CAPITOLO 3 – ANALISI IDROLOGICA E IDRAULICA
3.7 Analisi dei bacini
Per poter utilizzare il programma di calcolo HEC-HMS 2.2.2 sono state individuate le principali caratteristiche dei vari sottobacini.
L’analisi dei bacini ha lo scopo di giungere alla definizione dei tempi di concentrazione che saranno utilizzati per la determinazione della durata dell’evento pluviometrico critico e per la determinazione dell’idrogramma unitario per la ricostruzione dell’onda di piena.
Oltre ai tempi di concentrazione per ciascun bacino si è determinato il coefficiente CN in funzione delle caratteristiche litologiche, di permeabilità e di uso del suolo, avendo analizzato i bacini elementari sia dal punto di vista geo- morfologico che da quello di permeabilità e attitudine al deflusso delle acque meteoriche.
L’utilizzo di dati di permeabilità ed uso del suolo ha consentito di impiegare un modello di trasformazione da afflussi a deflussi che tiene effettivamente conto delle caratteristiche del territorio oggetto di studio comunemente noto come «Metodo CN» del Soil Conservation Service; in questo modo è possibile determinare lo ietogramma delle piogge nette o efficaci che formano il deflusso attraverso i corsi d’acqua.
Le caratteristiche geometriche e morfologiche dei bacini oggetto di studio sono espresse attraverso i seguenti parametri:
• Superficie del bacino imbrifero
• Lunghezza asta principale del corso d’acqua in esame
• Quota massima del bacino rilevata direttamente sulla cartografia disponibile
• Quota sezione di chiusura • Pendenza media del bacino
Per quanto riguarda la permeabilità, considerata a livello macroscopico, il territorio afferente a ciascun bacino viene suddiviso in quattro categorie (A, B, C e D) a permeabilità decrescente .
Le caratteristiche di uso del suolo sono state rilevate dalla cartografia allegata al P. A. I. dell’Autorità di Bacino; i coefficienti relativi ai diversi usi del terreno sono stati assegnati per similitudine con quanto previsto in tabelle sperimentali riferite a bacini degli Stati Uniti. Nella tabella 3.21 sono riportate le caratteristiche di permeabilità facenti capo alle classi descritte; nella tabella 3.22 sono invece riportati i coefficienti CN parziali che vengono assegnati alle varie porzioni di territorio in funzione della permeabilità e dell’uso del suolo; nella colonna “Classi” si leggono i numeri assegnati alle porzioni di bacino in questo studio.
Il calcolo del coefficiente CN medio caratteristico di ciascun bacino è stato condotto effettuando una media pesata dei coefficienti parziali sulle rispettive superfici. In particolare, operando per superfici finite, si è calcolato il coefficiente CN parziale di ciascun elemento a partire dalla permeabilità ed uso del suolo locali, procedendo poi al calcolo della media pesata sul complesso del sottobacino considerato.
Il CN così calcolato è quello identificato con l’indice II ed è relativo alla classe AMC media (umidità media prima dell’inizio dell’evento meteorico critico); l’altezza media di pioggia che determina il parametro AMC è stata valutata in 15.13 mm ed è
la quantità di acqua che statisticamente cade nei cinque giorni precedenti l’evento; ciò si deduce facendo riferimento alla pioggia media annua, che è pari a 1104.8 mm.
Le caratteristiche geometriche, di permeabilità e di uso del suolo individuate permettono di calcolare, per ogni bacino, il tempo di concentrazione.
La formula cui si è fatto riferimento è stata la seguente: Formula del SCS
per il calcolo del tempo di concentrazione di bacini collinari;
(
)
[
]
5 . 0 7 . 0 0.8 1900 9 / 1000 L) (3281 1.67 S CN tc ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = (3.16) dove: • tc è il tempo di concentrazione• L la lunghezza dell’asta massima espressa in Km • CN è il valore del coefficiente CN per quel bacino • S è la pendenza media del bacino espressa in %
Le portate di progetto relative alle sezioni di chiusura di ciascun sottobacino, vengono calcolate a partire dagli ietogrammi e dagli idrogrammi unitari ottenuti combinando i dati relativi agli eventi pluviometrici con le caratteristiche dei sottobacini. Per ciascun sottobacino si è fatto riferimento al fenomeno pluviometrico critico che, secondo le elaborazioni effettuate, non coincide con i tempi di concentrazione calcolati ma assume un valore maggiore. L’evento critico è stato individuato, per ciascun bacino, per successive iterazioni di calcolo assumendo come variabile, ovviamente, la durata dell’evento piovoso.
