ARMANINI 9.22 Opere Di Idraulica Fluviale e Di Sistemazione Dei Torrenti.1204799060

5/12/2018 ARMANINI 9.22 Opere Di Idraulica Fluviale e Di Sistemazione Dei Torrenti.12047990...

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D IPARTIM ENTO TERR ITORIO , AM BIENTE E FORESTE

S ER VIZ IO PR OTEZIO NE A MBIEN TE

UFFIC IO PER LA VALUTAZIONE D I IMPATTO AMBIENTALE

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OPERE DI' IDRAULICA FLUVIALEE DI SISTEMAZIONE DEI TORRENTI

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-Aronne Armanini

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Secondo cicIo d i Iezion i:SE ITEM BRE - OTTOBRE - NOVEM BRE 1991

Provincia Autonoma di Trento

A s se ss or at o a l T er rito ri o, A rn bie nte e F or es teA ss es so ra to a gli E nti lo ca li, C om pre ns ori e P ers on ale

A ss es so ra to a l L av or o, F orma zio ne P ro fe ss io na le e E di liz ia



D IPAR TIM EN TO TER RITO RIO , AM BIEN TE E FO RESTE

SER VIZ IO PR OTEZ IO NE AM BIEN TE

U FFICIO PER LA V ALU TAZ IO NE D I IM PATTO AM BIEN TALE

OPERE DI IDRAULICA FLUVIALEE DI SISTEMAZIONE DEI TORRENTI

Aronne Armanini

Secondo cicio d i lezion i:SETTEMBRE • OTIOBRE • NOVEM BRE 1991

Provincia Autonoma di Trento

A ss es so ra to a l T errito rio , Am bie nte e F or es teA ss es so ra to a gli E nti lo ca li, C om p re ns ori e P ers on ale

A s se ss or ato a l L av o ro , F o rm a zi on e P ro fe ss io n ale e E d ili zi a



Lapresente linea guida, e da considerarsi come traccia per la corretta esecuzione della Studio di Impatto Ambientale

relativo alia corrispondente tipologia tenuto conto che la Giunta ProvinciaIe, a mente dell' art. 6, comma 8 del

Regolamento di esecuzione della legge provinciale 29.8.1988,n. 28, puo deliberare criteri e linee-guida generali e

settoriali per I'elaborazione degli studio



INDICE

1. Premessa pag. 5

2. Metodologie di valutazione di impattoambientale pag. 6

3. Articolazione della studio di impattoambientale pag. 7

4. Valutazione ambientale secondo Leys delleopere di sistemazione fluviale pag. 9

5. Scelta di possibili strumenti di calcolo:i modelli matematici pag. 11

5.1. Modelli afflussi-deflussi pag. 12

5.2. Modelli idrodinamici pag. 16

5.3. Modelli di qualita delle acque pag. 19

5.4. Modellazione dei parametri biologici pag. 20

5.5. Modelli morfologici (erosioni e depositi) pag. 20

5.6. Note sull'impiego della modellazionematematica pag. 21

6. Bibliografia pag. 24



1.PREMESSA

Le opere di difesa fluviale presentano, nei confronti delle proce-

dure di valutazione degli impatti ambientali, una peculiarita rispetto

a molte altre opere ingegneristiche. L'obiettivo primario di queste

opere e infatti quello di fornire sicurezza nei confronti del rischio

idraulico; ne consegue che nel bilancio costi-benefici bisogna mettere

opportunamente in conto il parametro sicurezza, che, comportando

spesso il rischio di vite umane, e in genere di difficilemonetizzazione.

Altre opere di protezione in senso lato, come ad esempio gli impianti

di depurazione, possono essere strumenti indispensabili al migliora-

mento delle qualita ambientali, rna la scelta della loro ubicazione puo

riguardare siti anche molto distanti tra di loro: la difesa fluviale va

operata nel contesto fluviale stesso; la sua ubicazione puo natural-

mente essere variata, rna entro limiti ristretti.

Lo studio di impatto ambientale e tuttavia certamente utile perche

consente di valutare alternative di soluzioni tecnologiche e di indivi-

duare i punti del progetto in cui bisogna intervenire per mitigare

opportunamente gli impatti negativi.

In questo caso sarebbe opportuno usare 10 strumento della valuta-

zione degli impatti come confronto tra alternative diverse, operando

ilconfronto tra gli impatti negativi delle diverse alternative al fine di

sceglierne, a parita di sicurezza, quella meno impattante, oppure, traalternative a diverso rischio, confrontando il grado di sicurezza delle

diverse proposte.

Lo studio diventa indispensabile soprattutto nella formulazione

del piano generale di sistemazione di un corso d'acqua (piano di

bacino) poiche impone un coordinamento di diversi interventi, al fine

di ridurre al minima le conseguenze negative nel contesto generale

del corso d'acqua e al fine di evitare che, in base all'analisi circoscritta

alla situazione locale, siano giudicati indispensabili alcuni interventi,

che inseriti in un contesto pili ampio appaiono invece superflui 0

ininfluenti.Vadetto comunque che inalcuni casi leopere di difesafluviale sono

anche costruite al solo scopo di recuperare, alle attivita produttive 0

ricreative, aree che altrimenti sarebbero inutilizzabili: in questo caso

una analisi completa costi-benefici risulta pili facile.

