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1. Introduzione
Il
presente lavoro ha l’obiettivo di studiare una parte del bacino del torrente
Marina, verificare la capacità idraulica per portate con tempi di ritorno di
20, 50, 100 e 200 anni, calcolare il trasporto solido in prossimità della
briglia esistente e valutare eventuali interventi atti a ridurre il rischio
idrogeologico.
Nello
specifico, dopo una fase iniziale d'inquadramento generale delle
caratteristiche geografiche e geologiche del bacino idrografico del torrente
Marina, si procede con l'implementazione del modello idrologico e del modello
idraulico, tramite l’utilizzo dei software HEC-HMS e HEC-RAS.
Il
rischio idraulico, da intendersi come rischio di inondazione da parte di acque
provenienti da corsi d’acqua naturali o artificiali, risulta essere, anche
secondo l’approccio dettato anche dalla normativa nazionale (L.267/98) in
materia, il prodotto di due fattori: la pericolosità (ovvero
la probabilità di accadimento di un evento calamitoso di una certa entità) e
il danno atteso (inteso come perdita di vite umane o di beni
economici pubblici e privati).
La
pericolosità è un fattore legato sia alle caratteristiche fisiche del corso
d’acqua e del suo bacino idrografico, sia alle caratteristiche idrologiche,
ovvero intensità, durata, frequenza e tipologia delle precipitazioni, nel
bacino imbrifero dal quale si alimenta ogni corso d’acqua.
Il
rischio idraulico inoltre può riguardare anche le opere idrauliche realizzate
dall’uomo, qualora vengano meno le condizioni di sicurezza per il funzionamento
delle stesse. È necessario pertanto valutare tra i rischi idraulici anche la
tenuta degli sbarramenti sui corsi d’acqua, l’efficienza di manufatti di scolo
e scolmatura (canali e tombinature), la funzionalità dei sistemi di drenaggio
delle acque piovane nelle zone urbanizzate e il corretto funzionamento dei
sistemi di pompaggio per le aree di bonifica.
La
problematica della riduzione del rischio idraulico sul territorio toscano è
continuamente affrontata dall'Autorità di bacino del fiume Arno che provvede
all'attuazione dei piani approvati durante l'attività di pianificazione anche
attraverso la progettazione degli interventi per la riduzione del rischio
idraulico.
2.
Contesto Normativo
2.1 Normativa di riferimento a livello
nazionale
L’inquadramento
normativo ha l’obiettivo di indicare e riportare gli elementi di supporto alla ricostruzione
del contesto normativo del territorio e delle attività.
· Regio
Decreto 25 luglio 1904, n.523 “Il testo unico delle disposizioni di legge
intorno alle opere idrauliche delle diverse categorie”.
· Regio
Decreto 13 febbraio 1933, n.215 “Nuove norme per la bonifica integrale”.
· D.P.R.
616/77 Art.82 comma 5° lett. c, b per i corsi d’acqua pubblici.
· D.P.R.
21 dicembre 1999, n.554 “Regolamento di attuazione della legge quadro in
materia di lavori pubblici (11 febbraio 1994, n.109 e successive modifiche)”.
· D.lgs.
3 aprile 2006, n.152 “Norme in materia ambientale”.
In particolare:
Art. 1 - Ambito di
applicazione
Il presente decreto
legislativo disciplina, in attuazione della Legge 15/12/2004, n. 308, le materi
seguenti:
a) nella parte seconda, le
procedure per la valutazione ambientale strategica (VAS), per la valutazione
d’impatto ambientale (VIA) e per l’autorizzazione ambientale integrata (IPPC);
b) nella parte terza, la
difesa del suolo e la lotta alla desertificazione, la tutela delle acque dall’inquinamento
e la gestione delle risorse idriche;
c) nella parte quarta, la gestione dei rifiuti e la
bonifica dei siti contaminati;
d) nella parte quinta, la tutela dell’aria e la riduzione
delle emissioni in atmosfera;
e) nella parte sesta, la tutela risarcitoria contro i
danni all’ambiente”.
· D.lgs.
12 aprile 2006, n.163 “Codice dei contratti pubblici relativi a lavori, servizi
e forniture in attuazione delle direttive 2004/17/CE e 2004/18/CE”.
Il
rischio idraulico, come detto in precedenza nell’introduzione, è dettato dalla
legge 267/98 e viene appunto interpretato come il rapporto tra la pericolosità
e il danno atteso.
Gli
interventi esistenti sono finalizzati alla riduzione della pericolosità degli
eventi e alla riduzione dei danni. I primi, definiti in generale interventi
strutturali, possono comprendere:
1. interventi
rivolti ad incrementare la capacita di laminazione del corso d’acqua, quali
aree di espansione, casse di laminazione, serbatoi di accumulo;
2. interventi
mirati ad incrementare la capacita di smaltimento del corso d’acqua, quali ad esempio
l’ampliamento delle sezioni idrauliche e l’adeguamento delle strutture
arginali;
3. interventi
rivolti alla riduzione della portata in alveo, quali i diversivi e gli
scolmatori.
Gli
interventi per la riduzione del danno, vengono definiti interventi non
strutturali e comprendono:
1. una
corretta politica del territorio;
2. l’adozione
di adeguate scelte tipologiche degli insediamenti nelle aree di rischio;
3. la
messa a punto di sistemi di allarme e protezione civile;
4. la
delocalizzazione degli insediamenti a elevato rischio o comunque di ostacolo
alla realizzazione degli interventi per la riduzione del rischio.
2.2 Normativa di riferimento a livello
regionale
· Legge
Regionale 5 maggio 1994, n.34 “Norme in materia di bonifica”.
· Deliberazione
del Consiglio Regionale della Toscana n.155 del 20 maggio 1997 “Direttive sui criteri
progettuali per l’attuazione degli interventi in materia di difesa idrogeologica”.
·
Legge Regionale 11 dicembre 1998, n.91 “Norme per la difesa del suolo”.
2.3 Normativa di riferimento a livello
provinciale
La
progressiva antropizzazione del territorio ha, nel tempo, sottratto spazi
naturalmente dedicati alla raccolta e smaltimento delle acque superficiali. Gli
elementi del reticolo naturale di deflusso e le zone di espansione ("zone
di pertinenza fluviale") sono stati progressivamente trasformati fino a perdere
gran parte della loro naturalità.
Il
rischio idraulico rappresenta indubbiamente, per le caratteristiche del
reticolo idrografico del territorio provinciale, un problema di primaria
importanza. Gli eventi registrati negli ultimi anni suggeriscono, infatti, una
pericolosità idraulica diffusa, che diviene particolarmente insidiosa in caso
di precipitazioni abbondanti ed estese, capaci di determinare una repentina
risposta nell’aumento dei livelli idrometrici. A fronte di una risposta del
fiume Arno e degli affluenti principali nei tratti di rigurgito, rapida ma con
tempi sufficienti a monitorarne l’evoluzione (mediante l’ausilio dei sistemi di
monitoraggio della rete idro-pluviometrica regionale che il Centro Funzionale
mette a disposizione dei Centri Situazioni) e con la possibilità di prevedere,
con un tempo sufficiente, l'evoluzione di un evento di piena sul Fiume Arno e
con tempi decisamente minori per gli altri principali corsi d'acqua (Fiume
Arno, Sieve, Ombrone P.se, Bisenzio e Greve), le maggiori preoccupazioni sono
rivolte al reticolo minore, il quale, per sua natura, presenta generalmente
tempi di risposta agli eventi atmosferici particolarmente rapidi, che diminuiscono,
drasticamente, anche i tempi necessari per l’allarme e le necessarie
attivazioni. La situazione delle criticità è in parte descritta dalle carte
della Pericolosità Idraulica e dalle Carte del Rischio Idraulico elaborate e
redatte dalle Autorità di Bacino competenti le quali evidenziano la presenza di
aree estremamente vulnerabili in zone di pertinenza fluviale o esondabili con
rilevate ricorrenze.
