Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica dell'Università della Calabria.

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Applicazione della shallow water equations per la simulazione numerica a scala di bacino degli eventi alluvionali
(Università della Calabria, 2020-04-16) Gangi, Fabiola; Critelli, Salvatore; Macchione, Francesco; Costanzo, Carmelina
La valutazione del rischio idraulico connesso alle piene dei corsi d’acqua è particolarmente delicata quando gli eventi alluvionali hanno carattere impulsivo, come accade nei bacini di modeste dimensioni. L’approccio correntemente utilizzato per l’analisi idraulica è quello di individuare dei singoli tratti di interesse dei corsi d’acqua. L’analisi è condotta sulla base di idrogrammi di progetto ricavati mediante modelli idrologici del tipo afflussi-deflussi. In questa memoria sarà invece applicato un approccio basato sull’analisi degli effetti idraulici provocati da un evento meteorico considerando come dominio per il calcolo idraulico l’intero bacino idrografico. Tale approccio è in grado di individuare situazioni di pericolo in zone che magari non sarebbero state esaminate. L’uso di modelli idrodinamici basati sulle shallow water equations, è diventato oggetto di crescente interesse per simulare eventi a scala di bacino. Un fattore che può essere limitante ai fini dell’ottenimento di risultati conseguibili con il dettaglio fisico garantito dalle SWEs è la dimensione delle celle di calcolo. Questa deve essere sufficientemente piccola da garantire un’accurata simulazione degli effetti idraulici e contestualmente non troppo piccola per non rendere proibitiva la mole dei calcoli su domini estesi. In questa ottica, il presente lavoro propone di occuparsi dell’individuazione dei criteri per la delimitazione delle aree a pericolosità idraulica definendo la più grande dimensione che può essere assegnata alla cella di calcolo per ottenere risultati sufficientemente affidabili. A tal fine, un modello numerico basato sulle SWE, sviluppato dagli autori e parallelizzato utilizzando le direttive OPENMP e MPI, è stato applicato al bacino del fiume Beltrame, collocato sulla costa Est della Calabria. Il torrente Beltrame, come altri torrenti della fascia ionica calabrese, è stato interessato, in passato, da eventi alluvionali di notevoli dimensioni. Si prenderà qui in esame l’evento accaduto il 10 settembre 2000. La risoluzione dei dati topografici a disposizione è variabile. Il 39% ha una copertura di dati DTM a risoluzione 5 metri, il 59% ha copertura di dati LiDAR a risoluzione 1 metro e l’2% ha copertura di dati LiDAR a risoluzione 2 metri. A partire dai dati topografici, sono stati generati quattro domini computazionali con griglie di tipo non strutturato, uniforme, con elementi triangolari (con area variabile da 36 a 900 m2). Le differenze tra i risultati ottenuti sono stati confrontati in termini di estensione di aree allagate e distribuzione dei valori della pericolosità all’interno delle aree perimetrate, quest’ultima quantificata secondo il prodotto hV, dove h è la profondità della corrente in un assegnato punto e in un assegnato istante e V è la contestuale velocità. La valutazione della sovrapponibilità delle aree per ciascuna classe di pericolosità è stata eseguita utilizzando diversi indici quali: Hit Rate, False Alarm Ratio, Critical Success Index. L’analisi condotta nella presente memoria ha messo in luce che, a scala di bacino, gli errori sui massimi tiranti crescano significativamente al crescere delle dimensioni delle celle di calcolo, sebbene essi si mantengano più contenuti, anche usando le griglie più grossolane, per la parte valliva, caratterizzata da estensioni più ampie dell’area allagata. In ogni caso sembra che questo abbia una scarsa ricaduta sulla valutazione della pericolosità. I calcoli e i confronti hanno mostrato che le aree a diversa pericolosità si distribuiscono all’interno dell’area del bacino in maniera simile. Inoltre, anche se non si arriva ad una perfetta sovrapposizione areale, esse sono collocate spazialmente in modo che o si sovrappongono parzialmente o, se sono delle strisce sottili, hanno dislocazioni molto prossime le une alle altre. si ritiene che anche con la griglia più grossolana si possa impiantare una buona analisi della pericolosità a scala di bacino, certamente con precisione maggiore andando dai rami montani del reticolo – più stretti - a quelli più ampli che provocano esondazioni in zone vallive.