Per la costruzione degli ietogrammi relativi alle piogge nette si è fatto riferimento alla formula seguente, dovuta al Soil Conservation Service:
(
)
S I P P a e + − = 2 a I - P (3.17) dove:• Pe è la pioggia efficiente (o netta) misurata in mm • P è la pioggia totale misurata in mm
• S = 25.4·(1000/CN -10) è l’assorbimento potenziale massimo, misurato in mm
• Ia è l’assorbimento iniziale, misurato anch’esso in mm e posto uguale a 0.1•S
L’idrogramma unitario assunto è quello sviluppato dal Soil Conservation Service, basato su una serie di dati raccolti da numerosi bacini agricoli posti sul territorio degli USA. Le equazioni parametriche così ottenute vengono utilizzate per calcolare la portata di picco e la durata dell’idrogramma a partire dalla definizione del tempo di ritardo (lag time) del bacino idrografico considerato, pari al 60% del tempo di concentrazione del bacino.
Il bacino complessivo è stato suddiviso nei seguenti sottobacini: • Bacino Dogaia
• Bacino Ciucchi • Bacino Balbano
• Bacino Castiglioncello • Bacino Fontana
• Le confluenze dei vari fossi sono state indicate con lettere maiuscole: • A – Rappresenta il punto del Dogaia nel quale si ha l’immissione del
Ciucchi
• B – Rappresenta la confluenza tra il Balbano e il Castiglioncello
• C – Rappresenta il punto del Balbano nel quale si ha l’immissione del Fontana
Inoltre i tratti a valle della confluenza B sono stati schematizzati con il metodo cinematico; in effetti questa modellazione dà luogo a laminazioni praticamente trascurabili, dell’ordine di grandezza pari a 0.1 m3/s. Di seguito riportiamo una
tabella in cui compaiono i valori dei parametri relativi ad ogni sottobacino del modello.
Bacino Area [km2] CN Ia [mm] SCS Lag [m]
Dogaia 3.30 77.53\81.79 7.36\5.66 27.13\33.84
Ciucchi 2.23 74.14 8.86 31.56
Balbano 2.79 72.99 9.39 48.97
Castiglioncello 3.27 71.03 10.37 57.81
Fontana 0.43 70.92 10.40 33.66
Tabella 3.7 – Caratteristiche dei bacini
Il parametro SCS Lag vale il 60% del tempo di concentrazione.
L’assorbimento iniziale Ia è stato 0.10•S per tutti i bacini stanti le caratteristiche geologiche e a cautela dei calcoli idrologici.
Per quanto riguarda il bacino Dogaia i valori per ogni parametro sono due perché, a differenza degli altri bacini, quello in questione è stato schematizzato con due piani confluenti nello stesso corso d’acqua (vedere 3.7.1 Fosso Dogaia).
Lo ietogramma totale è stato assunto di forma costante. Dal punto di vista matematico l’intensità di pioggia i dell’evento considerato rimane invariata per tutta la durata della pioggia e pari ad h(tp)/tp, con riferimento alla curva di possibilità pluviometrica adottata.
Di seguito si espongono i passaggi per la realizzazione del modello idrologico con HEC-HMS 2.2.2:
• Determinazione dello ietogramma delle piogge totali per diverse durate con tempo di ritorno pari a 200 anni a partire dalle curve di possibilità pluviometrica. Immissione in HEC-HMS 2.2.2 dei valori ottenuti per le precipitazioni (precipitation gage)
• Schematizzazione del bacino mediante sottobacini elementari (basin Model)
• Determinazione dell’idrogramma unitario (modello del SCS), calcolo del CN e del Ia per ogni sottobacino
• Assegnazione dei parametri precedentemente calcolati per ciascun bacino
• Immissione dei dati relativi al componente Metereologic Model (interazione fra modello di bacino e modello meteoreologico definito in funzione delle diverse durate degli eventi)
• Immissione dei dati relativi al componente Control Specifications (inizio e fine simulazione idrologica fissato lo step temporale di calcolo, che nello studio compiuto è stato posto pari ad 1 minuto per le piogge con durata minori e uguali all’ora e 5 minuti per pigge di durata superiore)
• Determinazione degli idrogrammi di piena a 200 anni nelle sezioni in esame in funzione della durata dell’evento meteorologico
Sono stati simulati gli eventi di pioggia ad intensità costante di durata variabile da 0.5 a 5 ore, con variazioni temporali di 15 minuti; per ogni simulazione sono stati calcolati gli idrogrammi nelle varie aste del reticolo idrografico e in particolare i valori di picco delle portate; confrontando tra loro questi valori si sono potuti stabilire i massimi di portata allo stato attuale, in pratica raggiungendo l’obiettivo dell’analisi idrologica.