Anche
nel caso del Rischio Idraulico le autorità di bacino competenti nel territorio
provinciale hanno adottato i PAI con impostazioni diverse (l’AdB del Fiume Arno
ha prodotto cartografia della pericolosità idraulica mentre le restanti AdB
hanno elaborato le corrispondenti carte del rischio). Anche in questo caso,
sulla base delle perimetrazioni della pericolosità idraulica dell’Adb del Fiume
Arno, è stata ipotizzata, con riserva di definitiva validazione, una tabella
della popolazione soggetta a rischio. Tali informazioni rappresentano una base
conoscitiva fondamentale per una valutazione dei possibili effetti a seguito di
crisi della rete idrografica. In attuazione della direttiva del Presidente del
Consiglio dei Ministri del 27/2/2004, la Regione Toscana provvederà inoltre
alla emanazione di norme per la costituzione dei presidi territoriali
idraulici, i quali potranno rappresentare un valido strumento per fronteggiare
in maniera organica gli eventi connessi al rischio idraulico. Una ulteriore
criticità è rappresentata dalla presenza nel territorio provinciale di numerosi
invasi (circa 300), di cui alla L.R. 91/98, soggetti alla competenza
autorizzativa e di vigilanza provinciale, alcuni dei quali rappresentano o
possono rappresentare un rischio per cose e/o persone.
A
questi si aggiungono le dighe e gli sbarramenti di interesse nazionale, di
competenza del R.I.D. (Registro Italiano Dighe), come definite dall’art.1 del
DL 507/1994 convertito con L. n.584/1994, le quali sono dotate di un Foglio di
condizioni per l’esercizio e la manutenzione e di un “Documento di Protezione
civile”, predisposto dall’Ufficio periferico del R.I.D. e, nelle more del
processo di chiarificazione in corso in materia, attualmente approvato dalla Prefettura
in conformità a quanto disposto da Circ. Min. LL.PP. 352/87 e Circ. PCM-DSTN
19/3/1996. Con tale documento sono codificate le comunicazioni che il Gestore
deve eseguire in situazioni di criticità: fase di preallerta (vigilanza), fase
di allerta (vigilanza rinforzata), fase di allerta-pericolo (allarme tipo 1),
fase di allerta-collasso (allarme tipo 2), manovre sugli organi di scarico. Per
quanto riguarda le opere di competenza provinciale (Art. 14 della L. 91/98),
sono in corso verifiche sulle possibili criticità che saranno poi oggetto di
apposite pianificazioni - comunale, intercomunale e provinciale di emergenza.
2.4 - PAI: Piano per l’Assetto
Idrogeologico
La
base normativa sulla quale sarà fondato l’intero progetto è il Piano stralcio
per l'Assetto
Idrogeologico
per il bacino del fiume Arno, redatto ai sensi e per gli effetti della legge n.
183/1989 e del decreto-legge n. 180/1998, con le relative fonti normative di
conversione, modifica e integrazione. Il PAI si configura in particolare come
stralcio funzionale del Piano di bacino ai sensi dell’art. 17 della legge
quadro.
Il
PAI recepisce i contenuti:
−
del Piano stralcio relativo alla riduzione del rischio idraulico approvato
con DPCM 5novembre 1999, in particolare per quanto attiene al quadro conoscitivo
generale, all’analisi delle criticità e alla pianificazione e programmazione
degli interventi di mitigazione del rischio;
−
dei Piani straordinari per la rimozione delle situazioni a rischio
idrogeologico più alto,redatto ai sensi del DL n. 132/99, convertito nella
legge n. 226/99, approvati con delibere del Comitato Istituzionale n. 134 e
137.
Il
Piano stralcio per l'Assetto Idrogeologico per il bacino del fiume Arno (PAI)
descrive la
situazione
delle criticità ed evidenzia la presenza di aree estremamente vulnerabili in
zone di pertinenza fluviale o esondabili con rilevate ricorrenze. Il PAI è
costituto da una serie di elaborati cartografici organizzati come descritto in
seguito:
Assetto
idraulico
−
Perimetrazione delle aree con pericolosità idraulica (scale 1:25000 – 1:10000)
−
Carta degli elementi a rischio (scala 1:10000)
Assetto
Geomorfologico
−
Perimetrazione delle aree con pericolosità da frana (scale 1:10000 – 1:100000)
−
Carta degli elementi a rischio (scala 1:10000)
−
Aree con fenomeni geomorfologici di versante (scala 1:25000)
−
Cartografie di sintesi (scala 1:200.000)
In
termini analitici, il rischio idrogeologico è quantificabile con una semplice
relazione che lega pericolosità, vulnerabilità e valore esposto:
Rischio = Pericolosità x Vulnerabilità
x Valore Esposto
Con
il termine pericolosità si intende la probabilità che una calamità naturale si
abbatta con una data intensità e in un determinato periodo di tempo nella area
studiata; essa è dunque funzione della frequenza dell’evento, denominata tempo
di ritorno. La vulnerabilità indica invece l’attitudine di una determinata
“componente ambientale” (popolazione umana, edifici, servizi, infrastrutture,
etc.) a sopportare gli effetti in funzione dell’intensità dell’evento. Viene
così espresso il grado di perdite di un dato elemento o di una serie di
elementi risultante dal verificarsi di un fenomeno di una data intensità,
espressa in una scala da zero (nessun danno) a uno (danno massimo).
Il
valore esposto indica infine l’elemento che deve sopportare l’evento e può
essere espresso o dal numero di presenze umane o dal valore delle risorse
naturali ed economiche presenti, esposte ad un determinato pericolo.
Il
prodotto vulnerabilità per valore indica quindi le conseguenze derivanti
all’uomo, in termini sia di perdite di vite umane, che di danni materiali agli
edifici, alle infrastrutture ed al sistema produttivo.
Il
rischio esprime dunque il numero atteso di perdite di vite umane, di feriti, di
danni a proprietà, di distruzione di attività economiche o di risorse naturali,
dovuti ad un particolare evento dannoso; in altre parole il rischio è il
prodotto della probabilità di accadimento di un evento per le dimensioni del
danno atteso.
All’interno
del bacino idrografico dell’Arno, sono state individuate aree considerato a
rischio idrogeologico ed è stato loro definito un codice di rischio crescente
da P1 a P4.