<> rappresentazione virtuale delle simulazioni 2-D delle piene in aree urbane per il miglioramento della comunicazione del rischio idraulico
(2019-05-10) De Santis, Rosa; Critelli, Salvatore; Macchione, Francesco; Costabile, Pierfranco; Pantano, Pietro Salvatore
I fenomeni di allagamento di aree urbane rappresentano un problema molto attuale, poiché il numero di persone potenzialmente coinvolte ed il valore degli elementi a rischio, in termini economici, artistici e culturali, può essere notevole in larghe parti del territorio e delle aree urbanizzate. Nel contesto europeo, la Direttiva 2007/60/CE del Parlamento Europeo del 23 ottobre 2007, relativa alla valutazione e alla gestione del rischio alluvionale, prescrive di valutare il rischio attraverso studi di natura idraulica. In tale ambito, vi è l'esigenza di utilizzare strumenti predittivi e metodologie di analisi adeguati per la determinazione delle reali condizioni di rischio associate al realizzarsi di un determinato evento alluvionale. Uno studio di inondazione in area urbana, per essere di reale supporto per l'implementazione di adeguate misure di previsione e prevenzione, necessariamente deve coinvolgere una serie di aspetti che spaziano dall'acquisizione di dati topografici alla descrizione dei processi fenomenologici tipici del moto di una corrente in piena e della sua interazione con edifici e infrastrutture, agli algoritmi da utilizzare per la risoluzione delle equazioni del modello, alla restituzione dei risultati. Questa notevole mole di lavoro deve necessariamente trovare il suo sbocco naturale nella rappresentazione finale dei risultati tramite prodotti grafici che la Direttiva vigente individua nelle mappe di pericolosità e di rischio. Tuttavia la medesima Direttiva, richiama anche l’importanza della comunicazione del rischio, finalizzata al coinvolgimento dei diversi stakeholders e all’implementazione di una corretta gestione dell’emergenza. Vi è, dunque, una crescente necessità di presentare i risultati delle simulazioni idrauliche delle alluvioni in un formato che consenta una comprensione più immediata per i decisori finali e per la popolazione esposta. A tale scopo, potrebbe essere di notevole ausilio l’uso di rappresentazioni tridimensionali di alluvioni attraverso scenari virtuali ad integrazione delle classiche mappe di pericolosità da inondazione. Esse consentirebbero un incremento enorme della comprensibilità dei risultati dei complessi calcoli idraulici che sono alla base della redazione delle mappe di pericolosità. Per questo motivo, sarebbe auspicabile una competenza di base nelle tecniche di visualizzazione 3-D per la comunicazione del rischio idraulico per gli ingegneri idraulici che operano nel campo dell’analisi del rischio di alluvione. Questa tesi di Dottorato si inserisce proprio in tale contesto, e si articola in una proposta di criteri di rappresentazione di simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente di realtà virtuale 3-D, con contenuti informativi diversi, destinati a differenti target di utenti, finalizzati ad una migliore comunicazione della pericolosità idraulica Si tratta dunque di restituire i risultati dei calcoli in immagini (e, in prospettiva, in video) che possano rappresentare, sotto forma di scenari virtuali, in maniera immediata le condizioni in cui si verrebbe a trovare un luogo nel corso di un’alluvione. Dovendo le immagini rappresentare visivamente le superfici idriche calcolate, necessariamente la procedura deve basarsi su modelli di calcolo che descrivano in maniera corretta i fenomeni idraulici che occorrono nelle correnti di piena. Escludendo l’uso delle equazioni di Navier-Stokes, poiché attualmente ancora troppo onerose per l’applicazione su aree vaste, occorre riferirsi alle equazioni complete delle acque basse, formulate in modo che possano correttamente rappresentare i fenomeni cui si è fatto cenno. Per tale motivo, la tesi ha inizio con l’analisi della modellistica 2-D completa, basata sulle equazioni delle acque basse (Shallow Water Equations, SWE) formulate originariamente da De Saint Vénant. Si focalizzerà l’attenzione sulla formulazione e sui metodi di integrazione numerica idonei per ottenere delle soluzioni in grado di inglobare correttamente anche i fenomeni locali presenti nella propagazione della corrente, anche con riferimento all’interazione con la topografia e i manufatti. Inoltre, saranno descritti tutti gli elementi necessari per la simulazione di un evento alluvionale, in particolare i criteri per la corretta rappresentazione della topografia e dei manufatti, la definizione delle condizioni iniziali e delle condizioni al contorno, la stima della scabrezza. Il secondo capitolo analizzerà i concetti teorici e metodologici relativi alla mappatura della pericolosità e del rischio di alluvione, in relazione allo stato dell’arte, ai metodi e alle sperimentazioni presenti nella letteratura scientifica internazionale e, più dettagliatamente, in ambito europeo. Verranno, dunque illustrati i criteri idonei per ottemperare alla Direttiva 2007/60/EC, relativi alla redazione delle mappe di pericolosità e di rischio idraulico. Il capitolo è finalizzato a mettere in luce peculiarità e criticità delle prassi correnti, da utilizzare come riferimento per la realizzazione di strumenti intuitivi ed efficaci per la comunicazione del rischio. È stata inoltre condotta un’analisi sugli aspetti cartografici della mappatura del rischio di inondazione, mettendo in luce alcune peculiarità relative all’elaborazione e alla redazione delle mappe. Dopo l’inquadramento generale operato dai capitoli precedenti, nel capitolo 3 si focalizzerà la proposta centrale di questa tesi di dottorato, con riferimento alla situazione Calabrese. La Regione Calabria, con le risorse POR Calabria 2000-2006 si è già dotata, per l’esecuzione degli studi sulle alluvioni, di “Metodologie di individuazione delle aree soggette a rischio idraulico di esondazione”. Tali metodologie e le relative Linee Guida