L'obiettivo della presente nota non e tuttavia quello di fornire una

guida operativa sul modo di condurre tale analisi, rna piuttosto di

individuare i parametri da mettere in conto per una valutazione delle

azioni sull'ambiente e quindi va intesa come un aiuto in fase di

5



progettazione oltre che in fase di valutazione, in modo da consen-

tire al progettista di scegliere le soluzioni a minore impatto oppure

di trovare delle misure di mitigazione degli impatti qualora questi

risultino indispensabili al conseguimento dell'obiettivo della sicu-

rezza.

2. METOOOLOGIE OI VALUTAZIONE

OI IMPATTO AMBIENTALE

Non sembra inutile richiamare brevemente le metodologie di va-lutazione dell'impatto ambientale, almena al fine della scelta della

metodologia pili idonea alle opere di difesa fluviale.

Dal punto di vista procedurale conviene ricordare che in genere

l'analisi degli impatti di un' opera puo avvenire attraverso le seguenti

tre fasi:

- identificazione degli impatti

- raccolta dei dati relativi agli impatti

- valutazione globale.

Nella prima fasesideve procedere alla identificazione degli impatti

prodotti dall' opera e dalle possibili alternative, considerando tra que-

ste anche la situazione attuale del sito, ossia la possibilita di non

costruire l'opera. Questa identificazione puo essere fatta in diverse

maniere. Lametodologia pili diffusa si rifa allematrici di interazione

di Leopold [7].Queste matrici in genere portano in ordinata i fattori

ambientali (suolo, acqua, aria e ambiente socio-economico), in

ascissa contengono le modifiche apportate sul sistema dall' opera

in esame (azioni umane), divise in genere per fasi temporali (fase

di costruzione, opera finita e fase di esercizio). Per ciascuno di

questi temi vengono specificate diverse voci. Esiste ormai una

letteratura abbondante sull'uso delle matrici, delle quali sono an-

che proposte diverse formulazioni, pili 0 meno rispondenti alle

caratteristiche dell'opera. Per le opere di sistemazione dei torrenti

una interessante proposta di matrice e stata presentata da Dellagia-

coma ed alii [5] in questa stessa collana; con modeste modifiche

questa matrice potrebbe essere utilizzata per tutte le opere di

sistemazione fluviale.

La matrice di Leopold e ritenuta uno degli strumenti pili agevoli

per la individuazione degli impatti diretti 0primari, mentre appare

6



insufficiente per l'individuazione degli impatti indiretti. Altri tipi di

matriee, concettualmente diversi sono stati proposti, per gli impatti

secondari (Minimum Link Matrix) [9].

Larappresentazione per mezzo di diagrammi di flusso rappresenta

una valida alternativa per l'individuazione degli impatti indiretti.Esistono anche in questa casodiverse metodologie di rappresentazio-

ne che si prestano pili 0meno ad individuare gli impatti dell'opera in

studio.

Partieolarmente importante per l'ambiente fluviale e la rappresen-

tazione spaziale: in questa caso e necessario produrre delle mappe

tematiche. Sideve tuttavia tenere presente che questa tecnica, efficace

per un singolo parametro, diviene dispersiva e di difficile interpreta-

zione, quando i parametri considerati sono molti e se ne vuole dare

una rappresentazione simultanea. (McHarg, 1969,[8]).

Poiche tuttavia la modellazione numerica e uno strumento impor-tante, e gia abbastanza diffuso, per i progetti di sistemazione fluviale,

spesso la rappresentazione per carte tematiche, in cui si sintetizzano

graficamente i risultati dei modelli matematici, puo essere assai effi-

cace.

E forse utile rieordare che 10 studio di impatto ambientale non euna procedura codificata da condurre alla fine del progetto al fine di

verificarne la compatibilita ambientale, rna deve precedere la stesura

del progetto e soprattutto deve essere condotta in parallelo con l'esa-

me delle possibili soluzioni.

Come atto iniziale e indispensabile riconoscere i soggetti interessati

e di conseguenza i punti principali della studio di valutazione e, ove

possibile, delineare in questo stadio lepossibili alternative, procedere

alla raccolta dei dati disponibili e dei dati mancanti.

3. ARTICOLAZIONE DELLO STUDIO

DI IMPATTO AMBIENTALE

Descrizione dello stato iniziale dell'ambiente:

De sc riz io ne d el b ac in o:

Assetto storieo e socio-economico

Assetto geografieo e morfologico

Assetto geologico

7



Assetto vegetazionale

Assetto idrologico

Assetto biologico

Viabilita principale

Descrizione del corso d' a cq ua nel tratto di progetto:

Determinazione Portate-tempi di ritorno

Curva di durata

Portata di progetto (di piena) (idrogramma di piena)

Portata dominante

Portata minima ~ tempo di ritorno

Livelli in condizione di: massima, minima, dominante

Portata solida, fenomeni erosivi e di sovralluvionamento

Eventuale modellazione della distribuzione 2Ddi corrente

Desc rizio ne d ella sta to d elle e ve ntu ali o pere e siste nti:

Opere di difesa fluviale

Opere di captazione

Scarichi di acque bianche e acque luride

Manufatti di attraversamento

Arginature

Materiali impiegati

Descrizione dell'intervento: progetto base e possibili alternative

nella fase di realizzazione e a regime:

Obiettivi del p roget to

P rin cip ali c ar atte ris tic he g eometr ic he e ju nz io na li

D es crizio ne d ei ma te ria li im p ie ga ti

Descrizione delle modifiche prodotte sui corso d ' acqua a breve e lungo

termine:

Regime di portata di massima e di magra

Regime dei livelli idrici

Variazioni morfologiche (altimetriche e planimetriche)

Variazioni della granulometria

V alu tazio ne deg li effetti indo tti su :

Regime idrometrico-idrologico a valle

Regime degli acquiferi

Fauna e microfauna in alveo

Flora in alveo

Fauna e flora riparia

Valutazione di impatto

Descrizione delle misure mitiganti

8



caratteristiche

dell'intervento

Sistemazione

idrogeologica

Naturalita

degli interventi

4. VALUTAZIONE AMBIENTALE

SECONDO LEYS DELLE OPERE

DI SISTEMAZIONE FLUVIALE

Per la classificazione die progetti e piani di sviluppo in base a

principi ecologici, Leys (1977)ha elaborato e proposto un " lndi ce del le

tecniche costrut tive naiurali" ad uso dei progettisti chesi occupano della

sistemazione dei torrenti montani. Tale Indice, ovviamente ancora

suscettibile di variazioni, prevede l'assegnazione di un punteggio da

a a4(0 = non classificato, 1 = cattivo, 2 = discreto, 3 = buono, 4 = molto

buono) in relazione a25quesiti. Un risultato finale inferiore a50indica

chemolto requisiti ecologici non sono stati soddisfatti, da 50a 70punti

Ie tecniche costruttive sono ancora lacunose quanta a validita ecolo-

gica, da 70 a 80 punti si puo gia parlare di risultati "naturali" soddi-

sfacenti e da 80a 100punti i requisiti ecologici risultano in gran parte

soddisfatti.

quesito indiceattribuito al-

Iatecnica costrutti-

va4,3,2,1,0

1 Risulta efficace, alla luce degli avvenimenti dei

150anni precedenti, la protezione delle aree con-finanti contro piene di erosioni?

2 Dopo l'esecuzione dei lavori, non si creano feno-

meni di deflusso dannosi per Ie arec a valle?

3 Risultano esclusi effetti negativi per iI futuro?

4 Leopere realizzate sono in grado di riccvere c far

defluire i volumi di acqua e di detriti previsti?

5 L'evacuazione dalle zone a rischio viene evitata

o ridotta?

6 Le tecniche costruttive adottate sono tali da ga-rantire la stabilita delle opere per almena 50

anni?

7 Gli interventi idraulici e biologici rispettano gli

schemi naturali?

8 Le esigenze della protezione ambientale e natu-

rale vengono soddisfatte?

9 E garantita la vita dei pesci nel corso d' acqua

interessato?

9


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,. riduzionef - - - - -

(rniglioramento)f - - - - - - - - .

miglioramento

granulometria substratocatena

biologica

riduzione aurnento aumento

f - - . capacita di r - . stabilita fauna

trasporto arginale acquatica

, . innalzamentof - - -ivelli

f - - -riduzione

apporto solido

- - - -

riduzionea valle

scabrezza

, - - - - - - . riduzione1 - - -

I rniglioramento

pendenza 4 flora

riparia

riduzione

,-------~ capacita di

autossigenaz.

TRA 4

riduzione

Vvelocita

ER

S 4 aumentoA temperatura v-

~FLU

VI

A irnmissione

L,. localizzata

Edi ossigeno

'---

saito im~ossibilita diminuzione

~ di risa ita fauna f - - - - - . popolazione

fondo acquatica acquatica

4manipolazione

paesaggio

deposito infiltrazione

~ a monte f - - - - - - - portata

della soglia di magra

10



Caratteristiche

qualitative

Caratteristiche

quantitative

Equilibrio

ambientale

10 E possibile la vita sulle rive?

11 E possibile integrare le opere costruttive aggres-

sive con tecniche biologiche?

12 E presente un'adeguata ossigenazione delle ac-

que?

13 E attiva l'autodepurazione biologica?

14 E possibile l'approvvigionamento di uomini,

animali e attivita economiche con acqua perfet-

tamente potabile?

15 Sono escluse immissioni nocive?

16 Esistono discariche rifiuti nei pressi dell'alveo?

17 E garantito un flus so idrico adeguato?

18 L'ambiente riceve acqua a sufficienza?

19 C'e acqua sufficiente per uomini, animali e atti-

vita economiche?

20 Si e tenuto conto delle esigenze di irrigazione

della vegetazione (bosco)?

21 Sono presenti condizioni di equilibrio ambienta-

Ie?

22 Sono state migliorate Ie tecniche di raccolta delle

acque?

