Tesi di laurea

Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

Tesi di Laurea

La stima della portata liquida con il metodo slope-area in torrenti montani.
Caso studio del Torrente Vezza in Alta Versilia

Dott. Ing. Daniele Del Priore
Relatore: Prof. Ing. Enio Paris
Correlatore: Dott. Ing. Francesco Canovaro

Aprile 2010

Quadro di riferimento.
Il presente lavoro riporta i risultati ottenuti dalla sperimentazione del metodo slope-area per la stima della portata in alvei montani. Tale lavoro si inserisce all'interno del "Progetto per lo studio della propagazione dell'onda di piena in ambiente montano" portato avanti dal CERAFRI (Centro di Ricerca e Alta Formazione per la prevenzione del Rischio Idrogeologico) nel Bacino dell'Alta Versilia. La sperimentazione, finalizzata a valutare potenzialità e limiti del metodo slope-area, è stata portata avanti sul Torrente Vezza dove è stato messo in opera il progetto di monitoraggio denominato "Tratto Attrezzato" che prevede l'allestimento di strumentazione di misura dei tiranti idrici in corrispondenza di due sezioni subito a valle dell'abitato di Pontestazzemese.
Tale progetto mira ad individuare metodologie e criteri che consentano la stima indiretta della portata in transito, anche nel caso di portate elevate e in occasione di eventi estremi di piena. La stima delle portate di piena di un corso d'acqua costituisce infatti un riferimento di base per le attività connesse con la pianificazione del territorio, l'individuazione e la progettazione degli interventi. Le metodologie di stima della portata più comunemente utilizzati non sono però sempre applicabili in torrenti montani o in occasione di eventi di piena. Il grado di affidabilità delle stime di portata è spesso inadeguato in corrispondenza delle portate più elevate, come anche l'accuratezza e l'affidabilità delle esistenti scale di deflusso, peraltro ricavate per lo più in corrispondenza di stazioni idrometriche, sono da verificare proprio per eventi di piena significativi.
La verifica del metodo slope-area per la stima di portate di piena in torrenti montani si inserisce quindi in questo quadro in cui appare del tutto necessaria la progettazione e realizzazione di metodologie, integrative rispetto ai metodi tradizionali, che siano applicabili in condizioni di portata molto diverse fra loro (range di portate elevato) e in situazioni ambientali difficili (come nel caso di una piena in un torrente montano).
Il metodo slope-area è infatti un metodo che consente la stima della portata di piena basandosi su misure di campo 'semplici' (misure di livello), recuperate anche dopo il passaggio della piena stessa. A differenza dei metodi 'tradizionali' non c'è la necessità di effettuare misure di velocità in alveo, che normalmente risultano essere dispendiose quando non addirittura peircolose per gli operatori. E' un metodo grandemente utilizzato negli Stati Uniti e risulta essere, fra i metodi indiretti, fra i più affidabili e semplici a condizione che il tratto in esame corrisponda ad alcune caratteristiche specifiche. Proprio la difficoltà di individuare tali caratteristiche in alvei montani richiede la necessità di una analisi del metodo in condizioni limite per la sua applicabilità (condizioni spesso riscontrabili in un torrente montano).
Diversi infatti sono i fattori che influenzano negativamente il metodo (la stima errata del coefficiente di scabrezza n, la non corretta valutazione della sezione idrauica, la non uniformità del tratto a cui applicare il metodo, l'insufficiente valutazione delle perdite di energia legate a espansione o contrazione del tratto in esame, la non stazionarietà del moto, l'utilizzo di un numero insufficiente di sezioni, uno stato della corrente variabile lungo il tratto in esame, elevate pendenze del fiume, ecc.) e che mettono in luce la necessità di tenere in considerazione alcuni elementi centrali per il suo corretto utilizzo:
1. La scelta del tratto a cui applicare il metodo
2. La scelta del numero delle sezioni e il corretto rilievo topografico delle stesse
3. La scelta del coefficiente di scabrezza n
4. La misura del tirante idrico nelle sezioni di interesse