sono state elaborate dal Laboratorio di Modellistica numerica per la Protezione Idraulica del Territorio (da ora in avanti LaMPIT) dell’Università della Calabria in collaborazione con il CUDAM (Università di Trento), con l’Università di Pavia e con l’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS (Trieste). Questa tesi, svolta all’interno del LaMPIT, vuole essere un ideale sviluppo di quelle Metodologie. Esse sono basate sulle SWE trattate secondo i metodi e gli accorgimenti che appartengono alle categorie descritte nel capitolo 2 e, pertanto, le soluzioni da esse ottenute sono compatibili per l’uso finalizzato a una corretta trasposizione in immagini. La presente tesi ha perciò preso in esame i risultati di un caso di studio sviluppato per la Regione Calabria. Tali risultati furono rappresentati nelle Linee Guida secondo i classici canoni delle mappe di pericolosità. Tuttavia, come già osservato, le potenzialità di simulazione dei dettagli fisici conseguibili con i modelli numerici utilizzati potrebbero consentire la restituzione di tali risultati in immagini virtuali. Tra tutti i casi trattati nelle Linee Guida, si è voluto qui prendere in esame quello della mappa di pericolosità di inondazione del centro storico di Cosenza. Cosenza è attraversata dai fiumi Crati e Busento, che confluiscono proprio all’interno del centro urbano. Nonostante la città sia stata preservata da alluvioni negli ultimi 60 anni, Cosenza ha storicamente subito molte volte le conseguenze delle esondazioni dei suoi fiumi. Per documentare questo, una parte del lavoro di questa tesi si è voluto dedicarla alla descrizione degli eventi storici ricavata da documenti consultabili presso l’Archivio di Stato, la Biblioteca Nazionale, la Biblioteca Civica di Cosenza e concentrando l’attenzione non solo sugli aspetti idrologici, ma anche sugli effetti idraulici e sull’uso del suolo. L’ultima alluvione si verificò il 24 novembre 1959 e benché esista una discreta documentazione fotografica della situazione post-evento, non si ha nessuna immagine della città con l’alluvione in corso di svolgimento. Pertanto solo alcuni anziani abitanti dei luoghi alluvionati ricordano gli scenari vissuti. Le nuove generazioni non sono consapevoli di quali sarebbero questi scenari se oggi si verificasse l’esondazione dei fiumi. In verità le classiche mappe non sono lo strumento più intuitivo per trasferire tale consapevolezza alla popolazione. È questo il motivo per il quale si è scelto di implementare la procedura di visualizzazione oggetto di questa tesi proprio per la città di Cosenza. Pertanto, il terzo capitolo dopo un excursus storico, ha analizzato la simulazione idraulica di un’ipotetica alluvione di progetto riferita a un tempo di ritorno di 500 anni. Il quarto capitolo è incentrato sullo sviluppo di un workflow per rappresentare simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente 3-D realizzato utilizzando la tecnica della texture mapping. Vengono discussi i risultati conseguiti, nonché le potenzialità di questo tipo di rappresentazione ai fini di un miglioramento della consapevolezza e della percezione del rischio da parte della popolazione, ai fini della preparazione e pianificazione dell’emergenza e supporto nella stima del danno alluvionale. La procedura proposta è stata applicata per la visualizzazione di immagini virtuali relative al caso studio descritto nel capitolo precedente. Il quinto capitolo propone un secondo prodotto di realtà virtuale realizzato utilizzando dati provenienti dal laser scanner terrestre. Sono descritte le campagne di acquisizione nonché le diverse fasi di gestione dei dati e di visualizzazione. Inoltre, si proporrà un ambiente interattivo, basato sulla tecnologia Web-GL, per la visualizzazione di scenari di inondazione utilizzando nuvole di punti di grandi dimensioni. Segue una discussione sulle potenzialità di questo prodotto ai fini del disaster management. Il capitolo finale è dedicato alle conclusioni generali e alle prospettive future.
Accuracy aspects in flood propagation studies due to earthfill dam failures
(2015-10-30) Razdar, Babak; Costabile, Pierfranco; Costanzo, Carmelina; Macchione, Francesco
Flooding due to dam failing is one of the catastrophic disasters which might cause significant damages in the inundated area downstream of the dam. In particular, there is a need of trustworthy numerical techniques for achieving accurate computations, extended to wide areas, obtained flood mapping and, consequently, at the implementation of defensive measures. In general several key aspects are required for accurate simulations of flood phenomena which are ranging from the choice of the mathematical model and numerical schemes to be used in the flow propagation to the characterization of the topography, the roughness and all the structures which might interact with the flow patterns Regarding general framework discussed before this thesis is devoted to discuss two aspects related to accuracy issues in dam breach studies. In the first part a suitable analytical relation for the description of reservoir have been discussed and the second part the influence exerted by the methods used for computing the dam breach hydrograph on the simulated maximum water levels throughout the valley downstream of a dam, has been investigated. As regards the first aspect, the influence of reservoir morphology on the peak discharge and on the shape of outflow hydrograph have been investigated in the literature. The calculation of the discharge released through the breach requires the knowledge of the water level in the reservoir. It is considerable that the reservoir morphology in computational analyses cannot be expressed exactly by an analytical formula because of natural topography of the reservoir. For this reason, the information about reservoir morphology is usually published as a detail tables or plots which each value of elevation from bottom to top has a corresponding value for lake surface and reservoir