23 Si e tenuto conto della necessita di utilizzare

l'acqua con l'opportuna parsimonia?

24 n bacino imbrifero forestato comprende vastc

zone di rimboschimento?

5. SCELTA 01 POSSIBILI

STRUMENTI 01CALCOLO:

I MODELL! MATEMA TICI

E evidente che la scelta degli strumenti di calcolo per la verifica

della compatibilita ambientale di un'opera e una delle scelte pili

importanti e deve essere lasciata alla responsabilita del progettista. Le

osservazioni qui riportate vogliono fornire un aiuto a tale scelta,

11



5.1. Modelli

a£flussi -defl ussi

12

fermo restando il fatto che la scelta definitiva dipende anzitutto dal

caso in esame, e pun variare anche per opere della stessa tipologia a

seconda del contesto globale in cui l'opera si inserisce.

Imodelli afflussi-deflussi sono utilizzati principalmente per deter-

minare l'idrogramma di piena quando non sia sufficiente conoscere

il solo valore della portata, oppure quando siano insufficienti Ie

osservazioni idrometriche e si tenti di ricostruire la statistica delle

portate attraverso la statistica delle piogge.

. ( '/ 1 < ' '1 , 1 . + )

HHH~.)

A 1. /\'.3

HHUl l~ l

I modelli di formazione dei deflussi di piena si propongono di

rappresentare sinteticamente i processi idrologici che si svolgono nel

bacino imbrifero sotteso da una sezione di controllo in cui i deflussi

sono ca1colatie misurati.

IIcomportamento del bacino e descritto con un opera tore che lega

la funzione di distribuzione spazio - temporale delle piogge i(t,x,y)

(ingresso al sistema) al corrispondente idrogramma dei deflussi q(t)

(risposta del sistema).

Ladescrizione accurata del sistema fisicopresenta pero delle diffi-

colta ed e condizionata essenzialmente da tre ordini di fattori:



MODELLO DINASH

- l'imperfetta conoscenza della distribuzione spaziale e temp orale

degli afflussi e dei deflussi del sistema idrologico e della stato e delle

caratteristiche locali dei vari elementi che 10 costituiscono (sistema

drenante, pendii, invasi superficiali, ecc.):

- la variabilita nel tempo della stato fisico del bacino per effetto dei

processi naturali di erosione, dei cambiamenti climatici e di altri

fenomeni;

- l'incerta definizione dell'ingresso i(t, x, y) al sistema che non puo

essere definito univocamente anche disponendo di numerose mi-

sure pluviometriche.

Appare evidente come la caratterizzazione puntuale del sistema

fisico, per i problemi citati, sia poco realistica. Cio comporta la sua

sostituzione con un "sistema modello" che riproduce solo alcuni

aspetti essenziali del fenomeno; a scala di bacino una tale caratteriz-zazione appare certamente ragionevole.

II sistema modello deve essere in grado di produrre una risposta

ad una immissione itt), che sia approssimativamente in accordo con

quella del sistema fisico, anche se tale accordo puo essere limitato solo

ad eventi particolari come sono gli eventi di piena.

La costruzione di un modello matematico comporta la presenza di

due operazioni successive:

a) la definizione della struttura del modello, ossia delle relazioni che

legano Ie piogge ai deflussi

b) la stima dei parametri che compaiono in tali relazioni ("taratura del

modello").

Tra i modelli utilizzati per determinare le portate nel corso degli

eventi di piena assumono particolare importanza i modelli concet-

tuali. Questi utilizzano una serie di strutture idrauliche elementari

per simulare gli aspetti fondamentali del reale comportamento del

bacino. Tali strutture sono rappresentate da serbatoi, per simulare

I'effetto di invaso e da canali, per simulare il trasferimento delle

portate.

Tra questi, quelli che si presentano come i pili completi e razional-

mente meglio formulati sono il ma delia d i N ash e il madel ia geomoriolo-

gico.

II modello di Nash e un modello concettuale che e ormai divenuto

un classico in idrologia, sia per illargo impiego, sia per la qualita dei

risultati ottenuti.

II bacino viene schematizzato mediante una cascata di n serbatoi

lineari uguali posti in serie come mostrato in figura 2).

13



MODELLO

GEOMORFOLOGICO

14

fig. 2 Schematizzazione del bacino secondo Nash

11legame tra gli afflussi itt), la portata uscente u(t) e volume

invasato v(t) per ogni serbatoio e descritta dalle leggi dell'idrodina-

mica.

11modello geomorfologico appartiene alla classe dei modelli con-

cettuali detti cinematici, i quali basano la loro formulazione sulla

valutazione del tempo impiegato da una particella iniettata in una

posizione qualsiasi del bacino a corrivare alla sezione di controllo,

identificata con la sezione di calcolo della portata di piena. Nell'ipo-

tesi che il processo, comunque complesso, che porta alla formazione

dei deflussi a partire dalle precipitazioni che insistono sul bacino sia

lineare, e possibile definire la portata ad una sezione fissa del corso

d' acqua nel modo seguente:

t

Q (t) =A f i e f f (t) u (t - r)d:

o

(1)

dove u(t) e la funzione di trasferimento rappresentante la risposta del

bacino ad una precipitazione efficace unitaria istantanea i eff(t) = 8(t).