I
livelli di pericolosità sono schematizzati in quattro classi, in funzione del
tempo di ritorno Tr:
· P1 -
Area a pericolosità moderata: comprende aree inondabili da eventi con tempo di
ritorno 200 anni < Tr ≤ 500
anni;
· P2 -
Area a pericolosità media: comprende aree inondabili da eventi con tempo di
ritorno 30 anni < Tr ≤ 100
anni e con battente h < 30 cm e aree inondabili da eventi con tempo di
ritorno 100 anni < Tr ≤ 200
anni;
· P3 -
Area a pericolosità elevata: comprendente aree inondabili da eventi con tempo
di ritorno Tr ≤ 30
anni con battente h < 30 cm e aree inondabili da un evento con tempo di
ritorno 30 anni < Tr ≤ 100
anni e con battente h ≥ 30
cm;
· P4 -
Area a pericolosità molto elevata: comprendente aree inondabili da eventi con
tempo di ritorno Tr ≤ 30
anni e con battente h ≥ 30
cm.
A
questo proposito segue in figura, dal piano di bacino del fiume Arno:
· Perimetrazione
delle aree con pericolosità idraulica e relativa legenda della zona in esame;
· Carta
guida delle aree allagate della zona in esame redatta sulla base degli eventi
alluvionali significativi (1966-1999) e relativa legenda;
3. Inquadramento
3.1 Inquadramento geografico
Il bacino imbrifero del torrente Marina è, in gran parte
sito nel territorio comunale di Calenzano. Con i suoi 13 km, 10 dei quali nel
comune di Calenzano e i 3 restanti nel comune di Campi Bisenzio, il fiume è un
affluente del fiume Bisenzio. Nella figura sottostante è possibile individuare
la locazione geografica del bacino del Bisenzio, all’interno della zona di
competenza dell’autorità di bacino del fiume Arno.
Fig.
3.1.1: Bacino fiume Bisenzio, collocazione geografica
Fig.
3.1.2: Comune di Calenzano, area di competenza territoriale
Fig. 3.1.3: Comune di Calenzano: posizione geografica
Posizione
Fig. 3.1.4: Posizione area di studio: la polilinea
evidenzia il territorio del comune di Calenzano. Si notano i bacini del
Bisenzio e della Sieve.
Fig. 3.1.5: Reticolo delle acque del torrente Marina
comprese nel territorio comunale di Calenzano
Il torrente si forma dalla confluenza di diversi ruscelli
che scendono dal Monte Maggiore percorrendo poi la sua valle, compresa
tra i Monti della Calvana ed il Monte Morello. Attraversati i centri abitati di
Carraia, de La Chiusa e di Calenzano, il Marina entra nel territorio
comunale di Campi Bisenzio in località La
Prata, riceve le acque del Garille Nuovo e confluisce nel Bisenzio
nei pressi della località di Fornello.
La
seguente relazione ha come scopo la modellazione idrologica del bacino del
torrente Marina fino a La Chiusa nel comune di Calenzano, e con i dati ottenuti
effettuare un’analisi idraulica del tratto a valle, sito tra le località della
Carraia e la Chiusa nel comune di Calenzano (FI). Per tale analisi ci si è
avvalsi dei programmi HEC-HMS 3.5 per la modellazione idrologica e di HEC-RAS
4.1.0 per l’analisi idraulica, nel quale sono stati impostati i dati per uno
studio in moto permanente e in moto vario.
Fig. 3.1.6: Inquadramento zona, Google Maps
3.2 Inquadramento geologico, geomorfologico e idrologico
3.2.1 Analisi DTM
Tramite il DTM 20m a disposizione è stato possibile
condurre uno studio più approfondito della zona, in particolare delle sue
caratteristiche geomorfologiche.
Fig. 3.2.1: DTM Digital Terrain Model passo 20m, Autorità
di Bacino Arno, particolare zona Calenzano
Il
DEM ottenuto permette di evidenziare le differenze di quota attraverso lo
studio delle zone in ombra e in luce ottenute da una prefissata direzione del
fascio. E’ possibile inoltre riscontrare nella figura successiva la linea
spartiacque tra il bacino del Bisenzio (del quale il Marina è un affluente) e
una parte del bacino superiore, ricadente nella zona del comune di Vaglia. Un
tratto della valle sulla destra della prossima immagine è la zona dove è stato
condotto lo studio.
Fig. 3.2.2: DEM ombreggiatura
Tramite il DTM sono state eseguite analisi computerizzate
di vario tipo come l’asperità del terreno, la pendenza e l’esposizione.
Fig. 3.2.3: Pendenza (valore in gradi)
Fig 3.2.4: Pendenza, valore percentuale
MISURE DEL BACINO
|
|
Area bacino (kmq)
|
25,12
|
Perimetro bacino (km)
|
42,95
|
Lunghezza asta principale (km)
|
8,36
|
Quota max (m slm)
|
914,70
|
Quota sezione di chiusura (m
slm)
|
98,60
|
FORMA DEL BACINO
|
|
Indice di forma di Horton
|
0,014255
|
Coefficiente di forma di
Gravelius
|
0,00026
|
Rapporto di allungamento
|
8,26838
|
Tabella 3.2.1: Dati del bacino in esame
Fig. 3.2.5: Ingrandimenti zona di studio, si riportano
anche i corsi d’acqua che alimentano il torrente nella prima parte del percorso
Fig. 3.2.6: DTM sovrapposto a DEM
3.2.2 Analisi idrologica
·
Pluviometria
Il bacino imbrifero del torrente Marina ricade nell’area
d’influenza del pluviometro di Calenzano.
In tabella vengono riportate le principali
caratteristiche relative al pluviometro di Monte Oliveto:
Tabella 3.2.2: Dati relativi al pluviometro “Calenzano”
Le Linee Segnalatrici di
Probabilità Pluviometrica (LSPP) esprimono la relazione tra l'altezza della
precipitazione (h), la durata dell'evento (t) e la sua frequenza (Tr). L’espressione
matematica di una curva di questo tipo è la seguente:
dove per t(durata di pioggia) > 1
ora si hanno:
a = 19,994
n = 0,332
m = 0,187
Con questi parametri è possibile costruire la Linea
segnalatrice di Probabilità Pluviometrica per ciascun Tempo di Ritorno:
Fig. 3.2.7: Linea Segnalatrice di Probabilità
Pluviometrica per la stazione “Calenzano”
Nel nostro caso abbiamo
calcolato le altezze di pioggia per tempi di ritorno Tr pari a 20, 50, 100 e
200 anni ottenendo i seguenti risultati:
h(Tr=200) = 70,15 mm
h(Tr=100) = 61,62 mm
h(Tr=50) = 54,13 mm
h(Tr=20) = 45,61 mm
4. Studio Idrologico tramite il software
HEC-HMS
HEC-HMS
è un software sviluppato dal Hydrologic Engineering Center ed ha lo scopo di
simulare i processi afflussi - deflussi di un bacino idrografico.
Il
programma è un modello matematico che contiene una vasta classificazione di
metodi per la simulazione dello scorrimento idrico superficiale, e può essere
applicato ad una vasta gamma di aree geografiche e casi problematici.