volume. However, in the cases for which there is a scarcity of data, analytical expression can be obtained by interpolation of the values of the table. Usually one of the most suitable technique for interpolation data is using polynomial function but unfortunately utilizing this function for solving the problem demand several parameters. Using power function in numerical computations of breach phenomena would be advantageous, because this function is monomial type and only one parameter needs to be estimated. In this thesis, we want to present that this approach is very accurate and suitable to represent the morphology of the reservoirs, at least for dam breach studies. To reach this aim, 97 case studies have been selected from three different geographical regions in the world. The results of this research have been shown that the power function is suitable to obtain an accurate fitting of the reservoir rating curve using a very limited number of surveyed elevations and volumes or areas. Furthermore in this part of the research it has been shown that two points are enough for a good fitting of the curve, or even only one if volume and surface are both available for an elevation close to normal or maximum pool. Results obtained for dam breach calculations using this equation, have the same quality of those achieved using the elevation-volume table. Moreover, this research have been shown that the exponent of power equation can be expressed by a formula which has a precise morphological meaning, as it represents the ratio between the volume which the reservoir would have if it were a cylinder with its base area and height equal to the respective maximum values of the actual reservoir, and the real volume of the reservoir. Regarding the second aspect, over the complexity of the mathematical models which have been used to predict the generation of dam breach hydrograph, it is considerable that the historical observed data of discharge peak values and typical breach features (top width, side slope and so on) have been usually utilize for model validation. Actually, the important problem which should be considered here is traditionally focused on what has been observed in the dam body, because the effects of the flood wave realized in the downstream water levels usually have been neglected. This issue seems considerable because required information for the civil protection and flood risk activities are represented by the consequences induced by the flood propagation on the areas downstream such as maximum water levels and maximum extent of flood-prone areas, flow velocity, front arrival times etc. The water surface data is almost never linked to the reservoir filling/emptying process which can be important information for the estimation of discharge coming from the breach, are available. Moreover, it is quite unusual to have records on the flood marks signs or other effects induced on the river bed, or on the man-made structures, downstream. For this reason finding well documented case study is one of the important part of any simulation study, especially for model validation. One of the few cases in this context is represented by the Big Bay dam, located in Lamar County, Mississippi (USA), which experienced a failure on 12 March 2004. In general analyzing the simplified models for dam breach simulation is the main purpose of this second important activity of the thesis. The simplified model have been utilized in this study, in order to identify a method that, on the basis of the results obtained in terms of simulated maximum water levels downstream, might effectively represent a preferential approach for its implementation not only in the most common propagation software but also for its integration in flood information systems and decision support systems. For the reasons explained above, attention here focuses on the parametric models, widely used for technical studies, and on the Macchione (2008) model, whose predictive ability and ease of use have been already mentioned. To reach this purpose both a 1-D and 2-D flood propagation modelling have been utilizing in this study. The results show that the Macchione (2008) model, without any operations of ad hoc calibration, has provided the best results in predicting computation of that event. Therefore it may be proposed as a valid alternative for parametric models, which need the estimation of some parameters that can add further uncertainties in studies like these.
Vegetated roofs as a low impact development (LID) approach: hydrologic and hydraulic modeling for stormwater runodd mitifation in urban environment
(2016-02-19) Principato, Francesca; Berardi, Luigi; Bertrand-Krajewski, Jean-Luc; Carbone, Marco; Piro, Patrizia; Macchione, Francesco
Nei paesi sviluppati, il livello di urbanizzazione è in continuo aumento e dovrebbe raggiungere l’83% nel 2030 (United Nations, 2002; Antrop, 2004). Il notevole incremento della popolazione comporta una continua espansione areale delle città che si traduce nella progressiva cementificazione di aree vegetate sempre più grandi. L’effetto combinato di urbanizzazione (che riduce la disponibilità di spazi naturali e allo stesso tempo modifica la rete di scorrimento superficiale) e cambiamenti climatici (che incrementano la frequenza e l’intensità delle precipitazioni) (Piro et al., 2012) ha comportato una maggiore vulnerabilità delle aree urbane ed uno sconvolgimento del ciclo idrologico naturale. Durante gli eventi di pioggia intensi, i tassi di infiltrazione ed evapotraspirazione si sono notevolmente ridotti, e di conseguenza si è verificato un incremento del volume di deflusso delle acque meteoriche che sovraccarica il sistema di drenaggio urbano (Piro et al., 2012). In un’ottica di sviluppo ambientale sostenibile, nasce quindi l’esigenza di potenziare la rete di deflusso superficiale mediante l’introduzione di soluzioni sostenibili che consentano di rispristinare, per quanto possibile, le condizioni idrologiche