ESERCITAZIONE Studio idrologico I metodi indiretti per la valutazione delle piene

1. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio Ingegneria Civile Angela Candela Protezione Idraulica del Territorio ESERCITAZIONEStudio idrologicoI metodi indiretti per la valutazione delle piene

2. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Metodi indirettiModelli di piena Bacino idrografico Portata q(t) [m3/s] La valutazione delle piene Afflusso A(x,y,t) [mm/h] Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

3. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Metodi indirettiModelli di piena La valutazione delle piene L’utilizzazione dei metodi indiretti richiede la definizione e la messa a punto di un opportuno modello matematico di tipo deterministico della trasformazione afflussi -deflussi Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

4. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Presupposto fondamentale… La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

5. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

6. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

7. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

8. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

9. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

10. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

11. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

12. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Individuazione del bacino idrografico Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

13. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Fasi della modellazione dei fenomeni di piena 3 2 La valutazione delle piene Stima precipitazioni temibili Determinazione delle perdite idrologiche e della conseguente pioggia netta Trasferimento del deflusso superficiale alla sezione di chiusura del bacino imbrifero Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

14. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Previsione del quantile richiesto QT Bacino strumentato Bacino non strumentato Analisi puntuale precipitazioni Analisi regionale precipitazioni Modello trasf. pioggia lorda-pioggia effettiva Modello trasf. pioggia lorda-pioggia effettiva Modello trasferimento (IUH) Modello trasferimento (IUH) La valutazione delle piene 1. Determinazione piogge temibili Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

15. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Analisi puntuale delle precipitazioni • Identificazione modello probabilistico della serie dei massimi annuali delle altezze di pioggia ht e valutazione delle piogge ht,T • Identificazione legge di variazione dell’altezza di pioggia di dato T con la durata dell’evento (CPP) • Scelta della forma della pioggia di progetto per fissati T e durata dell’evento Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

16. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Scelta del modello probabilistico teorico Test statistico di adattamento Stima dei parametri del modello probabilistico La valutazione delle piene Analisi puntuale delle precipitazioni Si utilizzano le massime altezze di pioggia annuali (AMS) di durata pari a 1, 3, 6, 12, 24 ore riportate negli annali per un periodo sufficientemente esteso Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

17. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Analisi puntuale EV1 (Gumbel) GEV1 (General Extreme Value) Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

18. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Analisi regionale • Nel caso in cui il campione disponibile sia poco significativo oppure il sito in esame privo di stazioni di misura, le tecniche di elaborazione puntuali possono risultare imprecise • Le tecniche regionali consentono invece di utilizzare le misure relative ad un’intera regione omogenea • In tal modo è possibile: • Utilizzare un campione di dati maggiore • Studio idrologico anche in siti privi di stazioni di misura • Fare ricorso a leggi con più di due parametri Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

19. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Legge di probabilità TCEV (Two Component Extreme Value distribution) (Rossi et al., 1984) componente base + componente straordinaria della variabile l1l2 (parametri TCEV) numero medio di eventi delle due componenti, di base e straordinaria, l1 >> l2 q1 q2 (parametri TCEV) medie degli eventi appartenenti a ciascuna componente (q1 << q2) Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

20. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Analisi regionale (AMS) Stima dei parametri del modello probabilistico TCEV (Two-Component Extreme Value) Procedura gerarchica di regionalizzazione articolata su tre livelli successivi in ognuno dei quali si ritengono costanti alcuni statistici della distribuzione Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

21. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene CPP- TCEV L1Media aritmetica dei valori di l1 che competono alle singole stazioni ricadenti nella sottozona La variabile x’ = ht,T/m(ht) si chiama fattore di crescitax’ e rappresenta la variabilità relativa degli eventi estremi ai diversi tempi di ritorno. Il suo valore è una grandezza caratteristica della regione considerata Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

22. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Primo livello di regionalizzazione Coefficiente di asimmetria teorico della serie dei massimi annuali delle piogge è costante in una regione molto ampia, denominata zona omogenea, e ad essa competono valori dei parametri L* e Q* dipendenti dalla durata t DATI UTILIZZATI NELL’INDAGINE: Dati di pioggia di max intensità e fissata durata (tab. III Annali idrologici dello UIR) relativi alle 172 stazioni pluviografiche siciliane con almeno 10 anni di funzionamento nel periodo di osservazione 1928-1981 Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

23. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Secondo livello di regionalizzazione Individuazione di sottozone omogenee nelle quali risulta costante, oltre al coefficiente di asimmetria, anche il coefficiente di variazione della legge teorica. SOTTOZONA A SOTTOZONA B SOTTOZONA C Sottozone pluviometricamente omogenee Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

24. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Secondo livello di regionalizzazione Curve di crescita non esplicitabili rispetto a x’ corrispondente ad una fissata frequenza probabile Sono stati calcolati i valori di x’ di assegnata durata e tempo di ritorno, risultando con ottima approssimazione dipendenti da t e T secondo: Curve di crescita valide per T>10 SOTTOZONA A SOTTOZONA B SOTTOZONA C Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

25. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Terzo livello di regionalizzazione Ricerca di relazioni regionali tra il parametro centrale della distribuzione di probabilità e le grandezze geografiche (superficie del bacino) relative al sito di misura Criterio regionale per la stima di m nei siti privi di stazioni di misura o con modesto numero di anni di osservazione così da rendere applicabile la procedura in qualsiasi punto della regione I coefficienti a ed n sono tabellati per tutte le stazioni pluviografiche siciliane, per i siti sprovvisti di stazioni misura possono essere stimati sulla base della carta delle iso-a ed iso-n Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

26. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Terzo livello di regionalizzazione Carta delle iso-a per il territorio siciliano Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

27. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Terzo livello di regionalizzazione Carta delle iso-n per il territorio siciliano Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

28. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene 1. Determinazione precipitazioni intense Piogge di breve durata (< 1 ora) • Le espressioni utilizzate per rappresentare le CCP sovrastimano le altezze delle precipitazioni di breve durata • Determinazioni dei valori relativi alle brevi durate: • Uso altezze di pioggia misurate di durata inferiore all’ora • Uso di espressioni tarate a scala regionale N.B t è in minuti Per il territorio siciliano s è pari a 0.386 Angela Candela – Corso di Protezione Idraulica del Territorio

29. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Ia A F Tasso, L/T Tempo, T La valutazione delle piene 2. Determinazione pioggia netta Metodo SCS-CN • 1. In un evento pluviale, il Volume Specifico di Pioggia A, è bilanciato al suolo da tre componenti: • il Volume Specifico di Imbibizione, Ia, • il Volume Specifico di Infiltrazione, F, • il Volume Specifico di Deflusso Superficiale, Q. 2a. Il Volume Specifico di Deflusso Superficiale, Q, è direttamente proporzionale a quello di pioggia, detratto l’imbibizione iniziale (P - Ia). 2b. Il Volume Specifico di Infiltrazione, F, è fisicamente limitato da una soglia superiore di saturazione, S, detta Volume Specifico di Massima Potenziale Ritenzione del Suolo. 2c. La costante di proporzionalità è pari al rapporto tra il Volume Specifico di Infiltrazione, F, e il suo valore limite, S. Continuità Eq. empirica di serbatoio

30. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene 2. Determinazione pioggia netta Metodo SCS-CN Il parametro Ia rappresenta un volume specifico di pioggia sottratto a priori al bilancio in esame, e descrive in modo globale diversi processi: - intercettazione da parte della vegetazione; - accumulo nelle depressioni superficiali; - imbibizione iniziale del terreno. Ia = cS dove c è generalmente variabile da 0.1 a 0.3 Di conseguenza, il modello utilizza un solo parametro, S, per descrivere il processo di assorbimento

31. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene 2. Determinazione pioggia netta Metodo SCS-CN Il Parametro Adimensionale di Assorbimento, CN Il volume specifico di saturazione S dipende dalla natura del terreno e dall’uso del suolo, globalmente rappresentati dal parametro CN, secondo la relazione Fattore di Scala dell’Unità di Misura: S0 = 254 mm = 10 inches

32. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene 2. Determinazione pioggia netta Metodo SCS-CN Il Parametro Adimensionale di Assorbimento, CN CN varia in funzione di 4 diverse classificazioni: 1.- classificazione della possibilità di infiltrazione del suolo (‘hydrologic soil group’) A, B, C e D (dove A indica i suoli a maggiore infiltrabilità e D quelli a minore infiltrabilità) 2. - uso del suolo (colture disposte a file, pascoli, boschi, etc.), trattamento della superficie (solchi dritti, solchi a reggipoggio, solchi a reggipoggio e terrazzamenti ) 3. - condizione di drenaggio (cattiva, discreta, buona) 4. - condizioni iniziali di saturazione dei suoli. Utilizzando valori tabellati, il parametro CN può essere quantificato per le diverse condizioni specificate sopra nelle classificazioni da 1 a 3 e per un valore medio di saturazione iniziale dei suoli Tipo Idrologico di Suolo 0 < CN 100 Natura e Stato di Manutenzione della Copertura Vegetale e/o Infrastrutture Civili e Urbane Uso del Suolo

33. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN Pioggia “Netta” versus Pioggia “Lorda”

34. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN

35. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN 1cattive condizioni: copertura inferiore al 50% e elevato sfruttamento; discrete condizioni: copertura tra il 50 e il 75% e modesto sfruttamento; buone condizioni: copertura superiore al 75% e sfruttamento saltuario. 2cattive/discrete/buone condizioni: copertura inferiore al 50%, tra il 50 e il 75%, superiore al 75%. 3cattive condizioni: sottobosco soggetto a sfruttamento e distruzione per via degli incendi; discrete condizioni: sottobosco soggetto a sfruttamento, ma al riparo dagli incendi; buone condizioni: sottobosco protetto. 4cattive condizioni: copertura inferiore al 30%; discrete condizioni: copertura tra il 30 e il 70%; buone condizioni: copertura superiore al 70%. 5per esempio, boschi nativi misti (rovere, castagno, pioppo, acero, pino marittimo, lauro, ecc.). 6per esempio, cespugli nativi misti (ginepro, rosmarino, ginestra, ecc.). 7per esempio, arbusti nativi misti (artemisia tridentata, salvia, ecc.). 8per esempio, agave, fico d'india, peyote, cactus, ecc.

36. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN

37. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN

38. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN

39. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN Stato iniziale di imbibizione L’effetto dello stato di imbibizione del terreno all’inizio della pioggia viene rappresentato da una variazione di CN legata alla quantità di pioggia caduta nei cinque giorni precedenti “Antecedent Moisture Conditions” Classi: AMC I: Asciutto AMC II - Umido AMC III: Fortemente Imbibito

40. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene Metodo SCS-CN Applicazione ANALISI CONSEGUENZE IDROLOGICHE EVENTO 31.05.1995 • Dati: • bacino contribuente: 70 ha • altezza totale di precipitazione: 199.8 mm (P1 = 58.2 mm; P2: 141.6 mm) • CN(II) bacino: 72 • CN(I): 58 • CN(III): 86 • per 1° evento: condizioni AMC I; per 2° evento AMC III 1° evento 2° evento

41. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene 3. Determinazione portata di piena FORMULA RAZIONALE

42. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene CALCOLO TEMPO DI CORRIVAZIONE Formula di Giandotti valida per bacini di forma non allungata e A > 100 km2 Formula di Kirpich valida per piccoli bacini montani (A < 20 km2) dove il tempo di corrivazione in ore è espresso in funzione della superficie A in km2 del bacino, la lunghezza L in km del percorso idraulicamente più lungo, e H in m l’altitudine media del bacino rispetto alla sezione di chiusura, D in m il dislivello dell’asta principale

43. Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali La valutazione delle piene CALCOLO TEMPO DI CORRIVAZIONE Metodo della velocità dove il tempo di corrivazione in secondi è espresso in funzione della lunghezza L in m del percorso idraulicamente più lungo e della velocità di propagazione della piena in m/s (v è dell’ordine di 1-1.5 m/s) Formula di D’Asaro-Agnese dove il tempo di corrivazione in ore è espresso in funzione della superficie A in km2 del bacino e della velocità di propagazione della piena in m/s (v è dell’ordine di 1-1.5 m/s)