Modello idrodinamico per la simulazione del deflusso idrico nel reticolo idrografico del fiume Modione fiume Modione

7.3.1 Caratteristiche generali del modulo HD

Il modulo idrodinamico (HD) del codice di calcolo MIKE HYDRO River simula il flusso monodimensionale, stazionario e non, di fluidi verticalmente omogenei nei sistemi di canali o aste fluviali. Il modulo HD si basa sulla risoluzione delle equazioni che descrivono il moto vario nelle correnti a superficie libera (equazioni di Saint-Venant), che esprimono le leggi fisiche della conservazione della massa (equazione di continuità) e della quantità di moto (equazione del momento) e che sono derivate sulla base delle seguenti assunzioni:

il fluido (acqua) è incomprimibile ed omogeneo, cioè senza significativa variazione di densità;

il flusso è prevalentemente monodimensionale (cioè velocità uniforme e pelo libero orizzontale sulle sezioni trasversali);

la pendenza del fondo è piccola;

la variazione longitudinale della geometria delle sezioni d‟alveo è modesta;

su ogni sezione trasversale alla corrente si può assumere una variazione idrostatica della pressione.

123 Il modello consente di utilizzare tre differenti descrizioni del moto (o approssimazioni dell‟onda), che vengono selezionate in funzione del tipo di problema da risolvere:

Approssimazione dell‟onda cinematica: le condizioni di moto sono calcolate assumendo il bilancio tra le forze di gravità e di attrito. Questa descrizione del moto è adatta a simulare fiumi con elevate pendenze senza effetti di rigurgito.

Approssimazione dell'onda diffusiva: le condizioni di moto sono calcolate considerando oltre alle forze di gravità ed attrito, anche il gradiente idrostatico. Questa descrizione del moto è adatta a simulare fenomeni di rigurgito;

Approssimazione dell'onda dinamica: le condizioni di moto sono calcolate considerando, oltre alle forze di gravità e di attrito ed al gradiente idrostatico, anche le forze di accelerazione. Questa descrizione, che utilizza le equazioni complete del moto, consente di simulare flussi di marea, transitori rapidi, ecc….

Per il caso di studio è stato utilizzato l‟approccio dell‟onda dinamica (alto ordine di frizione).

La soluzione del sistema di equazioni è indipendente dalla descrizione del moto selezionata (onda cinematica, diffusiva, dinamica): le equazioni di Saint Venant vengono trasformate in un sistema di equazioni alle differenze finite, secondo una griglia di calcolo con punti Q e h alternati tra loro, dove ad ogni passo temporale vengono determinati rispettivamente la portata Q e il livello idrico h (Figura 7.15). Lo schema di soluzione numerica adottato è stabile e consente di adottare passi di calcolo significativi per l‟estensione temporale della simulazione, senza essere vincolati alla stabilità delle soluzioni numeriche.

Figura 7.15 - Griglia di calcolo del codice MIKE HYDRO River

124 Per la griglia di calcolo valgono le seguenti regole generali:

la griglia viene generata dal modello in base alle richieste dell'utente;

i punti Q sono posizionati sempre a metà tra due punti h vicini;

la distanza tra due punti h può essere variabile;

ad ogni sezione trasversale d'alveo viene assegnato un punto h;

ad ogni struttura viene assegnato un punto Q.

Il modulo MIKE HYDRO River HD può essere utilizzato sia in riferimento alle più svariate geometrie e condizioni morfologiche dell‟alveo, sia per diversi stati idrologici, dalle piene alle condizioni di magra, e permette di tenere conto della presenza di strutture idrauliche lungo la rete idrografica simulata.

L‟accoppiamento in MIKE HYDRO River del modulo idrodinamico (HD) e del modulo idrologico (RR-NAM) consente inoltre di creare modelli completi di formazione, a partire dalle precipitazioni, e propagazione dei deflussi nel reticolo idrografico considerato.

Per l‟implementazione del modello idrodinamico superficiale relativo all‟asta del fiume Modione si è proceduto ad effettuare:

1. la messa a punto del modello, comprendente le seguenti attività:

o estrazione delle sezioni topografiche fluviali;

o definizione delle condizioni al contorno;

o definizione delle condizioni iniziali;

2. l‟estrazione dei risultati ottenuti.

Nei paragrafi 7.3.2 e 7.3.3 vengono rispettivamente descritte le attività di cui ai punti 1 e 2 sopra indicati.