che caratterizzavano il bacino prima dello sviluppo urbano (Cannata, 1994). L’insieme di queste tipologie di interventi a basso impatto che, seguendo un approccio ecologicamente basato, consente una gestione delle acque piovane direttamente alla fonte così da prevenire molti problemi che possono accorrere lungo il percorso di trasporto, viene identificato in letteratura con l’acronimo LID (Low Impact Development). Tra queste, la tecnica del verde pensile che protegge, ripristina o imita il ciclo idrologico di pre-sviluppo e, sfruttando gli spazi disponibili sulle coperture a tetto (altrimenti inutilizzate), può essere applicata anche in ambienti urbani densamente edificati, è di particolare interesse ambientale per l’insieme dei benefici che comporta su scala del singolo edificio e del comprensorio urbano circostante (Tillinger, et al., 2006). Diversi studi hanno evidenziato come le coperture vegetate possano avere effetti sulla ritenzione degli eventi di pioggia (DeNardo et al., 2005; VanWoert et al., 2005; Getter et al., 2007; Gregoire and Clausen, 2011), riducendo il volume di deflusso e la portata al colmo (Berntsson, 2010; Palla et al., 2010; Voyde et al., 2010; Stovin et al., 2012) e ritardando il picco di piena (Carter e Rasmussen, 2006; Spolek, 2008). Da queste premesse nasce il seguente lavoro di tesi, che ha riguardato lo studio del Verde pensile come sistema a basso impatto ambientale, per la mitigazione dei deflussi nell’idraulica urbana, focalizzando l’attenzione sulla Modellazione Idrologico-Idraulica: “Vegetated roofs as a Low Impact Development (LID) approach: hydrologic and hydraulic modeling for stormwater runoff mitigation in urban environment”. Il principale obiettivo della ricerca è stato quello di definire, migliorare ed implementare una metodologia per la progettazione dei tetti verdi utilizzando i dati provenienti da diverse aree geografiche (nel caso specifico sono stati analizzati i dati provenienti da due diverse realtà geografiche: Cosenza in Italia e Lione in Francia), al fine di individuare alcuni fattori chiave per la caratterizzazione della risposta di un sistema a verde pensile. Più nello specifico, dopo un’introduzione generale ed una panoramica sui benefici che l’adozione delle LID offre alla gestione delle acque meteoriche in ambiente urbano rispetto ai sistemi convenzionali, nel Capitolo 1 sono stati definiti i principali obiettivi del progetto di ricerca. Tra le soluzioni naturalistiche che operano il controllo della formazione dei deflussi superficiali mediante i processi di ritenzione e detenzione, quella del Verde Pensile viene particolarmente trattata nel Capitolo 2; vengono descritte le componenti stratigrafiche ed illustrati i più importanti effetti benefici conseguibili dall’installazione di coperture vegetate, con particolare attenzione al contributo nella regimazione delle acque meteoriche.Dal momento che la risposta idrologico-idraulica di una copertura vegetata è influenzata da diversi fattori quali le condizioni meteo-climatiche e le caratteristiche costruttive della copertura vegetata, la revisione della letteratura (Capitolo 3) è organizzata in relazione agli obiettivi della ricerca: (1) la prima parte fornisce una panoramica dei modelli per l’analisi del comportamento idraulico dei tetti verdi, visti come strumento di supporto alla gestione quantitativa delle acque di pioggia; (2) nella seconda parte è stata eseguita una ricognizione degli studi scientifici effettuati per analizzare l’influenza dei suddetti parametri sulle prestazioni idrologiche ed idrauliche di una copertura vegetata di tipo estensivo. Tali considerazioni suggeriscono che se il verde pensile deve essere parte delle strategie di gestione delle acque piovane, è fondamentale capire come specifici sistemi di copertura rispondano ad eventi pluviometrici specifici; questo richiede strumenti di modellazione affidabili che consentano di ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su una vasta gamma di tipi di costruzione e in diverse condizione operative. Come risultato di tali considerazioni, i capitoli 4 e 5 riguardano le sperimentazioni condotte utilizzando due diversi modelli. In particolare il Capitolo 4 indaga l’affidabilità di un modello concettuale di tetto verde, sviluppato congiuntamente dalla Le Prieuré e l’INSA di Lione, per simulare il comportamento di una specifica tecnologia di tetto verde pre-fabbricato (Hydropack® & Stock&Flow®). Il modello si basa sul percorso dell’acqua attraverso quattro serbatoi disposti in serie, ciascuno caratterizzato da uno specifico processo idrologico e/o idraulico rappresentato da equazioni concettuali o semi-dettagliate: Serbatoio di Intercettazione, Substrato, Serbatoio Alveolare ed un Serbatoio di Raccolta. Il modello, adattabile a qualsiasi tipo di copertura attraverso l’attivazione/disattivazione di serbatoi e funzioni opzionali, intende simulare il comportamento dinamico del tetto verde a diversi intervalli di tempo, indagarne l'affidabilità ed ottimizzarne le prestazioni. Il modello è stato testato e calibrato utilizzando un database raccolto su due siti sperimentali, rispettivamente per un anno e nove mesi, misurati al passo temporale di 1 minuto: 1) per l’unità prefabbricata di 1 m2 (Hydropack®) prodotta ed installato a Moisy (Francia) da Le Prieuré, la calibrazione è stata condotta a scala d’evento per valutare il contenuto idrico nel substrato; 2) per il tetto verde a grandezza naturale di 282 m2 presso il Centro Congressi di Lione (Francia),la calibrazione è stata condotta a scala mensile per valutare il deflusso totale in uscita dal tetto verde. Tutte le simulazioni del modello sono state effettuate utilizzando il linguaggio ddi programmazione MatLab. Come indicatori delle performance del modello sono stati utilizzati il criterio di Nash-Sutcliffe (NS) e il Root Mean Squared Error (RMSE). I risultati delle simulazioni effettuate sull’unità Hydropack hanno mostrano che il modello ha una elevata capacità di replicare il