La caratterizzazione fondamentale del modello geomorfologico



riguarda l'interpretazione statistica della funzione di risposta che

assume la seguente espressione:

u(t) = fB (t)

dove iB e la distribuzione di densita di probabilita del tempo

impiegato dalla singola particella per giungere alla sezione di control-

10 (tempo di corrivazione). Laprecipitazione e quindi immaginata com-

posta da un numero elevato di particelle, ognuna caratterizzata dalla

distribuzione di densita di probabilita iB, che si muovono indipen-

dentemente all'interno del bacino fino a corrivare alla sezione di

controllo. La condizione che le particelle si muovano indipendente-

mente, e l'applicazione della legge dei grandi numeri consente di

dimostrare come l'espressione 0) sia verificata qualora la funzione di

risposta u( t) assuma l'aspetto della distribuzione di densita di proba-bilita dei tempi di corrivazione.

11passo successivo consiste nella definizione della funzione iB in

funzione delle caratteristiche geomorfologiche del bacino e della rete

idrografica. 11bacino e quindi suddiviso inelementi canali ed elementi

cosiddetti "overland" corrispondenti ai sottobacini che confluiscono

nei vari stati canale individuati. Per ogni stato e possibile definire una

distribuzione di densita di probabilita del tempo di corrivazione alla

confluenza con 10 stato seguente. La successiva individuazione di tutti

ipercorsi possibili costituiti dalla combinazione di pill stati elementari

consente la determinazione statistica di iB . 11metodo assume parti-colare importanza in quanto istituisce un legame diretto fra lamorfo-

logia del bacino e la funzione di risposta, mentre in tutti gli altri

metodi tale legame e indiretto e non sistematico.

ordinamento della rete

15



Appare evidente che li modello geomorfologico tende ad un grado

di precisione tanto maggiore, quanto maggiore e il dettaglio con cui

si descrive la rete idrografica e percio tende a simulare sempre pill da

vicino la realta fisica del processo di formazione dei deflussi.

Questo modello quindi in presenza di una dettagliata descrizione

del reticolo idrografico (come ad esempio quello che si ottiene dalla

restituzione da satellite) sara da preferirsi agli altri modelli, compreso

quello di Nash.

Inoltre in ambiente montano, in cui il reticolo e pill marcato e di pill

facile individuazione, e i tempi di corrivazione sono essenzialmente

comandati dalle pendenze dei singoli rami della rete piuttosto che dai

volumi invasati, questa modello appare a maggior ragione appropriato.

5.2.Modelliidrodinamici

MODELLO A MOTO

PERMANENTE

La portata di un corso d'acqua durante un evento di piena egeneralmente diversa da sezione a sezione. Tuttavia l'inviluppo dei

colmi tende a coincidere, con buona approssimazione, con il profilo

di mota permanente corrispondente alla portata massima; tale assun-

to risulta ancora pill legittimo se il tratto di fiume in esame e relativa-

mente corto. II profilo di mota permanente e comunque cautelativo

rispetto ai livelli di massima piena.

In queste condizioni il mota e governato dal seguente bilancio

dell' energia:

aa (h+z+a Q2Z)=- iEs 2gA

(2.1)

16



MODELL!

A MOTOVARIO

dove: h e il tirante idrico, Z la quota del fonda; Q la portata, A l'area

liquida e ie e laperdita di energia per unita di lunghezza, che normal-

mente e assunta uguale a quella che si verificherebbe, in mota unifor-

me, nella stessa sezione a parita di portata e di quota idrometrica. La

relazione da adottare per la valutazione di tale perdita di energia it: ela uno dei parametri pili incerti di tali modelli. In linea di principio Ie

formule ricorrenti in letteratura (Darcy-Weissbach,Gaukler-Strickler-

Manning, Chezy-Tadini, ecc.) sono equivalenti purche il relativo co-

efficiente di scabrezza sia valutato correttamente. Problemi possono

presentarsi in condizioni di scabrezza pronunciata (bassa sommer-

genza) oppure in canali con presenza di vegetazione consistente.

Per i canali a sezione composta (espansione di golena) e opportuno

tenere conto del coefficiente di non uniformita della velocita (coeffi-

cienti di Coriolis) o:

, - - - - - - - - - - - - + - - - - + I - - ~ L - - - - - - - - - J ?'/

,-"7-r-7-;-;-777~

LVi3Ai

fJ.= (2.2)v, 3 LAi

essendo: V i la v elo cit a di ciascuna sottosezione di area

A V LVi Ai I I" dii e m =-- ave ocita me lao

LA ,

Puo succedere, soprattutto negli alvei torrentizi, che iltratto inesame presenti delle alternanze tra corrente rapid a e corrente lenta.

In questa caso e necessario tenere conto degli eventuali risalti calco-

lando "il profilo di corrente lenta", da valle verso monte e quindi

ripetendo ilcalcolo questa volta in "corrente rapida" partendo da

monte. Alla fine in ciascuna sezione si adottera quella soluzione che

comporta la massima spinta totale.