Le
componenti fondamentali di un modello idrologico sono:
·
Basin
Model
·
Meteorologic
Model
·
Time
Series Data
·
Control
Specifications
·
Simulation
Runs
4.1. Basin Model
Per la caratterizzazione fisica del
bacino, il modello ha richiesto di specificare gli elementi idrologici
presenti, quali:
·
Subbasin
(sottobacino): un
sottobacino è un elemento che non ha alcuna portata in ingresso ed è
caratterizzato da un idrogramma dei deflussi in uscita;
·
Reach
(tratto di corso
d’acqua): un elemento Reach è caratterizzato da uno o più ideogrammi di deflusso
in ingresso e da un idrogramma in uscita;
·
Junction
(giunzione): un
elemento di tipo Junction è caratterizzato da avere uno o più idrogrammi in
ingresso ed un solo idrogramma in uscita;
·
Reservoir
(invaso): gli
elementi di tipo Reservoir sono caratterizzati da avere uno o più idrogrammi di
deflusso in ingresso ed un idrogramma in uscita;
·
Diversion
(diversione): un
elemento Diversion è caratterizzato dall’avere due idrogrammi in uscita ed uno
o più idrogrammi in ingresso;
·
Source
(sorgente): un
elemento Source è caratterizzato da non avere deflussi in ingresso e da avere
un solo idrogramma in uscita;
·
Sink
(pozzo): un elemento
sink è caratterizzato da avere uno o più idrogrammi in ingresso e nessun
idrogramma in uscita.
4.1.1
Elementi idrologici SUBBASIN
In questo studio è stato analizzato il
bacino del torrente Marina schematizzandolo in tre sottobacini come segue: a
monte troviamo i subbasin Vezzana e Le Croci che affluiscono nella junction
Lamadisotto, dopodichè il torrente prende corpo con il reach La Marina 1; il
terzo subbasin Carraia, posto più a valle rispetto ai due precedenti,
confluisce nell’asta principale nella junction Cassiana, dalla quale prosegue
il reach 2. La sezione di chiusura sink è stata presa 450 metri dopo la
località Carraia.
Fig.
4.1: Schematizzazione con HEC-HMS del tratto in esame
Qui di seguito sono riportate le
caratteristiche di ciascun sottobacino:
subbasin Le Croci
|
||
Superifcie
|
11.78
|
km2
|
Quota massima
|
914.70
|
m s.l.m.
|
Quota di chiusura
|
150.00
|
m s.l.m.
|
Percorso più lungo
asta principale
|
5.50
|
km
|
subbasin Vezzana
|
||
Superifcie
|
5.13
|
km2
|
Quota massima
|
915.70
|
m s.l.m.
|
Quota di chiusura
|
150.00
|
m s.l.m.
|
Percorso più lungo
asta principale
|
4.74
|
km
|
subbasin Carraia
|
||
Superifcie
|
8.20
|
km2
|
Quota massima
|
819.00
|
m s.l.m.
|
Quota di chiusura
|
98.60
|
m s.l.m.
|
Percorso più lungo
asta principale
|
3.19
|
km
|
Il basin model serve a definire tutte
le principali caratteristiche morfometriche dei bacini considerati, all’interno
del modello afflussi-deflussi realizzato con Hec-Hms. Le informazioni richieste
dal modello sono sia di carattere generale (es. superficie di bacino) che
legate ai vari metodi disponibili in HMS.
In particolare, per ogni bacino
introdotto nel modello, saranno specificate le seguenti caratteristiche utili
per la determinazione della precipitazione efficace:
·
Metodo
per il calcolo delle perdite di bacino
·
Metodo
di trasformazione afflussi-deflussi
·
Metodo
per il calcolo dei deflussi di base
Fig.
4.2: Sottobacino Le Croci
Fig.
4.3: Sottobacino Vezzana
Fig.
4.4: Sottobacino Carraia
4.1.2 Calcolo delle perdite di bacino (LOSS METHOD)
La stima delle perdite idrologiche avviene secondo
metodi diversi a seconda che si considerino simulazioni relative a singoli
eventi (generalmente eventi di piena, come nel caso specifico) o simulazioni
continue su lunghi periodi temporali.
Il passaggio dalla precipitazione lorda alla
precipitazione netta dipende da:
- caratteristiche
del bacino: uso e tipo dei suoli, stato di umidità del suolo all’inizio
dell’evento;
- caratteristiche
degli afflussi: altezza totale di precipitazione, dinamica temporale
e
distribuzione spaziale dell’evento.
Le perdite idrologiche vengono generalmente suddivise
in:
- intercezione;
- evaporazione;
- traspirazione
delle piante;
- immagazzinamento
nelle depressioni superficiali;
- infiltrazione.
Nei modelli di piena, l'infiltrazione sulle aree
permeabili o semipermeabili costituisce
senz'altro la componente principale. Meno
significativa, ma spesso non trascurabile
(specialmente in comprensori agricoli pianeggianti), è
la perdita che avviene sul bacino per
immagazzinamento nelle depressioni superficiali dalle
quali l'acqua viene allontanata solo
per evaporazione o infiltrazione. Le perdite per
intercezione e per evapotraspirazione sono
invece importanti esclusivamente nell’analisi della
risposta del bacino su lunghi periodi
temporali.
Il metodo SCS –
CN
La capacità di ritenzione dei suoli viene sintetizzata
efficientemente nel modello di
infiltrazione del terreno messo a punto dal Soil
Conservation Service (1972) degli Stati
Uniti. Questo metodo viene largamente adottato perché
consente, attraverso informazioni
quantitative sulla natura del bacino di facile
acquisizione, di valutare le grandezze di
interesse anche per bacini non strumentati. Secondo il
metodo SCS-CN, il volume di
deflusso superficiale (altezza di pioggia effettiva), Pnetta , per un evento
isolato di piena è
dato da:
Pnetta = (P – Ia)2 / (P – Ia + S)
essendo P lo spessore di
pioggia precipitato sul bacino, S lo spessore di massima ritenzione
potenziale del terreno e Ia=cS, lo spessore di assorbimento
iniziale, con 0<c<1.
L’assorbimento iniziale a I rappresenta il
volume specifico di pioggia sottratto a priori per l’intercettazione della
vegetazione e l’accumulo nelle depressioni superficiali e, come si può intuire,
risulta difficilmente valutabile. Sulla base di dati sperimentali relativi a numerosi
bacini statunitensi, il Soil Conservation Service ha suggerito per la stima di a
I un valore di c = 0.2.
Per un fissato stato iniziale di imbibimento, la
massima ritenzione potenziale del bacino è funzione del tipo di terreno e
dell’uso del suolo, il cui effetto combinato è descritto globalmente dal
parametro adimensionale CN, 0 < CN < 100, legato ad S dalla
relazione:
S = 25,4 x (1000/CN –
10)
dove S è espresso in mm. Per determinare il
valore del CN è necessario conoscere il tipo e l’uso del suolo, nonché
il grado iniziale di imbibimento del terreno che può essere di tre tipi: AMC
Tipo I, in caso di bacino asciutto, AMC Tipo II, per condizioni intermedie, e
AMC Tipo III, in caso di bacino fortemente imbibito.
Il Soil Conservation Service americano ha eletto le
condizioni iniziali intermedie, AMC Tipo II, come quelle più adatte per
effettuare valutazioni sia dello stato attuale sia progettuali di un generico
bacino idrografico (Woodward & Plummer, 2000).
In funzione delle caratteristiche idrologiche, i suoli
possono essere suddivisi in quattro classi di permeabilità (A, B, C e D); in
Tabella 4.1 sono descritte tali categorie dalla A alla D con potenzialità di
deflusso crescente (Chow et al, 1988), mentre in Tabella 4.2 sono riportati i
valori di CN per condizioni iniziali intermedie, AMC Tipo II, in funzione del
tipo di suolo e dell’uso del suolo stesso.
