Riassunto analitico
La descrizione della superficie del suolo gioca un ruolo essenziale nella modellazione della propagazione del flusso superficiale. I modelli digitali di elevazione ad alta risoluzione sono sempre più accessibili in molte aree geografiche. Per lo sviluppo di maglie di calcolo efficienti sono comunque necessari metodi idraulicamente significativi con l'obiettivo di estrarre il contenuto informativo dato dai modelli digitali del terreno e della superficie ad alta precisione. In questo elaborato sono utilizzati modelli digitali di superficie ad alta precisione per descrivere dettagliatamente la geometria degli edifici e della vegetazione; inoltre, i modelli di propagazione del flusso 2D prodotti sono valutati rispetto a una strategia di modellazione più comune in cui il modello digitale del terreno è adottato per la generazione della mesh di calcolo e l'effetto degli edifici e della vegetazione è incorporato nei coefficienti di resistenza al flusso. L'obiettivo principale della ricerca oggetto di questa tesi è quello di valutare il miglioramento della precisione e dell'affidabilità del modello idraulico bidimensionale per descrivere l'evoluzione spazio-temporale della propagazione del flusso superficiale.
Quanto esposto è sviluppato in funzione delle caratteristiche topografiche dell'area oggetto di studio attraverso l'adozione di metodi avanzati come l'uso dei rilievi LiDAR ad alta risoluzione e l'individuazione automatica degli elementi topografici in elevazione che influenzano la propagazione dell'onda di piena sul territorio. Tale approccio ha permesso lo sviluppo di una mesh computazionale non strutturata altamente accurata che supporta la modellazione idraulica al fine di ottenere simulazioni fedeli ai dati osservati. Lo studio proposto fa uso delle caratteristiche recentemente rilasciate nel software HEC-RAS 6.1 che esegue calcoli di flusso non stazionario bidimensionale grazie alla risoluzione del sistema di equazioni complete di De Saint Venant. L'area di interesse è la pianura alluvionale compresa tra le province di Modena e Bologna, caratterizzata da un reticolo idrografico complesso che richiede una corretta gestione ordinaria e di emergenza delle opere di difesa idraulica. In particolare, l'evento scelto per la calibrazione del modello è la piena del fiume Panaro avvenuta il 6 dicembre 2020 e riconducibile alla rottura dell'argine a Castelfranco Emilia (Modena).
Lo studio si sviluppa in due fasi: la prima definisce i parametri idraulici e del suolo attraverso il confronto tra i dati simulati e quelli osservati lungo il corso d'acqua; la seconda, invece, ripropone lo stesso approccio per la pianura alluvionale in destra idraulica seguendo la modellazione di quattro configurazioni che simulano l'evento di piena applicando diverse metodologie. L'uso integrato del modello digitale della superficie per i centri urbani e del modello digitale del terreno per le aree rurali, assieme al rilevamento automatico delle breaklines e alla calibrazione dettagliata del coefficiente di scabrezza, garantiscono il miglior compromesso tra efficienza computazionale e accuratezza del modello. La definizione dei parametri metrici di riferimento come la sensitività e gli errori di tipo 1 e di tipo 2 permettono, oltre alla documentazione fotografica raccolta, di convalidare adeguatamente i risultati ottenuti. I risultati della simulazione mostrano come l'uso di metodologie avanzate per la descrizione del terreno nell'analisi idrologica porti ad un incremento dell'accuratezza e dell'affidabilità del modello del 70% rispetto ai modelli basati sull'identificazione manuale delle breaklines e sulla descrizione degli edifici e della vegetazione attraverso il coefficiente di scabrezza. Ciò si traduce in una gestione delle emergenze più efficace e nella pianificazione del territorio secondo un moderno approccio di progettazione degli argini, con conseguenti benefici per la popolazione e per l'economia delle zone densamente urbanizzate.
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Abstract
Land surface topography plays an essential role in surface flow propagation modeling. High-resolution digital elevation models are increasingly available in many geographical areas. Hydraulically meaningful methods are however needed to distill the information content given by high-accuracy digital terrain and surface models to produce smart computational meshes and reliable characterization of resistance to flow. In the present thesis high-accuracy digital surface models are used to describe explicitly the geometry of buildings and vegetation and the resulting 2D flow propagation models is evaluated against a more common modeling strategy where the digital terrain model is used to generate the computational mesh and the effect of buildings and vegetation is rather incorporated in resistance to flow coefficients. The main goal of the research proposed in this thesis is to evaluate the enhancement in accuracy and reliability of the two-dimensional hydraulic model to describe the spatio-temporal evolution of surface flow propagation. The above is developed according to the topographic features of the area investigated through the adoption of advanced methods for terrain analysis, such as the use of high-resolution (1 m) LiDAR surveys and the automatic detection of breaklines that affect the flood wave propagation on the ground. This approach allowed the development of an highly accurate unstructured computational mesh that supports hydraulic modeling in order to achieve simulations faithful to the observed data. The proposed research makes use of recently released features in the HEC-RAS version 6.1 software performing 2D unsteady flow calculations by solving the full De Saint Venant equations. The area of interest is the Po Valley between the provinces of Modena and Bologna, characterized by a complex hydrographic network that requires a proper ordinary and emergency management of hydraulic defence works. In particular, the event chosen for the calibration of the surface water propagation model is the Panaro river flood occurred on December 6, 2020 and due to the levee breach in Castelfranco Emilia (Modena). The study is developed in two steps: the first one defines the hydraulic and soil parameters through the comparison between simulated and observed data along the stream; the second one, instead, reproduces the same approach for the floodplain on the hydraulic right following the modeling of four layouts that simulate the flood event applying different methodologies. The integrated use of the digital surface model for urban centers and the digital terrain model for countryside areas combined with the automatic detection of breaklines and the detailed calibration of the roughness coefficient assures the optimal trade-off between computational efficiency and model accuracy. The determination of benchmark parameters such as sensitivity and type 1 and type 2 errors allow, in addition to the collected photographic data, to properly validate the results obtained. The simulation outputs show how the use of advanced methods for the ground description in the hydrological analysis leads to an accuracy and reliability improvement of the model by 70% with respect to models based on manually identifying breaklines and describing buildings and vegetation through flow resistance coefficient. This implies a better emergency management and territorial planning according to a modern levee design approach, resulting in benefits for the population and economy of highly developed areas.
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