In qualche caso e necessario mettere in conto gli effetti propagatori

e inerziali del moto. Sara necessario allora risolvere, numericamente,

le equazioni del mota vario nella formulazione unidimensionale

(equazioni di de Saint-Venant).

(2.3)

a u a u a h az .-+u -+g-+g -=-gIEa t a x a x a x

(2.4)

17



MODELL!

BIDIMENSIONAL!

18

E evidente che questa modello e assai pili complicato di quello a

mota permanente, comportando la dipendenza temporale. II ricorso

al modello a mota vario e necessario quando si vogliano studiare

effetti di laminazione lungo ilcorso d' acqua. Anche in questa caso

tuttavia ilmodello puo essere semplificato tenendo conto che alcunitermini possono essere trascurabili rispetto ad altri. Sara cura del

progettista dimostrare la Iiceita delle semplificazioni.

Si vuole solo rammentare che per i corsi d' acqua a forte pendenza

sara sufficiente trattare il mota vario come una successione di moti

permanenti. La portata istantanea in condizioni di mota vario, puo

infatti essere scritta nella seguente forma, dove f rappresenta il coef-

ficiente di scabrezza e Rh il raggio idraulico:

8Rh ( i o - ~ - Uau _1 au )fa x g

a xg

a t

=A (2.5)

Come e gia stato fatto osservare da Henderson [6], in un corso

d'acqua con pendenza del fondo dell'ordine del 0.5% (ia = .005,

soggetto ad una rapida variazione di portata (150000 m3/ s in 12 ore)

gli altri termini del radicando dell' equazione 2.5) risultano rispettiva-

mente pari a 0.01%, .005% e 0.001%.

Si evince che nel caso di torrenti, dotati di pendenze del fondo io

anche maggiori, in genere l'ipotesi di successione di moti permanenti

e bene accettabile. In questa caso gli effetti di laminazione (0 invaso)

possono essere valutati attraverso I'equazione di continuita,

In casi particolari, ossia quando il tratto di corso d'acqua in esame

presenta rilevanza trasversale, (manufatti speciali, problemi di alla-

gamenti, immissioni localizzate, ecc.) puo essere utile cercare di dare

una descrizione bidimensionale del moto. In questo caso le equazioni

sono integrate sulla verticale, e le incognite divengono Ie due compo-

nenti della velocita media integrate sulla verticale (UX , Uy).

aux u eu , u eu , a ( Z + h) hi (2.6)--+x --+y--=-g -g lE X

a t a x a y a x

aux + Ux aux + Ux aux =_g a (z + h) _ ghiE y (2.7)a t a x a y a y

az ahux ahUy _ 0 (2.8)a t + a x + a y -



5.3.Modelli di qualita

delle acque

nelle quali iE x e iE y rappresentano la pendenza della linea dell' ener-

gia rispettivamente nelle direzioni x eye sono calcolate, come nel caso

precedente, in base aIle formule di mota uniforme.

In altri casi, quando si voglia invece indagare particolari fenomeni

che si sviluppano lungo la verticale (correnti di densita, stratificazio-ne, ecc.), Ie equazioni possono esser integrate in piani orizzontali. Le

incognite sono allora velocita medie (integrate sul piano orizzontale),

in diversi punti della ascissa verticale. L'impiego di questo tipo di

modello e appunto assai limitato (correnti di densita, correnti strati-

ficate, ecc.),

Se si vuole affrontare il problema nella sua generalita, aIle equazio-

ni della parte idrodinamica si devono aggiungere tante equazioni di

conservazione, quante sono le variabili ambientali che si ritengonointeragire con il corso d' acqua: queste saranno 0grandezze chimico-

fisiche (per esempio l'ossigeno, la temperatura, I'energia, ecc.), oppu-

re grandezze biologiche come la dens ita di popolazione di alcune

specie biologiche 0altro. Al fine di un inquadramento sistematico,

conviene tuttavia separare le variabili suscettibili di diffusione, quali

ad esempio le grandezze chimico-fisiche, la cui concentrazione viene

qui indicata genericamente con < 1 > , si potra scrivere nella seguente

forma:

( 2 . 9 )

Dove ~~ rappresenta il flusso netto di produzione della grandezza

< 1 > . In generale nei cosiddetti modelli a due componenti S rappresenta

la concentrazione della seconda componente; il termine sorgente

viene quindi descritto dalla seguente equazione:

a s k nat =kI( 2 < 1 > - S)(2.10a)

Molto spesso il flusso sorgente e esprimibile con una pili semplice

legge di reazione del primo ordine del tipo:

a s = _ l_ ( < I > _ < I > )a t 1 " < 1 > e

(2.10b)

< l > e rappresenta la concentrazione della grandezza < I > in condizioni

di equilibrio, ossia la massima compatibile con le condizioni idrodi-

19



5.4.Modellazione

dei parametri

biologici

5.5.Modelli

morfologici

(erosioni e depositi)

20

namiche (saturazione): 1 : < 1 > rappresenta il tempo caratteristico di adat-

tamento della grandezza < I > in esame. Sia 1 : < 1 > che < l > e (come kl e k: nella

eq. 2.10b) sono funzioni delle caratteristiche idrodinamiche della

corrente.