Il lavoro oggetto del presente elaborato.
Molti degli elementi indicati precedentemente come elementi che influenzano negativamente la stima effettuata con il metodo slope-area possono essere evitati attraverso una corretta scelta del sito. L'individuazione del tratto più idoneo del Torrente Vezza per l'installazione delle stazioni di misura utilizzate per il presente lavoro è stato oggetto di una ricerca precedente.
Il presente elaborato fa riferimento a due fasi di lavoro: una prima fase più pratica, legata al tirocinio effettuato presso il CERAFRI, finalizzata alla verifica, sul campo, del funzionamento delle apparecchiature installate e alla ricerca di soluzioni operative; una seconda fase centrata sull'analisi dei dati ricavati dai sensori installati. L'attività a cui fa riferimento la presente tesi quindi è relativa a:

• Attività di verifica del funzionamento delle apparecchiature installate (trasduttore di pressione, datalogger) e di individuazione di soluzioni operative per garantirne l'efficienza;
• Attività di campionamento del materiale presente in alveo per la stima della scabrezza superficiale;
• Raccolta settimanale dei dati di livello registrati dal Datalogger nelle due sezioni che delimitano il tratto attrezzato e prima elaborazione per consentirne l'utilizzo mediante comuni strumenti software (fogli elettronici)
• Analisi e applicazione del rilievo topografico per le sezioni di interesse
• Modellizzazione del 'Tratto Attrezzato' in Hec-Ras [12] partendo dal rilievo topografico e dalla stima della scabrezza
• Stima della della scabrezza complessiva del tratto in esame attraverso simulazione con Hec-Ras
• Ricerca e valutazione applicabiltà al tratto in esame di formule empiriche per la stima della scabrezza
• Stima della portata con il metodo slope-area sulla base delle letture di livello e analisi della variabilità del dato al variare del metodo di stima della scabrezza
• Confronto fra le portate stimate con il metodo slope-area e la simulazione effettuata con il software Hec-Ras, analisi dell'errore e ricerca di una funzione correttiva
• Recupero misure di livello e scala di deflusso dalla stazione idrometrica di Ruosina
• Confronto fra le portate stimate con il metodo slope-area e portate ricavate, attraverso la scala di deflusso, dalle misure di livello della stazione di Ruosina, analisi dell'errore e ricerca di una funzione correttiva

Conclusioni.
A fronte di un metodo di stima delle portate che presenta una sensibilità significativa verso un numerosi fattori, alcuni dei quali non evitabili come ad esempio la non stazionarietà del moto nell'analisi di un evento di piena, e considerando che alcuni dei fattori che influiscono sul metodo sono difficili da determinare, come ad esempio la scabrezza, non risulta sorprendente che il metodo, per poter fornire una stima di portata con un errore compreso all'interno di un range accettabile (±10%), necessiti di una calibrazione basata sul confronto con misure di portata effettuate con altri metodi. E' stata privilegiata, nel presente lavoro, la ricerca di una calibrazione del modello che facesse riferimento a misure effettivamente disponibili nel caso in cui si decida di applicare il metodo. Si è cercato quindi di individuare una funzione correttiva delle portate stimate in funzione dell'errore che il metodo introduce considerando come pendenza della linea dell'energia la pendenza del pelo libero. Nell'analisi di un evento di piena, infatti, non si è mai in condizioni di moto permanente né tantomeno di moto uniforme. Il metodo slope-area, invece, basandosi sull'equazione del moto uniforme, ipotizza che la pendenza della linea dell'energia, del profilo libero e del fondo siano uguali. Di conseguenza è stata cercata una correlazione fra l'errore commesso sulla stima della portata e l'errore commesso considerando la pendenza della linea dell'energia uguale alla pendenza del pelo libero. Da questa correlazione è stata individuata la funzione correttiva da applicare alla portata stimata.
Nel caso in esame il confronto delle portate stimate con il metodo slope-area sulla base delle letture di livello di due sole sezioni e le portate ricavate attraverso la scala di deflusso da letture di livello della vicina stazione di Ruosina ha evidenziato un errore di stima medio (precedente alla calibrazione del metodo) anche molto elevato (si arriva ad errori massimi in valore assoluto di oltre il 50%. Applicando invece la funzione correttiva individuata con i criteri su esposti, l'errore medio commesso è, per oltre il 90 per cento del campione di dati, compreso nel range ±10%.
Il metodo quindi, dopo la calibrazione, malgrado la presenza di numerosi elementi non 'ideali' nell'applicarlo a torrenti montani e per lo studio della propagazione di piene (il moto non uniforme, la scabrezza di difficile definizione, l'applicazione a due sole sezioni, la non regolarità e uniformità del tratto in esame, ecc.), mostra una buona affidabilità.