Tabella 4.1:
Categorie di terreno per capacità di deflusso
Tabella
4.2: Valori di CN in funzione del tipo di suolo e del suo utilizzo
Tutti
e tre i sottobacini rientrano nel tipo di suolo C.
Il
sottobacino Le Croci, quasi interamente ricoperto da terreno boscoso, ha un CN
pari a 77.
Fig.
4.5: Perdite sottobacino Le Croci
Il
sottobacino Vezzana, ricoperto da terreno boscoso ,seminativo e da pascolo, ha
un CN pari a 84.
Fig.
4.6: Perdite sottobacino Vezzana
Il
sottobacino Carraia, quasi interamente ricoperto da terreno coltivato , ha un
CN pari a 88.
Fig.
4.7: Perdite sottobacino Carraia
4.1.3
Metodi di calcolo della trasformazione afflussi – deflussi (TRANSFORM METHOD)
Tra
i modelli di trasformazione afflussi/deflussi presenti in HEC-HMS, è stato
utilizzato quello basato sull’idrogramma unitario adimensionale del SCS (SCS
Unit Hydrograph), avente in ascisse il rapporto tra il tempo e l’istante di
picco e in ordinate il rapporto tra la portata istantanea e la portata di
picco. Tale modello richiede come unico parametro d’ingresso il tempo di
ritardo, tlag (ore), che intercorre tra i baricentri del pluviogramma efficace
e dell’idrogramma superficiale.
Come
tempo di ritardo per i sottobacini viene considerato il tempo di corrivazione,
preso come la media dei risultati ottenuti con i seguenti metodi di calcolo:
Tabella
4.3: Metodi di calcolo utilizzati per il calcolo del tempo di corrivazione
Nella
tabella seguente si riportano tutti i tempi di corrivazione calcolati per ogni
sottobacino con i metodi di calcolo sopra esposti:
SOTTOBACINI
|
VENTURA (ore)
|
PASINI (ore)
|
GIANDOTTI (ore)
|
MEDIA (ore)
|
Le Croci
|
1,34
|
1,33
|
1,41
|
1,35
|
Vezzana
|
0,74
|
0,80
|
1,03
|
0,85
|
Carraia
|
1,21
|
1,07
|
1,07
|
1,12
|
TOTALE
|
2,36
|
2,42
|
2,12
|
2,30
|
Tabella
4.4: Calcolo del tempo di corrivazione per ogni sottobacino
Utilizzeremo
perciò un tempo di corrivazione totale per tutto il nostro bacino di circa 2
ore e 20 minuti.
Fig.
4.8: Tempo di corrivazione sottobacino Le Croci
Fig.
4.9: Tempo di corrivazione sottobacino Vezzana
Fig.
4.10: Tempo di corrivazione sottobacino Carraia
4.1.4
Metodi di calcolo dei deflussi di base (BASEFLOW METHOD)
Poiché
lo scopo della nostra analisi è la costruzione di un modello di previsione
delle piene, non è affatto necessario il calcolo dei deflussi delle acque sotterranee,
fenomeno che invece risulta rilevante nel caso di studio dell’alimentazione dei
corsi d’acqua durante i periodi privi di precipitazioni. Per questo motivo, non
selezioniamo nessuna opzione di calcolo per i deflussi di base e di default
HEC-HMS li pone uguali a zero.
4.1.5
Elementi idrologici REACH
Gli elementi Reach vengono utilizzati
per rappresentare la propagazione dei deflussi; in questo studio per il calcolo
di quest’ultima si è scelto di utilizzare il metodo Lag (ritardo).
Per determinare il tempo di ritardo
abbiamo utilizzato la formula inversa della velocità, considerando questa
compresa tra i 3 km/h e i 6 km/h, mentre come distanza abbiamo utilizzato la
lunghezza dell’asta in esame (reach).
Fig.
4.11: Tempo di ritardo nel tratto fra le junction LamadiSotto e Cassiana
Fig.
4.12: Tempo di ritardo nel tratto fra la junction Cassiana e la chiusura
4.1.6
Elementi idrologici JUNCTION
Gli elementi Junction vengono utilizzati per unire
gli elementi Reach, e sono caratterizzati da un nome e da un’eventuale
descrizione.
Fig.
4.13: Junction LamaDiSotto
Fig.
4.14: Junction Cassiana
4.1.7
Elementi idrologici SINK
L’elemento Sink individua la sezione di chiusura ed
è caratterizzato solo dal nome e l’eventuale descrizione.
Fig.
4.15: Sink Chiusura
4.2 Meteorologic
Model
Il Meteorologic Model serve per la definizione
delle caratteristiche d’evapotraspirazione e di precipitazione relative ad ogni
bacino considerato. Nel caso analizzato sono stati trascurati gli effetti
dell’evapotraspirazione in quanto andiamo a valutare un evento di piena.
Per quanto riguarda i dati di precipitazione,
vengono immesse le opzioni per il calcolo della precipitazione areale per ogni
sottobacino. La distribuzione delle precipitazioni, rappresentata con lo
ietogramma costante, è stata ottenuta con il metodo denominato Gage Weight.
Fig.
4.16: Metodo Gage Weights per la definizione del Meteorologic Model
Nel sottomenù
Precipitation Gages è possibile inserire i dati relativi all’altezza di pioggia
registrata dalle varie stazioni pluviometriche considerate, dopodiché per ogni
sottobacino viene specificato il peso della singola stazione sia a livello
quantitativo che temporale.
Fig.
4.17: Scelta del pluviometro per ogni sottobacino
Fig.
4.18: Influenza del pluviometro in ogni sottobacino
4.3 Time-Series Data
Le serie storiche
di precipitazione registrate da ciascun pluviometro considerato, vengono
immesse nel programma attraverso il menù Time-Series Data, nel quale si indica
la localizzazione topografica della stazione, l’intervallo di pioggia (pari al
tempo di corrivazione) e l’intensità, ottenendo in uscita uno ietogramma
costante.
Fig.
4.19: Dati pluviometro Calenzano
Fig.
4.20: Intervallo di tempo considerato
Al fine di
definire il regime pluviometrico della zona in esame e definire quindi gli
idrogrammi di piena relativi ai vari tempi di ritorno è stata presa in
considerazione la stazione pluviometrica di Calenzano per i tre sottobacini, e
sono state eseguite simulazioni che hanno riguardato un tempo di pioggia Tp=
2:20 ore con tempi di ritorno Tr pari a 200, 100, 50 e 20 anni. In questo modo
è stato possibile determinare il tempo critico di pioggia, Tpk, cioè quella
durata che massimizza la portata al colmo.
Sono state
analizzate le curve di possibilità pluviometrica (LSPP) relative alle piogge di
durata superiore a 1 ora; l’equazione di riferimento per la rappresentazione
delle curve di possibilità pluviometrica per la stazione di Calenzano risulta
essere la seguente:
dove per t(durata di pioggia) > 1 ora si hanno:
a =
19,994
n = 0,332
m = 0,187
Fig.
4.21: Ietogramma costante di pioggia
4.4 Control
Specifications
Le condizioni
temporali di controllo (Control Specification) costituiscono uno dei moduli del
software, al loro interno si definiscono l’intervallo temporale della durata e
il passo temporale da utilizzare per la modellazione idrologica.