7.3.2 Messa a punto del modello idrodinamico

Come anticipato nel paragrafo 7.1, il modello idrodinamico è stato implementato sull‟asta del fiume Modione e su quella del suo principale affluente, il canale Ricamino.

7.3.2.1 Sezioni topografiche

Per la descrizione geometrica del reticolo idrografico in esame, si è fatto riferimento alle sezioni topografiche ottenute estraendo le relative quote dal dem a risoluzione 2m x 2m a disposizione.

125 Un‟opzione all‟interno del codice di calcolo permette il processamento diretto delle quote del grid relativo al dem, restituendo l‟andamento planimetrico del corso d‟acqua e le sezioni topografiche con l‟interasse desiderato (Figura 7.16).

I dati ottenuti, non sufficienti in caso di studi idrodinamici di dettaglio (ad es. con finalità di previsione piene), sono ritenuti adeguati per lo scopo della presente applicazione modellistica, il cui obiettivo finale è quello di valutare gli interscambi fiume-falda all‟interno di un modello idrogeologico integrato della Piana implementato con MIKE SHE, con simulazioni a scansione temporale giornaliera.

Figura 7.16 - Interfaccia grafica del MIKE HYDRO River per la visualizzazione delle sezioni topografiche inserite per la caratterizzazione del reticolo idrografico del fiume Modione e del suo affluente, canale Ricamino

7.3.2.2 Condizioni al contorno

In MIKE HYDRO River le condizioni al contorno sono distinte in esterne ed interne. Le condizioni al contorno interne sono: legami tra punti nodali, strutture, portate interne, il cui inserimento non è stato necessario nel caso in esame relativo al fiume Modione.

126 Le condizioni al contorno esterne sono: valori costanti di h e Q, valori di h e Q variabili nel tempo, relazioni tra h e Q (ad es. scala di deflusso per una sezione d'alveo).

Nel caso di studio, per la condizione di idrogramma di portata, da inserire a monte del tratto di corso d‟acqua modellizzato, e per i contributi distribuiti lungo le aste sono stati utilizzati i deflussi risultanti dall‟applicazione realizzata con il modulo idrologico RR - NAM. Per la condizione di valle è stato assunto il livello medio del mare ritenuto pari a zero per l‟intero periodo di simulazione.

7.3.2.3 Condizioni iniziali

Le condizioni iniziali possono essere specificate dall'utente oppure essere calcolate automaticamente. Nel secondo caso viene usata la formula di Chezy per determinare i livelli idrici e le portate da considerare all'inizio della simulazione su tutto il reticolo idrografico. In alternativa a queste due opzioni è possibile anche assumere come condizioni iniziali i risultati di una precedente simulazione effettuata sullo stesso reticolo idrografico.

Non avendo informazioni di dettaglio al riguardo, si è preferito assumere sia per il Modione che per il Ricamino condizioni iniziali pari a zero.

7.3.3 Risultati del modello idrodinamico

I risultati ottenibili dal modello idrodinamico MIKE HYDRO River – HD sono molteplici e diversificati.

Nel caso in esame l‟implementazione del modello idrodinamico è stata funzionale a dettagliare una boundary del modello integrato del bacino idrogeologico della Piana di Castelvetrano - Campobello di Mazara implementato con il codice MIKE SHE.

A seguire si riportano a titolo esemplificativo alcuni output modellistici ottenuti, quali il profilo del fiume Modione con indicati i livelli massimi raggiunti nella simulazione del periodo 2005-2017 o l‟indicazione del livello raggiunto in un preciso istante in una sezione di calcolo (Figure 7.17, 7.18, 7.19).

127 Figura 7.17 - Profilo del fiume Modione con indicazione dei livelli idrici massimi simulati nel periodo 2005-2017

Figura 7.18 - Dettaglio del profilo nel tratto terminale del fiume Modione con indicazione dei livelli idrici massimi simulati nel periodo 2005-2017

128 Figura 7.19 - Sezione topografica del fiume Modione estratta dal dem 2mx2m a disposizione. In blu è indicato il livello medio simulato nel giorno 10/2/2009; in rosso la traccia del livello massimo raggiunto nell’intera finestra temporale simulata e in verde la traccia del livello minimo

7.4 Modello idrogeologico integrato dell’acquifero della Piana di