Nel seguito riportiamo le carte utilizzate per la valutazione delle caratteristiche morfometriche dei bacini suddetti ed i risultati ottenuti al termine dell’analisi idrologica.
Fig 3.12 – Carta litologica e relativa legenda per la valutazione delle caratteristiche di permeabilità del terreno
Fig. 3.13 – Carta di uso del suolo
Caratteristiche geomorfologiche e di permeabilità
Gruppo Caratteristiche
A Scarsa potenzialità di deflusso. Comprende sabbie profonde con scarsissimo limo e argilla; anche ghiaie profonde, molto permeabili.
B Potenzialità di deflusso moderatamente bassa. Comprende la maggior parte dei suoli sabbiosi meno profondi che nel gruppo A, ma il gruppo nel suo insieme mantiene alte capacità di infiltrazione anche a saturazione.
C Potenzialità di deflusso moderatamente alta. Comprende suoli sottili e suoli contenenti considerevoli quantità di argilla e colloidi, anche se meno che nel gruppo D. Il gruppo ha scarsa capacità di infiltrazione a saturazione. D Potenzialità di deflusso molto alta. Comprende la maggior parte delle argille con alta capacità di rigonfiamento,
ma anche suoli sottili con orizzonti pressoché impermeabili in vicinanza della superficie.
Coefficienti CN
USO DEL SUOLO A B C D
Terreno coltivato
Senza trattamenti di conservazione 72 81 88 91 Con interventi di conservazione 62 71 78 81
Terreno da pascolo
Senza trattamenti di conservazione 68 79 86 89 Con interventi di conservazione 39 61 74 80
Praterie
Buone condizioni 30 58 71 78
Terreni boscosi o forestati
Terreno sottile, sottobosco povero, senza foglie
45 66 77 83 Sottobosco e copertura buoni 25 55 70 77
Spazi aperti, prati rasati, parchi
Buone condizioni con almeno il 75% dell'area
con copertura arborea 39 61 74 80 Condizioni normali con copertura erbosa
intorno al 50%
49 69 79 84
Aree commerciali (impermeabilità 85%) 89 92 94 95
Distretti industriali (impermeabilità 72%) 81 88 91 93
Aree residenziali (impermeabilità 72%) Estensione lotti Impermeabilità
media %: 1/8 Acre 65 % 77 85 90 92 1/4 Acre 38 % 61 75 83 87 1/3 Acre 30 % 57 72 81 86 1/2 Acre 25 % 54 70 80 85 1 Acre 20 % 51 68 79 84
Parcheggi impermeabilizzati, tetti, piazzali ecc.
98 98 98 98
Strade
Pavimentate, con cordoli e fognature 98 98 98 98 Inghiaiate o selciate con buche 76 85 89 91 In terra battuta (non asfaltate) 72 82 87 89
Tab. 3.9 . Parametri CN relativi alla classe II di umidità (AMC II) per le quattro classi litologiche e per i vari tipi di uso del suolo
DETERMINAZIONE DEL PARAMETRO AMC (ANTECEDENT MOISTURE CONDITION)
CLASSE AMC STAGIONE DI RIPOSO STAGIONE DI CRESCITA
I <12.7 <35.5
II 12.7 – 28.0 35.5 – 53.3
III > 28.0 > 53.3
Tabella 3.10 – Condizioni di umidità iniziali individuate in base all’altezza totale di pioggia (in mm) caduta nei 5 giorni precedenti
3.7.1 Fosso Dogaia
Il Fosso Dogaia nasce direttamente dal paese di S.Maria a Colle nella parte nord-est del bacino in esame, sviluppandosi prettamente in zona pianeggiante fino a raggiungere il sistema di chiuse alle cateratte. Per tutta la suo lunghezza raccoglie le acque delle numerose scoline che servono per lo scolo dei campi circostanti. Le prime arginature si trovano a circa 800 metri dal paese di Nozzano. Prima di giungere alle cateratte riceve le acque dal fosso Ciucchi. Nel programma di calcolo HEC-HMS 2.2.2, il bacino è stato diviso a sua volta in due bacini (uno collinare e l’altro pianeggiante) simulando due piani con pendenze diverse con in mezzo il corso d’acqua.