Sono molto
importanti in quanto tutti i dati pluviometrici ed eventualmente di portata inseriti
nel software devono essere riferiti all'intervallo temporale definito nelle condizioni
di controllo altrimenti non se ne tiene conto nella modellazione.
Fig.
4.22: Intervallo temporale
4.5
Simulation runs
Dopo
aver definito il basin model e il metereologic model abbiamo proceduto con le
simulazioni, per generare degli idrogrammi di
piena rispetto ai quali procedere con le verifiche idrauliche..
Le simulazioni sono state effettuate utilizzando un
passo temporale di discretizzazione pari a 5 minuti ed una durata complessiva
dell’evento pari a 8 ore (tale da poter monitorare il comportamento del bacino
fino all’esaurirsi dell’onda di piena); qui di seguito si riportano i risultati
ed i grafici per gli idrogrammi caratterizzati da un tempo di ritorno di 200
anni.
Fig.
4.23: Risultati di portata per ciascun elemento
Fig.
4.24: Idrogramma di piena per il sottobacino Le Croci
Fig.
4.25: Idrogramma di piena per il sottobacino Vezzana
Fig.
4.26: Idrogramma di piena per la junction LamaDiSotto
Fig.
4.27: Idrogramma di piena per il tratto La Marina 1
Fig.
4.28: Idrogramma di piena per il sottobacino Carraia
Fig.
4.29: Idrogramma di piena per la junction Cassiana
Fig.
4.30: Idrogramma di piena per il tratto La Marina 2
Fig.
4.31: Idrogramma di piena per il sink Chiusura
5.
Analisi idraulica tramite il software HEC-RAS
Il software HEC-RAS permette
di eseguire modellazioni idrauliche di corsi d'acqua naturali o canali
artificiali al fine di ricostruire il profilo di corrente e le caratteristiche
idrauliche in tutte le sezioni.
Per le modellazioni idrauliche di corsi d’acqua viene utilizzato
lo schema monodimensionale e tramite l'utilizzo di alcuni elementi specifici è
possibile simulare l'effetto provocato sulla corrente dalla presenza di
strutture in alveo e restringimenti di sezione.
Nel tratto oggetto di studio, infatti, sono presenti due strutture
che influenzano le condizioni del moto e il comportamento del torrente,
un’opera idraulica (briglia) e un attraversamento viario.
Il software ha consentito il calcolo del profilo del pelo libero
sia nel caso di moto stazionario che in quello di moto vario.
Per definire la geometria sono
stati utilizzati i rilievi topografici effettuati dalla provincia di Firenze e
le misurazioni effettuate sul campo con l’ausilio di strumenti come il distanziometro
laser.
Sono
state prese in considerazione 14 sezioni dell’alveo, scelte in maniera
opportuna in base alla loro collocazione.
Nello specifico, per ben modellare su HEC-RAS
un ponte o una briglia, è opportuno rilevare una sezione immediatamente a monte
e una immediatamente a valle dell’opera, e altre due sezioni a valle e a monte
ad una maggiore distanza in modo che non risentano del disturbo causato dalla
presenza delle strutture.
5.1 Inserimento dei dati
I risultati dell’immissione all’ interno del comando geometry data
sono:
Fig. 5.1: Andamento dello
schema planimetrico in HEC-RAS
Fig.5.2: Sezione 14
Fig.5.3: Sezione 13
Fig.5.4: Sezione 12
Fig.5.5: Sezione 11
Fig.5.6: Sezione 10
Fig.5.7: Sezione 9
Fig.5.8: Sezione 8
Fig.5.9: Sezione 7
Fig. 5.10: Sezione 6
Fig. 5.11: Sezione 5
Fig. 5.12: Sezione 4
Fig. 5.13: Sezione 3
Fig. 5.14: Sezione 2
Fig. 5.15: Sezione 1
Fig. 5.16: Andamento del
fondo
Si riporta qui la sezione 11.2 posizionata
all’altezza del ponte del Cimitero della Carraia.
Il rilievo dell’impalcato e delle pile è
stato possibile grazie agli strumenti citati precedentemente.
Fig. 5.17: Sezione del ponte
Il coefficiente di Manning è stato assunto
pari a 0.025 (erba alta) per le aree esterne al main channel e 0.035 per il MC
(alveo ghiaioso-ciottoli).
Fig.5.18:
Foto alveo
Per l’analisi in moto permanente vengono
utilizzati i picchi di piena calcolati con il programma HEC-HMS, e come
condizioni al contorno l’altezza di moto uniforme sia nella sezione di valle
che nella sezione di monte.
Di seguito, in ognuna delle immagini si
indicano con la linea punteggiata rossa la profondità critica, con la linea
tratteggiata verde la Energy line e con la linea blu continua il pelo libero
della corrente.
Portate di picco
|
||
Tr 200
|
106.5
|
m3/s
|
Tr 100
|
88.5
|
m3/s
|
Tr 50
|
73.6
|
m3/s
|
Tr 20
|
56.4
|
m3/s
|
Tabella
5.1: Portate di picco per Tr pari a 20, 50, 100 e 200 anni
Fig.
5.19: Profilo simulazione Tr=20
Fig.
5.20: Profilo simulazione Tr=50
Fig.
5.21: Profilo simulazione Tr=100
Fig.
5.22: Profilo simulazione Tr=200
Dalle analisi effettuate con il software
risulta che il pelo libero resta all’interno dell’alveo, senza che si verifichi
alcuna esondazione e senza mostrare zone di particolare criticità per tutti i
tempi di ritorni valutati.
Di seguito viene riportata figura riguardante
il livello del pelo libero nella sezione del ponte di Carraia.
Fig.
5.22: Simulazione in corrispondenza del ponte
Per le analisi in moto vario con tempo di
ritorno 200 anni si inseriscono i valori di portata dell’idrogramma ottenuto
con HEC-HMS, ponendoli come condizione al contorno di monte del tratto in
studio.
Rimane invariata la condizione di valle usata
per il caso del moto permanente ossia la quota della profondità di moto
uniforme (Normal Depth) ottenuta inserendo nel programma di calcolo
l’inclinazione del fondo. Come condizione iniziale è stata inserita una portata
pari a 10 mq/s.
La forma dell’idrogramma di piena è la
seguente:
Fig.
5.23: Idrogramma Tr=200 anni
Le seguenti figure rappresenta dei fermo
immagine relativi all’andamento temporale del profilo del pelo libero.
Fig.
5.24: Profilo del pelo libero
Fig.
5.25: Profilo del pelo libero
Fig.
5.26: Profilo del pelo libero
Fig.
5.27: Profilo del pelo
libero
Fig.
5.28: Profilo del pelo libero
Anche in questo caso dalle analisi effettuate
risulta che il pelo libero resta all’interno dell’alveo, senza che si verifichi
alcuna esondazione e senza mostrare zone di particolare criticità per tutti i
tempi di ritorni valutati.
6.
Trasporto solido
6.1
Campionamento dei sedimenti
Prima di determinare il trasporto solido è
necessario conoscere l’aspetto sedimentologico dell’alveo, cioè determinare la
granulometria dei sedimenti presenti nel tratto di studio. L’analisi
sedimentologica deve essere effettuata in zone rappresentative dell’intero
corso d’acqua, laddove l’alveo presenta un comportamento regolare e possono
essere individuati corpi sedimentari o barre.