L'ossigeno disciolto e, tra i parametri chimici, quello forse pilisignificativo per la qualita dell' acqua. L'ossigenazione delle acque

e determinata essenzialmente dall'azione idrodinamica e dalla fo-

tosintesi; I'ossidazione biologica delle sostanze organiche conte-

nenti composti carbonici ed azotati contribuiscono invece ad ab-

bassarne la concentrazione. La temperatura infine provoca una

riduzione della concentrazione di saturazione, di qui l'importanza

della ombreggiatura nei corsi d'acqua a bassa capacita auto-ossi-

dante.

Data l'incertezza insita nella valutazione delle condizioni al contor-

no e dei parametri empirici di questa tipo di modellazione l'uso diquesti modelli e consigliabile solonei casidi sorgenti di inquinamento

bene individuabili.

In prima analisi dunque non si dovrebbe ricorrere a questi stru-

menti nella valutazione degli impatti di opere di sistemazione

fluviale. Poiche tuttavia le opere di sistemazione possono alterare

anche notevolmente l'idrodinamica del corso dacqua, il ricorso

alIa modellistica relativa alIa qualita delle acque potrebbe impie-

garsi in alcuni casi, ad esempio quando I'opera si colloca in pros-

simita di importanti scarichi. Si deve tuttavia tenere presente che

il grado di definizione dei modelli di qualita delle acque e subor-dina to a quello della parte idrodinamica.

Modelli accurati di crescita biologica applicabili alla scala del corso

d'acqua non sono oggi disponibili.

Alcune deduzioni e tentativi di bilanci possono esser fatti solo sulla

base della conoscenza della stato idrodinamico del corso d' acqua e

della sua qualita [1].

Lesistemazioni dei corsi d' acqua hanno in genere il duplice scopo,

di prevenire leesondazioni e di impedire Ieerosioni e gli scalzamenti

delle opere in essi inserite. E quindi estremamente importante valu-

tare gli effetti morfologici prodotti dalle opere stesse.

Modelli morfologici completi e attendibili, da applicarsi alIa scala

delle lunghezze del corso d' acqua, cominciano ad essere disponibili

solo oggi [3].Essi sono in genere modelli unidirnensionali, che sono

in grado quindi di prevedere le variazioni altimetriche, rna non le



5.6Note sull'impiego

della modellazione

matematica

variazioni planimetriche. Questi modelli si basano sulla soluzione

della equazione di continuita della massa solida:

1_

( l k ) +aQs =-A az

a t AU a x a t(2.11)

dove: Qs e la portata solida, laquale viene 0meno posta uguale alla

capacita di trasporto del corso d'acqua a seconda che l'alveo sia

erodibile 0no. La capacita di trasporto e in genere calcolata sulla base

delle formule di trasporto solido.

Si vuole richiamare l'attenzione proprio sulla delicatezza della

scelta della formula di trasporto solido ed in particolare sul problema

di definirne un diametro rappresentativo.

I modelli pili recenti possono prevedere anche la composizione

granulometrica, parametro questa fondamentale sia per i problemi di

stabilita che per la qualita biologica del corso d' acqua. A questa scopo

alla equazione 2.11) si deve aggiungere una equazione di bilancio di

massa per ogni classegranulometrica trasportata e una seconda equa-

zione che descriva il bilancio di massa di ciascuna classe al fondo del

corso d'acqua.

Questi modelli sono ancora in fase sperimentale anche se in alcune

situazioni importanti cominciano ad apparire le prime applicazioni

[2], [3].

In alcuni casi, e localmente, si possono fare delle valutazioni dicarattere planimetrico (erosioni e depositi localizzati) 0di stabilita

trasversale (formazioni di barre, meandri, ecc.).Queste considerazio-

ni non possono essere considerate dei modelli matematici, rna sono

assai importanti proprio dal punto di vista ambientale, poiche con-

sentono di valutare alcune opere di " idrauli ca natura le" e di rinatura-

lizzazione dei corsi d' acqua in maniera razionale, assecondando la

propensione a certe forme di stabilita che tutti i corsi d' acqua manife-

stano [1].

I modelli matematici consistono essenzialmente nella risoluzione

numerica delle equazioni (differenziali) che governano la evoluzione

spazio-temporale dei diversi fenomeni.

La messa a punto dei modelli matematici consiste quindi:

- nella scrittura delle equazioni;

- nella loro discretizzazione a passi di integrazione finiti;

- nella stesura del procedimento risolutivo delle equazioni discretiz-

zate;

21



- nella taratura di diversi parametri empirici sulla base di confronto

con soluzioni note 0dati sperimentali.

In faseapplicativa imodelli necessitano della introduzione dei dati

geometrici del sito e nella definizione delle condizioni iniziali e di

contorno e spesso nella scelta del passo di integrazione numerica.

La scelta delle equazioni evidentemente nella fase iniziale di ap-

proccio ad un certo fenomeno. In genere gia in questa fase si cerca di

semplificare il pili possibile il problema trascurando i termini poco

significativi oppure operando una prima integrazione (modelli uni-

dimensionali 0bidimensionali di processi tridimensionali; e modelli

stazionari di processi di moto vario). La scrittura delle equazioni deve

essere fatta da esperti ricercatori della disciplina.