I dati morfometrici principali relativi al bacino sono i seguenti: • Estensione: 3.30 Kmq
• Bacino 1a
• Larghezza : 0.765 Km • Pendenza: 0.02 % • Rugosità: 0.06 • Percentuale del bacino: 47 % • Bacino 1b
• Larghezza : 0.570 Km • Pendenza: 0.0062 % • Rugosità: 0.06 • Percentuale del bacino: 53 %
Con riferimento alle tabelle 3.8 e 3.9 sono state analizzate le caratteristiche litologiche e dell’uso del suolo del bacino.
I terreni facenti parte del bacino imbrifero hanno una potenzialità di deflusso moderatamente alta (classeC) con scarsa capacità di infiltrazione a saturazione.
Per il bacino si è ottenuto un coefficiente CNII medio (relativo cioè alla classe di umidità AMC II) pari a:
CNII = 77.53 bacino 1a CNII = 81.79 bacino 1b
con un tempo di concentrazione, calcolato con la formula del SCS, pari a: tc = 0.75 ore bacino 1a
tc = 0.94 ore bacino 1b
3.7.2 Fosso Ciucchi
Il Fosso Ciucchi nasce nella parte alta del bacino nella zona denominata ‘Al Seminario’. Nel tragitto da monte a valle il fosso attraversa il centro abitato prima di confluire con il Dogaia.
I dati morfometrici principali relativi alla sezione di chiusura del bacino sono i seguenti:
• Estensione: 2.23 kmq • Lunghezza asta principale: 2.35 km • Quota massima del bacino: 267.2 m s.l.m. • Quota sezione di chiusura: 11.09 m s.l.m. • Pendenza media del bacino: 13.62 %
Con riferimento alle tabelle 3.8 e 3.9 sono state analizzate le caratteristiche litologiche e dell’uso del suolo del bacino.
Per il bacino si è ottenuto un coefficiente CNII medio (relativo cioè alla classe di umidità AMC II) pari a:
CNII = 74.14
con un tempo di concentrazione, calcolato con la formula del SCS, pari a: tc = 0.88 ore.
3.7.3 Fosso Balbano
Il Fosso Balbano nasce dall’unione di tre fossi a carattere torrentizio sviluppati nella parte nord-ovest . Anche se il bacino imbrifero è più piccolo del bacino del Castiglioncello, il ramo a valle della confluenza prende il nome di Balbano.
I dati morfometrici principali relativi alla sezione di chiusura del bacino sono i seguenti:
• Estensione: 2.79 kmq • Lunghezza asta principale: 3.13 km • Quota massima del bacino: 254.1 m s.l.m. • Quota sezione di chiusura: 15.1 m s.l.m. • Pendenza media del bacino: 9.54 %
Con riferimento alle tabelle 3.8 e 3.9 sono state analizzate le caratteristiche litologiche e dell’uso del suolo del bacino.
Dalla tavola allegata si nota che il bacino è costituito per la maggior parte da terreni con permeabilità medio alta. Il bacino nella zona collinare è prevalentemente di tipo boschivo, a mano a mano che la zona collinare degrada nella pianura i boschi lasciano il posto ad aree poco urbanizzate e concentrate soprattutto nelle vicinanze della sezione di chiusura del bacino.
Per il bacino si è ottenuto un coefficiente CNII medio (relativo cioè alla classe di umidità AMC II) pari a:
CNII = 72.99
con un tempo di concentrazione, calcolato con la formula del SCS, pari a: tc = 1.36 ore.
