Gestione del rischio idraulico e previsione dell'evoluzione delle onde di esondazione in tempo reale

Rischio idraulico: gli strumenti di analisi degli eventi alluvionali

Tra le più frequenti manifestazioni di fragilità del territorio italiano c’è sicuramente quella legata al rischio idraulico.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi strumenti che permettono una descrizione e una analisi più accurata degli eventi alluvionali. Tali strumenti consentono di intervenire in tre diverse fasi distinte:

1. Nella ricostruzione di eventi passati,
2. Nella progettazione di misure di mitigazione del rischio idraulico,
3. Nella gestione delle emergenze.

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L’analisi dei dati territoriali per la modellazione idraulica 2D

L’avanzamento negli ultimi vent’anni delle tecniche di rilevamento della superficie terrestre ha permesso di ottenere rilievi di dettaglio in cui sono descritte con accuratezza tutte le forme del territorio che influiscono nell’evoluzione delle onde di esondazione su una piana alluvionale.

In Figura 1 è riportato il Modello Digitale del Terreno (DTM) a maglia regolare quadrata con risoluzione 1 m × 1 m ottenuto da un rilevo Lidar di una porzione di territorio in corrispondenza dell’abitato di Bomporto in provincia di Modena, situato in fregio al fiume Panaro. Tale rappresentazione del territorio, come è evidente nella Figura 1, riesce a descrivere adeguatamente rilevati di qualsiasi tipo e geometria. In particolare si possono notare i rilevati arginali del fiume Panaro, del canale Naviglio, i rilevati stradali e anche la microtopografia come il reticolo di canali minori che drenano gli appezzamenti di terreno. Tutti queste caratteristiche del territorio che influiscono notevolmente sulla evoluzione di eventuali fenomeni alluvionali, devo essere incorporate nei modelli idraulici per renderli più affidabili e accurati. I rilevati di qualsiasi genere, possono essere individuati manualmente in base all’esperienza e alla conoscenza del territorio del tecnico che costruisce il modello numerico. Una alternativa può essere l’individuazione automatica realizzata attraverso l’algoritmo LANDMARK (Moretti e Orlandini, 2023).

Tale algoritmo permette di individuare i rilevati in modo completamente automatico fissando un valore soglia di altezza del rilevato rispetto alla quota media del terreno circostante. Nella Figura 1b sono riportate in rosso le linee ottenute in modo automatico che identificano i rilevati che si elevano di almeno 0.25 m sul terreno circostante. Tra i software di calcolo che permettono la costruzione di modelli idraulici bidimensionali per la simulazione di eventi alluvionali, il software HEC-RAS, sviluppato dal United States Army Corp of Engineers (USACE), permette l’utilizzo di linee come quelle appena descritte, chiamate breaklines, che influenzano l’evoluzione delle onde di esondazione che si propagano in una piana alluvionale.

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Tramite il software HEC-RAS, che è scaricabile gratuitamente, è possibile quindi sviluppare una maglia di calcolo come quella riportata in Figura 2b, dove le celle, generalmente di forma irregolare, si appoggiano alle cosiddette breaklines.

In Figura 2a è riportata invece la maglia di calcolo strutturata di forma quadrata e dimensione 10 m × 10 m. HEC-RAS permette, per qualsiasi tipologia di maglia di calcolo, la definizione dell’assetto topografico del terreno in modo dettagliato utilizzando ad esempio il DTM ad alta risoluzione.

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La ricostruzione di un evento alluvionale

Nel gennaio 2014 una porzione della pianura Modenese tra i fiumi Secchia e Panaro è stata interessata da un evento alluvionale causato dalla rottura dell’argine del fiume Secchia in località San Matteo, poco a Nord della città di Modena.

La rottura arginale, causata dalla presenza di tane di animali fossori nella parte sommitale del corpo arginale (Orlandini et al. 2015), ha avuto luogo nella prima mattina del 19 gennaio 2014. Nelle ore successive, secondo le analisi post evento, è fuoriuscito un volume d’acqua pari a 36 × 106 m³ che ha dato luogo ad un’onda di esondazione che si è propagata nella piana alluvionale tra il fiume Secchia e il fiume Panaro interessando i centri abitati di Bastiglia, Bomporto, Solara, e lambendo quelli di Camposanto e San Felice sul Panaro. Utilizzando il software HEC-RAS sono stati costruiti due modelli idraulici bidimensionali allo scopo di ricostruire l’evento alluvionale. In entrambi i modelli è stato utilizzato il DTM a risoluzione 1 m × 1 m per la descrizione dell’assetto topografico del terreno.

Il primo modello, la cui risultante mappa di allagamento è stata riportata in Figura 2a, come già evidenziato è caratterizzato da una maglia di calcolo strutturata con dimensione 10 m × 10 m.

Il secondo modello, la cui risultante mappa di allagamento è stata riportata in Figura 2b, introduce invece le cosiddette breaklines ricavate in modo automatico dal DTM ad alta risoluzione. In Figura 3a è riportato il confronto tra l’allagamento alle ore 11 del 20 gennaio 2014, già riportato anche in Figura 2b, ricostruito con il modello e ciò che è stato osservato alla medesima ora. Si può notare come vi sia una elevata corrispondenza tra il prodotto del modello numerico e l’osservazione.

Corrispondenza che viene meno se si confronta l’allagamento ottenuto con il modello a maglia regolare riportato in Figura 2a con ciò che è stato osservato. Nonostante la maglia regolare abbia celle mediamente molto più piccole della maglia non strutturata, si può notare una porzione del centro abitato protetta dal rilevato stradale che erroneamente risulterebbe allagata. Il confronto con gli allagamenti osservati mette in luce come l’introduzione nella geometria del modello idraulico di elementi lineari come le breaklines, che evidenziano i rilevati e sui quali si adagia la maglia di calcolo non strutturata, sia essenziale per ottenere risultati affidabili.

Inoltre, una maglia di calcolo non strutturata che sia costituita da celle più ampie dove il terreno non presenza discontinuità nell’assetto topografico, e da celle di minori dimensioni i cui bordi si adattano agli elementi rilevati che modificano l’evoluzione del fenomeno alluvionale, permette di ridurre notevolmente l’onere computazionale. Per il caso in esame il cui il tempo di simulazione considerato è pari a 6 giorni e il dominio di calcolo si estende per 161 km² , la scelta della maglia di calcolo strutturata con risoluzione 10 m (Figura 2a) porta ad un tempo di calcolo di 17 ore e 28 minuti.

La scelta invece della maglia di calcolo non strutturata (Figura 2b e Figura 3), caratterizzata da un numero di celle notevolmente minore, limita il tempo di calcolo a soli 37 minuti. Come riportato in Figura 3b il modello idraulico basato su una maglia di calcolo non strutturata offre una mappa di allagamenti comparabile alle osservazioni non solo in ambiente urbano ma anche in ambiente rurale.

L'approfondimento è preso da un intervento realizzato durante l'evento Archidays organizzato dall'Ordine degli architetti e degli ingegneri di San Marino.

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• La progettazione di misure di mitigazione del rischio idraulico
• La gestione delle emergenze