comportamento osservato per il contenuto idrico nel substrato durante eventi piovosi, come confermato dagli alti valori di NS (sopra 0,6 per il 78% dei casi, e sopra 0,97 per il 46%) e valori RMSE bassi. I primi risultati hanno inoltre indicato che la risposta del modello è fortemente determinata dal contenuto iniziale di acqua nel substrato (Hs0) che andrà considerato come uno dei parametri chiave del modello quando è usato a scala di evento. Per quanto riguarda le simulazioni mensile effettuate sul tetto verde a scala reale, i primi risultati hanno mostrato una buona capacità del modello di replicare il comportamento osservato per la portata in uscita dal tetto, solo per alcuni eventi; prestazioni inferiori si osservano per alcuni eventi a causa di dubbia affidabilità dei dati o nel caso di eventi con precipitazioni molto piccole. Nel Capitolo 5 viene proposto un modello concettuale (SIGMA DRAIN), sviluppato nel corso del progetto PON01_02543 per simulare il comportamento idraulico della copertura vegetata di tipo estensivo installata nel sito sperimentale dell’Unical. SIGMA DRAIN utilizza, per la simulazione dei fenomeni idrologici e idraulici, il motore di calcolo del software EPA SWMM (Storm Water Management Model), pur essendo completamente svincolato dall’interfaccia utente del software. Il nuovo modello idealizza il tetto verde come un sistema costituito da tre componenti disposte in serie, ognuna caratterizzata da uno specifico processo idrologico-idraulico, corrispondenti ai tre moduli tecnologici principali della copertura: lo strato superficiale è concettualizzato come un sottobacino mentre i successivi strati di terreno e di accumulo sono schematizzati attraverso due serbatoi lineari che descrivono rispettivamente la percolazione attraverso il substrato colturale e il trasporto attraverso lo strato drenante. Un’equazione di bilancio di massa viene applicata a ciascun blocco, tenendo conto dei fenomeni fisici specifici che si verificano in ciascun modulo; il flusso è invece regolato dall’equazione di Richards. Al fine di stimarne l’affidabilità, il modello è stato prima calibrato e poi validato con il software HYDRUS-1D, che modella l’infiltrazione dell’acqua nel sottosuolo; visti i parametri idraulici richiesti dal software, tale operazione ha riguardato essenzialmente lo strato di terreno piuttosto che quello di vegetazione ed accumulo. Osservando i risultati in termini di deflusso dei singoli eventi di pioggia, è possibile constatare che il modello Sigma Drain approssima bene il modello HYDRUS-1D per precipitazioni al di sopra dei 20 mm, mentre per eventi con altezza di pioggia inferiore le performance del modello non risultano soddisfacenti; tale comportamento è attribuibile al fatto che nel modello Sigma Drain, differentemente da HYDRUS-1D, non si tiene conto del contenuto idrico iniziale del substrato. A conferma di ciò, le simulazioni effettuate in continuo, hanno mostrato in media un valore dell’indice di NS pari a 0.8, a dimostrazione che le condizioni idrologicoidrauliche antecedenti l’evento considerato sono rilevanti nella valutazione della risposta del modello. Particolare attenzione è stata riposta all’analisi del coefficiente di deflusso e ai fattori idrologici che sono determinanti nelle performances del tetto quali: la precipitazione, l’intensità e la durata di pioggia, nonché il periodo intra-evento che intercorre tra due eventi indipendenti. A seguito delle simulazioni effettuate con SIGMA DRAIN, dal confronto dei risultati ottenuti in termini di deflusso tra gli eventi di pioggia registrati con passo temporale di 1 minuto sul sito sperimentale dell’Unical e presso Lione, si è evidenziato per entrambi gli scenari un comportamento analogo, stimando un valore soglia delle precipitazioni di 13mm, al di sotto del quale il tetto verde trattiene la quasi totalità dell’evento. Per eventi con altezza di pioggia superiore a 13 mm, è stata rilevata, invece, un coefficiente di deflusso che si attesta in media attorno al 46% e 38% rispettivamente per il set di dati regisrati all’Unical e a Lione; è possibile osservare, inoltre, l’esistenza di una proporzionalità diretta tra precipitazione e deflusso. Per analizzare al meglio l’influenza dei singoli parametri idrologici sull’efficienza idraulica del tetto verde, è stata poi ricavata, con i dati di pioggia dell’Unical, un’equazione statistica sulla base di analisi di regressione lineare multipla, successivamente validata con i dati di Lione, che consenta di avere una prima stima della capacità di ritenzione del tetto verde in funzione della durata dell’evento e dell’altezza di pioggia. In definitiva è possibile osservare che ogni singolo parametro, sia esso idrologico o fisico, apporta un’influenza significativa sulle prestazioni idrauliche di una copertura vegetata. Risulta, dunque, approssimativo valutare l’efficienza di una copertura vegetata mediamente su scala annuale o stagionale, in quanto ogni singolo evento di pioggia, in funzione delle proprie caratteristiche e di quelle della copertura stessa, sarà trattenuto in maniera differente. I risultati ottenuti dalle sperimentazioni hanno evidenziato come la copertura vegetata di tipo estensivo, progettata e realizzata all’Unical, in clima Mediterraneo, presenti un ottima efficienza idraulica anche considerando i dati di pioggia di un’altra realtà come Lione, caratterizzata da un clima Temperato. Infine, nel Capitolo 6 vengono esposte le conclusioni generali sul progetto di ricerca e i possibili sviluppi futuri. Con questo lavoro di tesi, che fornisce indicazioni utili alla realizzazione di una pianificazione urbanistica sostenibile che consenta di attuare una gestione integrata della risorsa idrica, si intende promuovere il verde pensile non solo quale strumento di mitigazione e compensazione ambientale in generale, ma nello specifico quale soluzione di drenaggio urbano sostenibile per il ripristino dei processi fondamentali del ciclo idrologico naturale nell’ambiente urbano.