3.7.4 Fosso Castiglioncello
Il fosso Castiglioncello nasce a sud – ovest dalla Foce di Casalina e prosegue il suo cammino per la parte montano- collinare per pochi centinaia di metri. Prima di
confluire con il Balbano raccoglie le acque del rio di Batano, del fosso delle Cavine, e del solco del Bosco.
I dati morfometrici principali relativi alla sezione di chiusura del bacino sono i seguenti:
• Estensione: 3.27 kmq • Lunghezza asta principale: 2.61 km • Quota massima del bacino: 135.3 m s.l.m. • Quota sezione di chiusura: 15.88 m s.l.m. • Pendenza media del bacino: 5.72 %
Con riferimento alle tabelle 3.8 e3.9 sono state analizzate le caratteristiche litologiche e dell’uso del suolo del bacino.
Il bacino nella zona collinare è prevalentemente di tipo boschivo.
Nella parte pianeggiante i boschi lasciano il posto ad aree di tipo seminativo. L’urbanizzazione è poco rilevante, e concentrata soprattutto nelle vicinanze della sezione di chiusura del bacino.
Per il bacino si è ottenuto un coefficiente CNII medio (relativo cioè alla classe di umidità AMC II) pari a:
CNII = 71.03
con un tempo di concentrazione, calcolato con la formula del SCS, pari a: tc = 1.61 ore.
3.7.5 Fosso Fontana
Il fosso Fontana sottintende il bacino più piccolo. Nasce dalle Muracce. Il suo corso lambisce il centro abitato e si immette nel Balbano prima che questo corra parallelamente alla ferrovia.
I dati morfometrici principali relativi alla sezione di chiusura del bacino sono i seguenti:
• Estensione: 0.73 kmq • Lunghezza asta principale: 1.85 km • Quota massima del bacino: 156.9 m s.l.m. • Quota sezione di chiusura: 12.93 m s.l.m. • Pendenza media del bacino: 9.74 %
Con riferimento alle tabelle 3.8 e 3.9 sono state analizzate le caratteristiche litologiche e dell’uso del suolo del bacino.
Dalla tavola allegata si nota che il bacino è costituito maggiormente da terreno collinare.
Per quanto riguarda l’uso del suolo, il bacino è costituito principalmente da terreni boscosi nella parte collinare, mentre nella zona valliva, di dimensioni meno estese, si ritrovano l’area urbanizzata.
Per il bacino si è ottenuto un coefficiente CNII medio (relativo cioè alla classe di umidità AMC II) pari a:
CNII = 70.92
con un tempo di concentrazione, calcolato con la formula del SCS, pari a: tc = 0.94 ore.
Per calcolare le portate nelle varie aste nel sistema considerato, il bacino è stato modellato con codice di calcolo HEC-HMS 2.2.2, schematizzandolo come appare dalla figura di seguito. Ogni sottobacino del sistema è stato definito mediante i parametri sopra scritti; la portata massima di ciascun corso d’acqua è stata definita simulando eventi di pioggia con diverse durate (più precisamente da 0.5 ore fino a 4 ore con variazioni temporali di 15 minuti) e ad intensità costante, ovviamente con tempo di ritorno pari a duecento anni; confrontando le portate al colmo fornite nell’output del programma si sono potuti stabilire i massimi ricercati.
Fig 3.14 – Schematizzazione del bacino con modulo di calcolo HEC-HMS 2.2.2
PORTATE MASSIME ALLO STATO ATTUALE
PER PIOGGE DI INTENSITA COSTANTE
(Tr=200ANNI)
Sottobacini 0.5 ore 1 ora 1.5 ore 2 ore 2.5 ore 3 ore
Dogaia 24.25 29.77 28.22 27.32 25.9 25.08
Ciucchi 22.41 27.36 26.76 25.84 24.5 23.21
Balbano 23.53 27.53 29.98 28.73 27.37 26.65
Castiglioncello 22.36 26.59 30.8 29.99 28.88 27.64
Fontana 3.81 4.75 4.54 4.13 3.67 3.09
Tab 3.11 – Tabella riassuntiva delle portate nelle varie aste del sistema per varie durate di pioggia e tempo di ritorno pari a 200 anni; le celle evidenziate rappresentano i massimi di
3.8 ANALISI IDRAULICA
I dati ottenuti dal programma di calcolo HEC-HMS 2.2.2 sono stati utilizzati in un altro programma, HEC-RAS 3.1.3, che consente il calcolo del pelo libero una volta stabiliti i valori massimi di portata nei vari corsi d’acqua. E’ stato costruito, quindi, un modello idraulico del reticolo idrografico tenendo conto delle sezioni dei corsi d’acqua, delle pendenze, della scabrezza dei vari tratti e si è proceduto alla simulazione dell’andamento delle acque all’interno della rete idrografica. A causa della presenza di numerose singolarità idrauliche, della irregolarità delle sezioni allo stato attuale e della bassa pendenza nel tratto terminale dei fossi non è possibile effettuare le verifiche delle varie aste a moto uniforme, ma si è ritenuta necessaria la costruzione di un modello di deflusso a moto permanente.
