonica | Jm = 2J1J2/(J1+ J2) |
Il programma HEC-RAS seleziona automaticamente l'equazione più appropriata per il calcolo di Jm, a seconda che, nel tratto di volta in volta considerato, l'alveo sia a forte o debole pendenza e la corrente sia lenta o veloce, accelerata o decelerata.
Per ciascun tronco fluviale compreso tra due sezioni trasversali si considerano la lunghezza del canale centrale, Lc, e le lunghezze delle banchine laterali, Lsx e Ldx rispettivamente per la golena sinistra e quella destra. Per la determinazione delle perdite di carico continue, si adopera un valore della lunghezza pari alla media pesata di Lc, Lsx e Ldx sulle portate medie riferite anch'esse all'alveo centrale e alle golene (Qc,m, Qsx,m e Qdx,m):
Il coefficiente di Coriolis si esprime come segue, in funzione dei coefficienti di trasporto, Ki, e delle aree bagnate, Ai, del canale principale e delle golene:
| α | = | A2 | Σi | K3i |
| K3 | Ai2 |
La procedura di calcolo per la determinazione della profondità d'acqua in ogni sezione è iterativa: si assegna una condizione iniziale a valle o a monte (tirante di moto uniforme, altezza critica, profondità d'acqua nota, ecc.) e si procede verso monte o valle secondo che si stia ricostruendo un profilo di corrente lenta o veloce; si assume una quota della superficie libera, WSI=YI+ZI, di primo tentativo nella sezione in cui essa è incognita; si determinano K e
V; si calcolano Jm e ΔH; si ottiene dall'equazione dell'energia un secondo valore della quota dell'acqua, WSII,da paragonare con quello assunto inizialmente; si ripetono i passi suddetti finché la differenza tra le quote della superficie libera risulti inferiore alla tolleranza prestabilita (3 mm).
La profondità d'acqua determinata, Y=WS-Z, va paragonata con l'altezza critica, Ycr, per stabilire se il regime di moto è subcritico o supercritico. L'altezza critica è quella profondità d'acqua per cui il carico totale, H=WS+ΔV2/(2g), assume valore minimo. In alvei naturali, si possono presentare situazioni in cui la curva dell'energia, ossia la funzione H(WS), presenta più di un minimo, ad esempio in presenza di ampie golene o di superamento di argini. Il programma HEC-RAS può individuare fino a tre minimi nella curva dell'energia, tra i quali seleziona il valore più piccolo.
Note la profondità d'acqua e l'altezza critica in una data sezione, si stabilisce se nella sezione stessa il regime è di corrente lenta o veloce. Se tale regime è differente da quello che si è verificato nella sezione precedente, la profondità d'acqua appena determinata perde di significato e alla sezione si assegna l'altezza critica.
Nel caso di passaggio da regime supercritico a subcritico tramite risalto idraulico, la corrente perde il carattere gradualmente variato e l'equazione dell'energia non può essere applicata. In tal caso, si ricorre all'equazione di conservazione della quantità di moto:
| β2 Q22 | + | A2Y2,b | + | (A1+A2) | ⋅L⋅i | - | (A1+A2) | ⋅L⋅Jm | - | β1Q12 | - | A1 Y1,b=0 |
| gA2 | 2 | 2 | gA1 |
Per ciascuno dei tratti oggetto di studio sono state indicate le stazioni identificative delle diverse sezioni trasversali (river stations), numerate in senso decrescente procedendo da monte a valle (le stazioni con asterisco indicheranno sezioni non rilevate, ma calcolate per interpolazione all'interno di HEC-RAS); accanto a ogni stazione sarà indicata la lunghezza in metri (Lc, Lsx e Ldx) che separa la sezione in questione dalla successiva a valle.
I valori del coefficiente di scabrezza, n, di Manning sono tabulati su diverse pubblicazioni nella letteratura specializzata. In particolare si è fatto riferimento ai testi classici di Ven Te Chow e Richard H. French. I coefficienti di contrazione e di espansione, rispettivamente pari a 0,1 e 0,3 nei casi più comuni di transizioni graduali in regime subcritico, possono assumere valori differenti in presenza di ponti (valori più elevati quali 0,3 e 0,5 rispettivamente).
In figura 1 sono riportati degli esempi di sezioni naturali ed in presenza di strutture, sul lato destro le sezioni sono indicate così come utilizzate dal programma di simulazione, sul lato sinistro della figura nelle stesse sezioni è rappresentato anche il livello idrico conseguente alla simulazione (uno degli output del programma)
Nella figura 2 e nella figura 3 è, invece, riportato un esempio di un altro output del programma, il profilo longitudinale del pelo libero in corrispondenza di un tratto di alveo naturale rappresentato nel piano longitudinale (fig. 2) e in una vista tridimensionale (fig. 3).
5.4 I risultati
In figura 4 è riportato un esempio di delimitazione per i diversi valori di Q relativamente a due dei valori di Tr adottati. In particolare tra sezioni successive l'ampiezza dell'onda è stata individuata con l'ausilio delle curve di livello riportate sulla cartografia.
In figura 5 è riportato un esempio di delimitazione delle aree di pertinenza fluviale a rischio di inondazione sulla carta topografica.
I nuovi studi di dettaglio elaborati per l'aggiornamento 2006 hanno interessato l'asta fluviale del fiume Agri, procedendo da monte verso valle, fino all'intersezione della stessa con la S.S. 106 Jonica.
Da quest'arteria fino alla foce fluviale, in attesa della definizione di uno studio più approfondito, attraverso un modello bidimensionale, valgono le precedenti delimitazioni delle aree inondabili.