Weakly-compressible SPH modeling of fluid-structure interaction problems
(2016-02-19) Meringolo, Domenico Davide; Veltri, Paolo; Tomasicchio, Roberto G.; Aristodemo, Francesco; Marrone, Salvatore; Macchione, Francesco
IRISULTATI scientifici presentati nella tesi di dottorato riguardano la modellazione numerica, attraverso la tecnica lagrangiana SPH debolmente compressibile, di problemi di interazione fluido-struttura. Diversi aspetti, sia di natura puramente modellistico fisica che di natura ingegneristica ed applicativa, vengono investigati nella tesi. Nello specifico, parte dei risultati presentati ha come primo obiettivo la validazione del modello numerico, ottenuta attraverso diversi test preliminari: in primis la conservazione della soluzione idrostatica in un serbatoio d’acqua, dopodiché diversi test dinamici in cui viene presentata la conservazione dell’energia, dimostrando come l’energia meccanica dissipata dal sistema venga esattamente trasformata in energia termica. Alcuni aspetti legati all’ipotesi di debole compressibilità adottata alla base del modello SPH considerato, riguardanti l’istantaneo accumulo di energia elastica durante impatti, vengono già messi in luce in questa parte della tesi. I test dinamici svolti riguardano dunque l’evoluzione nel tempo di una massa d’acqua di forma circolare sottoposta ad un campo di forze centrale che periodicamente evolve in forme ellittiche, l’analisi dell’evoluzione di diversi casi di dam-break e l’evoluzione nel tempo di un fenomeno di tracimazione di un ostacolo orizzontale investito dal moto ondoso. Uno degli argomenti centrali della tesi di dottorato riguarda l’analisi dell’interazione di onde con strutture costiere come cassoni forati. I cassoni forati sono strutture marittime ampiamente utilizzate nelle zone portuali con l’obiettivo di minimizzare dell’energia riflessa del moto ondoso al fine di limitare oscillazioni di grande ampiezza dovute alla sovrapposizione di onde incidenti e riflesse, garantendo quindi, durante le mareggiate, condizioni di sicurezza per la navigazione. Suddette strutture sono state studiate, fino ad ora, essenzialmente attraverso modelli approssimati ed analisi sperimentali, mentre l’utilizzo di un modello numerico di dettaglio è stato raramente impiegato per il loro dimensionamento. In questo contesto, il modello SPH è stato implementato per studiarne nel dettaglio il comportamento idraulico e di stabilità strutturale. In particolare, durante le analisi numeriche si è andati incontro a difficoltà sia di natura computazionale che di natura modellistica nella loro simulazione. Una prima difficoltà è consistita nella riproduzione numerica dei muri verticali forati che costituiscono la parete frontale di queste strutture in quanto, essendo spesso caratterizzati da spessori sottili, rendono la simulazione computazionalmente onerosa nel contesto numerico SPH. In questo contesto vengono introdotte le multi-node fixed ghost particles, che consentono di poter utilizzare un numero totale di particelle pari ad (1=2)D, in cui D è il numero di dimensioni spaziali del problema, il numero totale di particelle altrimenti necessario. Nelle analisi effettuate relative a cassoni pienamente e parzialmente forati, in cui D = 2, il risparmio in termini di tempo di calcolo è stato rispettivamente del 79,5% e del 77.7 %. Un altro aspetto modellistico cui si è andati incontro nella simulazione dei problemi considerati è legato alla presenza di rumore nel campo di pressione ottenuto dalla soluzione SPH, che porta in molti casi a risultati difficilmente utilizzabili ai fini ingegneristici. Questo aspetto, che viene investigato in dettaglio nell’ultima parte del lavoro di tesi, è legato alla componente acustica della soluzione fornita dai modelli in cui il fluido è supposto essere debolmente compressibile. Nel tentativo di limitare tali oscillazioni in alta frequenza del campo di pressione, negli ultimi anni diversi autori hanno introdotto diversi termini diffusivi che agiscono all’interno dell’equazione di continuità. In generale questi modelli possono essere raggruppati in due formulazioni: la prima è costituita da termini che fanno riferimento alla formula di Morris; la seconda, nota come -SPH differisce dalla prima essenzialmente per l’aggiunta di gradienti renormalizzati del campo di densità. La prima famiglia di modelli è caratterizzata dall’introduzione di errori numerici in prossimità della superficie libera ed, inoltre, l’azione di “smoothing” deteriora la soluzione idrostatica nel tempo. In presenza invece di impatti l’azione diffusiva svolta da questi modelli risulta essere efficace nell’attenuazione di onde di shock non fisiche successive all’impatto. Il modello - SPH, essendo invece un operatore più accurato, non introduce alcun errore vicino alla superficie libera e conserva la soluzione idrostatica nel tempo. Nel caso invece di impatti, questo modello risulta essere meno efficace nell’azione di attenuazione delle onde di shock. Al fine di avere un modello che conservi le proprietà del fluido quando questo è caratterizzato da fenomeni di dinamica lenta e che agisca al meglio nel processo di attenuazione delle onde di shock conseguenti a dinamiche di impatto, o veloci, viene introdotto un modello diffusivo ibrido che permette di passare da una formulazione all’altra, a seconda