La raccolta dei sedimenti è stata effettuata
a monte della sezione della briglia che segue il ponte del cimitero della
Carraia. Nell’immagine seguente è possibile inquadrare la zona del rilievo
sedimentologico.
Fig.
6.1: CTR 1:10000, foglio 263070
Fig.
6.2: Torrente Marina
A seconda delle dimensioni del materiale,
l’analisi può essere condotta in sito oppure, se le dimensioni sono inferiori a
4 cm, in laboratorio attraverso l’uso di setacci. Per l’analisi sul fiume è
necessario individuare sul greto un’area di campionamento quadrata di
dimensioni preferibilmente 10m x 10m. Su quest’area si costruisce una griglia
di cento nodi ognuno dei quali rappresenta un punto di campionamento. Il
ciottolo sottostante il nodo viene prelevato ed analizzato tramite una maschera
di misura se il diametro è compreso fra 4−256 mm o tramite un comparatore
visivo se il diametro è compreso fra 0.062−11.5 mm.
Fig. 6.3: Maschera di misura
Tabella 6.1: Diametri
Fig.6.4: Distribuzione dei campioni
Fig.6.5: Curva granulometrica
Per la stima del trasporto solido dobbiamo
quindi estrapolare dai dati le grandezze utili all’applicazione delle formule.
Il dato fondamentale è il valore del diametro caratteristico D40 che, nel
nostro caso, è di 55 mm (5,5 cm).
6.2
Curva di durata delle portate
Non essendo disponibile una curva delle
durate del torrente Marina è stato necessario ricavarne una dai dati
pluviometrici ricavati dalla stazione precedentemente menzionata (Calenzano). I
dati necessari sono il valore di pioggia cumulata (mm) e il numero di giorni
piovosi all’anno.
Anno
|
Cumulata mm
|
Giorni piovosi
|
1965
|
1117.6
|
107
|
1966
|
1250
|
107
|
1967
|
730.6
|
78
|
1968
|
968.8
|
101
|
1969
|
893.4
|
112
|
1970
|
876.3
|
95
|
1971
|
810.8
|
81
|
1972
|
878.2
|
99
|
1973
|
642.3
|
83
|
1974
|
722.8
|
95
|
1975
|
872.8
|
79
|
1976
|
1077.4
|
95
|
1977
|
918.8
|
110
|
1978
|
971.2
|
102
|
1979
|
1118
|
100
|
1980
|
934.6
|
94
|
1981
|
837
|
80
|
1982
|
972.4
|
86
|
1983
|
777
|
77
|
1984
|
1111.2
|
115
|
1985
|
594.2
|
75
|
1986
|
844
|
91
|
1987
|
938.5
|
88
|
1988
|
628.8
|
75
|
1989
|
640.8
|
69
|
1990
|
772.2
|
76
|
1991
|
1065
|
87
|
1992
|
980.6
|
92
|
1993
|
749
|
82
|
1994
|
597
|
62
|
1995
|
689.4
|
91
|
1996
|
844.8
|
87
|
1997
|
670.6
|
98
|
1998
|
639.9
|
71
|
1999
|
726.6
|
87
|
2000
|
609
|
85
|
2001
|
586.6
|
74
|
2002
|
612.6
|
78
|
2003
|
352.2
|
49
|
2004
|
522.7
|
66
|
2005
|
453
|
65
|
2006
|
502.1
|
65
|
2007
|
699.2
|
70
|
2008
|
821.2
|
105
|
2009
|
862
|
86
|
2010
|
1242.2
|
107
|
2011
|
727
|
59
|
Tabella 6.2: Piogge cumulate annuali
Fig.6.5: Distribuzione cumulate
piogge
Assunta una distribuzione probabilistica di
tipo esponenziale, si definisce la probabilità di non superamento di una
determinata altezza di pioggia h:
P(h) = 1- α/β * exp(-αh)
1 - P(h) = t/365
dove t è il numero di giorni di superamento
dell’altezza di pioggia h:
h(t) = -1/α * ln( βt/(365α))
dove α e β hanno le seguenti espressioni:
α = P(0)/ hg
β = α / (1- P(0))
dove P(0) = 1 – nm/365 (probabilità di non pioggia) e hg = hm / 365 (pioggia media giornaliera).
P(0)
|
0.764733314
|
hg
|
2.20649373
|
alpha
|
0.346583044
|
beta
|
1.47314968
|
Tabella 6.3: Valori calcolati di
P(0), hg, α, β
Si assume come intensità critica:
Ipcr = h / Tc
Tc = 8388 s
Tramite il metodo dell’infiltrazione si
calcola la portata convogliata nel torrente Marina, segnalando che:
Q = A * (Ipcr – Km)
gg
|
sec
|
h(t) mm
|
Ipcr m/s
|
A mq
|
Q mc/s
|
0.001
|
86.4
|
32.77892
|
3.91E-06
|
25119700
|
79.82625
|
0.01
|
864
|
26.13524
|
3.12E-06
|
25119700
|
59.93032
|
0.1
|
8640
|
19.49157
|
2.32E-06
|
25119700
|
40.03438
|
0.5
|
43200
|
14.84784
|
1.77E-06
|
25119700
|
26.12772
|
1
|
86400
|
12.84789
|
1.53E-06
|
25119700
|
20.13844
|
2
|
172800
|
10.84795
|
1.29E-06
|
25119700
|
14.14917
|
5
|
432000
|
8.204163
|
9.78E-07
|
25119700
|
6.23178
|
10
|
864000
|
6.204218
|
7.4E-07
|
25119700
|
0.242506
|
Tabella 6.4: Portate di pioggia
Fig 6.6: Curva delle durate
6.3
Stima della capacità di trasporto solido: metodo di Schoklitsch
Il calcolo della capacità di trasporto solido
media annua viene determinato a partire dalla curva di durata che descrive
l’andamento della portata liquida durante l’anno medio. Per valutare l’inizio
del trasporto solido si mettono in relazione i valori di portata con un valore
di portata critica di riferimento.
Qcr = 0,6 B (D40)^1,5 / (J^(7/6))
Dove B è la larghezza dell’alveo attivo (zona
dell’alveo che contribuisce al trasporto solido, D40 è il diametro
caratteristico e J la pendenza dei tratti in studio).
Nel tratto a monte della briglia abbiamo (sez.
10-9-8 interpolate):
Tratto
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
L
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
20
|
15
|
if
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
0.012
|
B
|
16.08
|
17.515556
|
18.95111
|
20.38667
|
21.82222
|
23.25778
|
24.69333
|
26.12889
|
27.56444
|
29
|
D40(mm)
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
55
|
D40
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
Qcr
|
21.67387
|
23.608827
|
25.54378
|
27.47873
|
29.41369
|
31.34864
|
33.28359
|
35.21855
|
37.1535
|
39.08845
|
Tabella 6.5: Portate critiche nelle
varie sezioni amonte della briglia
Nel tratto a valle della briglia abbiamo (sez.