Anche la scelta del criterio di discretizzazione (differenze finite,

volumi finiti, elementi finiti, metodi integrali, metodi degli elemen-

ti di contorno, ecc.) deve essere fatta oculatamente ed e subordinata

al tipo di problema in esame, alla possibilita di descrivere ilcon-

torno e anche alla accuratezza dell'informazione che si vuole otte-

nere. E necessario ricordare che le equazioni discretizzate sono di

fatto equazioni diverse da quelle differenziali percio questo pas-

saggio comporta un primo errore che deve essere opportunamente

messo in conto.

Lascelta del procedimento risolutivo e fatta sulla base della econo-

mia dei tempi di calcolo e della precisione necessaria e, assieme alla

scelta dei passi di integrazione, della stabilita numerica del procedi-mento.

La taratura del modello, ossia l'adattamento dei parametri fisici

al fine di simulare risultati noti, puo anche essere fatta dall'utente

del modello che conosca con sufficiente profondita le precedenti

fasi del modello stesso; in caso contra rio bisogna sincerarsi di

applicare il modello in condizioni fisicamente simili a quelle per

cui e stato tarato.

La scelta del tipo di modello deve essere fatta considerando anzi-

tutto Ie equazioni che esso risolve; questa deve essere operata da un

utente cosciente del problema fisicoin esame. La discretizzazione delcontorno, la scelta delle condizioni al contorno e delle condizioni

iniziali e,qualche volta la scelta del passo di integrazione, vengono in

genere fatte dall'utente, che puo non esser esperto di tecniche nume-

riche, rna ugualmente conscio delle semplificazioni che queste scelte

comportano.

Per quanto attiene ai processi ambientali qui considerati, si deve

sempre tenere presente I'effetto primario legato all'azione idrodina-

mica, chedetermina anzitutto ilcampo cinematico, che e di gran lunga

22



il maggior responsabile dei processi di diffusione e trasporto e che

percio influenza in maniera determinante la qualita dell' acqua e

molto spesso lamorfologia del corso d'acqua.

Accoppiare un modello sofisticato di qualita delle acque ad un

modello idrodinamico rozzo e non solo uno spreco di risorse rnamolto spesso un errore.

E ugualmente errato pretendere dal modello informazioni che esso

non puo dare, ad esempio e spesso impossibile ottenere dettaglio

all'interno del dominic di integrazione.

Si raccomanda quindi un uso attento della modellistica, che deve

essere fatto da persone esperte e conscie di tutti i passi che 1modello

compie. Spesso poi nelle applicazioni a contorni naturali grande scala

sussistono incertezze sulla determinazione dei parametri che il mo-

dello necessita. In questa caso tuttavia ilmodello puo fornire indica-

zioni utili per confronto tra diverse soluzioni alternative, purche

l'incertezza sui parametri sia ugualmente influente sulle diverse so-

luzioni.

Utilissimo e poi l'uso dei modelli matematici per l'ottimizzazione

dei punti di controllo e di misura nella sorveglianza dell' ambiente,

poiche consente di ridurre Ie spese di installazione dei misuratori e di

raccolta dei dati rna anche, e soprattutto, perche consente di effettuare

rilevazioni in numero e qualita significative a descrivere 10 stato dei

corsi d'acqua.

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6. BIBLIOGRAFIA

[1] Armanini, A, 1990,Le opere di difesa e sistemazione montana: sicurezza

idraulica e impatto ambientale, Dip. di Ing. Civile e Ambientale, Universitadi Trento.

[2] Armanini, A, 1991, Longitudinal sorting in unsteady flow, Proc. XXIV

IAHR Congress, Madrid. Vol. A

[3] Armanini, A, e Di Silvio, G., 1988, A one-dimensional model for the

transport of a sediment mixture in non-equilibrium condition, Jour. of

Hydraulic Research, vol. 26. No 3.

[4] AA V.V., 1989, Environmental Impact Analysis Handbook, McGrow

Hill, New York.

[5] Dellagiacoma, F., Florineth, F., Zolin, G., 1991, V.LA: opere di sistema-

zione e regolazione dei corsi d' acqua, Provincia Autonoma di Trento, II

Ciclo di lezioni.

[6]Henderson F.M., 1966, Open Channel Flow, Mecmillan Co., New York.

[7]Leopold, L.B.,Clarke, F.E., Hashow B .B . e Basley, J.R.: 1971,A Procedure

for Evalueting Environmental Impact, U.S.Geological Surv., Circular n. 645,

U'S. Geolog. Surv., Washinton D.C.

[8]McHarg, I., 1971,Design with Nature, Doubleday Natural History Press,

New York.

[9]Ross, J.H., 1974,Quantitative Aids to Environmental Impact Assessment,

Occasional paper n. 3, Environment Canada Lands Directorate, Ottawa.

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Documents

ARMANINI 9.22 Opere Di Idraulica Fluviale e Di Sistemazione Dei Torrenti.1204799060