Il modello geomorfologico dei corsi d’acqua è stato costruito a partire dalle sezioni rilevate per essere implementato su codice di calcolo HEC-RAS 3.1.3. Per la schematizzazione del sistema in esame sono stati adoperati i seguenti dati:
• Geometria della sezioni rilevate (mediante la definizione delle coordinate dei punti del contorno dell’alveo rispetto a un sistema di riferimento ben definito)
• Distanza fra le sezioni adiacenti
• Coefficienti di scabrezza (con la possibilità di fornire valori differenti di tali coefficienti per quanto riguarda le sponde e il fondo)
• Condizioni al contorno (quali l’altezza liquida nella sezione di sbocco in mare e le equazioni mediante le quali si definiscono i livelli idraulici in corrispondenza delle confluenze fra i vari corsi d’acqua; in particolare nel modello utilizzato si sono utilizzate le equazioni dell’energia)
Il codice di calcolo HEC-RAS 3.1.3 impone di individuare per ogni sezione l’ascissa limite sulla sponda destra e sulla sponda sinistra, cioè l’ascissa dei punti che hanno ordinata di valore maggiore per la sponda destra e sinistra rispettivamente; se in un certo tratto la sezione del corso d’acqua non è sufficiente al deflusso della
portata di progetto il livello del pelo libero viene calcolato dal programma come se ci fossero due paramenti verticali liquidi (cioè senza superfici solide) nei punti di ascissa limite. Il profilo liquido risulta in questo modo di livello superiore a quello reale, perché in tale condizione non appena si supera la quota del rilevato arginale si ha l’esondazione del corso d’acqua e gli argini funzionano come sfioratori laterali con un battente molto inferiore a quello rilevato dai risultati del modello. Se questi punti non vengono definiti il programma può condurre a risultati ingannevoli. Concludendo, le sezioni per le quali i livelli liquidi sono tali da non permettere il deflusso all’interno degli alvei con il rispetto dei franchi prestabiliti, o sono addirittura superiori all’altezza dei rilevati arginali presenti, si ritengono insufficienti e necessitano di interventi: questi potranno essere di varia natura (innalzamento degli argini, diminuzione della scabrezza, riduzione a monte della portata e così via).
Modellando in tal modo lo “stato attuale” si trovano i profili nei vari canali del reticolo idrografico (relativi alle portate massime generate da eventi duecentennali) e si evidenziano le zone di crisi che dovranno essere oggetto di sistemazione. Per una lettura dei profili longitudinali si tenga presente che:
• Con la linea di colore blu (a tratto continuo e di spessore maggiore) è indicato il pelo libero
• Con la linea viola e con la linea celeste (tratteggiate) sono indicati le sommità dei rilevati arginali posti in destra e sinistra idrografica
reach1 32 28 26 25 22 2119 18 17 16 15 11 10 9 balb ano
reach1 12 11 10 8 7 6 5 3 2 1 0.8 do ga ia
Con i risultati di HEC-RAS 3.1.3 si può verificare che le situazioni più critiche si hanno in corrispondenza dei forti cambiamenti di pendenza, dove si riscontrano livelli idraulici notevoli che provocano profili di rigonfiamento in tutti i corsi d’acqua, rendendoli inadeguati al contenimento delle piene. Oltre al problema del rigurgito, nei tratti terminali dei corsi d’acqua, come già esposto precedentemente, i corsi d’acqua hanno sezioni ridotte e in certi casi neanche arginate, dunque inadeguate al contenimento della piena duecentennale. Per risolvere il problema,