8-7-6-5-4):
Tratto
|
08-07
|
07-06
|
06-05
|
05-04
|
L tratto
|
26
|
76
|
93
|
62
|
if
|
0.014861
|
0.0142
|
0.0132
|
0.012598
|
B
|
29.5
|
15.5
|
15.12
|
13.71
|
D40 mm
|
55
|
55
|
55
|
55
|
D40 m
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
0.055
|
Qcr
|
30.9833182
|
17.16684876
|
18.23521225
|
17.46013248
|
Tabella
6.6: Portate critiche nelle sezioni a valle della briglia
La formula di Schoklitsch fornisce valori
sufficientemente attendibili per alvei con pendenza maggiore allo 0.1% nei
tratti in cui si verificano con buona approssimazione le condizioni di moto
uniforme; essa è definita nel modo seguente:
dove Qs è la portata solida, Q quella liquida
e μ = 1 se Q>Qcr e uguale a 0 se Q<Qcr. Per poter usufruire dei valori di
durata delle portate, la formula di Schoktlisch può essere discretizzata nel
modo seguente:
Dove dti è l’intervallo di tempo in secondi
in cui si considera la portata costante,mentre Q(t) è il valore della portata
nell’intervallo dti. Fissata una successione di tempi si definiscono gli
intervalli ed il valore della portata in corrispondenza di un tempo della
successione (valutato sulla curva di durata), è assunto costante in tutto
l’intervallo dti ed è quindi posto uguale a Qi(t).
I volumi mossi all’anno sono:
A
monte della briglia:
Tratto
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
Vtot mc/anno
|
653.6
|
488.8
|
323.9
|
251.2
|
218.2
|
185.3
|
152.3
|
119.3
|
86.36
|
53.4
|
Tabella 6.7: Volume di solido
trasportato nelle sezioni a monte della briglia
A
valle della briglia:
tratto
|
08-07
|
07-06
|
06-05
|
05-04
|
Vtot mc/anno
|
263.8934
|
1661.358
|
1279.0063
|
1334.55
|
Tabella 6.8: Volume di solido
trasportato nelle sezioni a valle della briglia
6.4 Variazione del fondo
alveo
Il bilancio sedimentologico viene eseguito a
partire dall’applicazione dell’equazione di continuità al fondo dei sedimenti
dove z è la quota del fondo, Qs è la portata
solida, B è la larghezza dell’alveo attivo ed n è la porosità dei sedimenti.
Accanto a questa occorre definire alcune
ipotesi che permettono la soluzione della precedente equazione:
-
apporti laterali di portata solida nulli
-
concentrazione solida in sospensione nulla
-
larghezza alveo attivo costante.
La quota z dell’alveo tende ad aumentare
qualora la portata solida in uscita risulti minore di quella in ingresso,
permettendo così il deposito dei sedimenti; di contro, se la portata solida in uscita
fosse maggiore di quella entrante, avremmo un fenomeno di erosione che
provocherebbe l’abbassamento della quota dell’alveo. Si può ottenere la
variazione di quota del fondo dalla seguente relazione:
A valle della briglia:
tratto
|
delta x
|
B
|
Vs in
|
Vs out
|
z (m)
|
|
7_8
|
26
|
29.5
|
150
|
263.8933811
|
-0.212131
|
erosione
|
6_7
|
76
|
15.5
|
263.8933811
|
1661.358348
|
-1.694719
|
erosione
|
5_6
|
93
|
15.12
|
1661.358348
|
1279.006329
|
0.388446
|
deposito
|
4_5
|
62
|
13.71
|
1279.006329
|
1334.553725
|
-0.093355
|
erosione
|
Tabella
6.9: Variazione al fondo nei tratti a valle della briglia
A monte della briglia:
tratto
|
delta x
|
B
|
Vs in
|
Vs out
|
z (m)
|
|
1
|
20
|
16.08
|
720
|
653.5903655
|
0.2949966
|
deposito
|
2
|
20
|
17.51555556
|
653.5903655
|
488.7675317
|
0.6721488
|
deposito
|
3
|
20
|
18.95111111
|
488.7675317
|
323.9446979
|
0.6212332
|
deposito
|
4
|
20
|
20.38666667
|
323.9446979
|
251.1875261
|
0.2549186
|
deposito
|
5
|
20
|
21.82222222
|
251.1875261
|
218.2229594
|
0.1078997
|
deposito
|
6
|
20
|
23.25777778
|
218.2229594
|
185.2583926
|
0.1012398
|
deposito
|
7
|
20
|
24.69333333
|
185.2583926
|
152.2938258
|
0.0953542
|
deposito
|
8
|
20
|
26.12888889
|
152.2938258
|
119.3292591
|
0.0901153
|
deposito
|
9
|
20
|
27.56444444
|
119.3292591
|
86.36469231
|
0.0854221
|
deposito
|
10
|
20
|
29
|
86.36469231
|
53.40012555
|
0.0811935
|
deposito
|
Tabella
6.10: Variazione al fondo nei tratti a monte della briglia
Dai risultati risultata accettabile il
deposito di materiale a monte della briglia, ma eccessivo lo scavo tra la
sezione 6 e 7 a valle della briglia.
Dall’analisi dei risultati sul trasporto solido emerge
un eccessivo scavo del fondo tra le sezioni 6 e 7. La variazione del fondo
risulta pari a circa 1,7 metri rispetto alla situazione attuale.
La sistemazione delle aste torrentizie in erosione viene
eseguita, nella maggior parte dei casi, mediante la
realizzazione di opere trasversali in successione (briglie)
che, per effetto di rallentamento della corrente, provocano
a monte delle
opere stesse (cassa
di trattenuta o piazza di deposito),
la sedimentazione di
parte del materiale
solido trasportato dalla corrente, e quindi la diminuzione della
pendenza media del fondo. Il risultato è
il raggiungimento della
pendenza di compensazione, in
corrispondenza della quale, per un‘assegnata portata di progetto,
il materiale in
alveo risulta soggetto
ad un regime
di equilibrio dinamico per
cui la quantità
di materiale solido
trasportato verso valle viene
bilanciata dall‘apporto di
materiale da monte.
La briglia verrà realizzata in corrispondenza della
sezione 6.
Fig.7.1
Posizione briglia in corrispondenza della sezione 6
7.1
Determinazione della pendenza di compensazione e calcolo dell‘altezza delle
briglie
Il primo passo per la progettazione di un intervento di
sistemazione di un corso
d‘acqua finalizzato a riportare
il regime di
trasporto solido nelle condizioni
di equilibrio dinamico consiste nella determinazione della pendenza di
compensazione (o pendenza
di sistemazione). Il raggiungimento di
un tale valore
di pendenza media
sarà garantito,dalla presenza
delle briglie.
Fig.
7.2: Funzionamento delle briglie
Il valore della
pendenza di compensazione può essere determinato imponendo che il rapporto
tra lo sforzo tangenziale al fondo e
il peso immerso della
particella rispetti i
valori dell‘abaco di
Shields, validi in caso di alta sommergenza (h/d maggiore di 6):
TABELLA RIASSUNTIVA
|
||
Raggio idraulico
|
0.83
|
m
|
Peso specifico
|
2600
|
kg/m3
|
Peso specifico acqua
|
1000
|
kg/m3
|
D50
|
0.0136
|
m
|
phi
|
0.056
|
|
pendenza critica
|
0.001468145
|
|
h
|
0.149750747
|
|
Altezza briglia
|
1.3
|
m
|
Tabella
7.1: Valori per il calcolo della quota di progetto
Fig.7.3:
Sezione briglia di progetto
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