delle condizioni presenti nella massa fluida, grazie all’introduzione di un parametro, , che attiva o disattiva i gradienti renormalizzati di densità. La modellazione dei contorni solidi sottili ed i termini diffusivi ibridi presentati vengono implementati per la simulazione numerica SPH dell’interazione onda-cassone forato. I risultati analizzati riguardano sia l’aspetto di stabilità dell’opera, riguardante in questo caso la valutazione delle pressioni dinamiche agenti sulle pareti della struttura, sia l’aspetto idraulico, riguardante la valutazione dei coefficienti di riflessione. Per quanto concerne le distribuzioni di pressione, i risultati numerici ottenuti dimostrano la presenza di cadute di pressione in prossimità dei fori della struttura legati all’effetto Bernoulli. Questo risultato numerico richiede, ad ogni modo, una più profonda investigazione dal punto di vista sperimentale, attraverso l’osservazione del comportamento del campo di moto in prossimità dei fori della parete. Per quanto concerne invece le analisi idrauliche, i coefficienti di riflessione sono stati valutati attraverso un metodo classico, considerando diversi valori del rapporto tra la larghezza della camera di assorbimento e la lunghezza d’onda.Nell’ultima parte del lavoro di tesi viene investigato il problema del rumore acustico nelle soluzioni ottenute dal presente modello SPH (e che riguarda, in generale, tutti i modelli debolmente compressibili) e viene presentata una procedura per il filtraggio corretto di tale componente basata sulla trasformata wavelet. L’idea che sta alla base della procedura di filtraggio presentata si basa sul fatto che la soluzione debolmente compressibile può essere scritta, per piccoli valori del numero di Mach, come la sovrapposizione di una soluzione incompressibile più una perturbazione acustica. Le equazioni di Navier-Stokes debolmente compressibili vengono dunque analizzate mettendo in evidenza la presenza di perturbazioni acustiche. Tale componente acustica è risolta analiticamente per un caso circolare, per cui viene dimostrato come i modi di vibrare ottenuti analiticamente corrispondano esattamente alle frequenze di vibrazione ottenute dal segnale di pressione simulando lo stesso problema con SPH. L’analisi successiva è effettuata considerando il problema della massa d’acqua sottoposta ad un campo di forze centrale. In questo caso, si osserva come la procedura presentata attraverso le wavelet consenta di filtrare correttamente la componente acustica, ottenendo esattamente la soluzione analitica. Questo risultato, essendo infatti caratterizzato da dinamiche non di impatto, è caratterizzato da un definito disaccoppiamento delle componenti acustica ed incompressibile, facendo si che il processo di filtraggio consenta di eliminare esattamente la componente acustica. I casi analizzati successivamente riguardano invece dinamiche più complesse, in cui avvengono impatti fluidi, caratterizzati quindi da singolarità nel campo di pressione. In questi casi si osserva come, al crescere dell’impulsività del fenomeno, la componente acustica ed incompressibile risultino sempre più accoppiate tra loro, per cui la procedura di filtraggio inevitabilmente elimina insieme alla componente acustica anche parte della soluzione incompressibile del problema, ovvero quella fisicamente basata. Tali risultati vengono analizzati considerando un cuneo d’acqua che impatta su una parete verticale e prendendo in esame un caso di sloshing in cui si osservano fenomeni di frangimento delle onde.
La caratterizzazione del grado di giunzione delle reti fluviali: approcci teorici e sperimentali
(2014-09-12) Frandina, Giuseppe; Macchione, Francesco; De Bartolo, Samuele; Orlandini, Stefano
Characterization of real aquifers using hydrogeophysical measurements. An application to the chambo aquifer (Ecuador)
(2014-10-29) Mendoza Trujillo, Benito Guillermo; Macchione, Francesco; Straface, Salvatore
Sviluppo di un modello eco-idrologico completo: criteri per la convergenza ed applicazione al caso biosphere
(2014-10-29) Pedace, Jessica; Macchione, Francesco; Mendicino, Giuseppe
Urban sewer flooding:analysis of the behavior of drainage systems during extreme rain events
(2011) Tomei, Giovanni; Piro, Patrizia; Copertino, Vito; Maksimovic, Cedo; Macchione, Francesco
Currently cities and communities are experiencing ever growing problems related to urban pluvial flooding. This is due primarily to inefficient drainage inlets and overloaded sewer systems. In fact, existing drainage systems rapidly reach their maximum capacity and tend to work pressurized even in the case of medium-entity storms. Damage and losses caused by flood events in urban areas, primarily life and economic losses and traffic disruption, can be significant. Moreover, this situation is destined to worsen in the immediate future due to the fervent urbanization process and the ongoing climate changes. This research is therefore aimed at investigating this type of event, because to guarantee an efficient working of the drainage systems is a prerequisite in modern societies. Specifically the broader objective of the study is to contribute to an improvement of urban flood management by enhancing urban drainage modeling and storm motion forecasting. In order to achieve such scope the following detailed tasks were performed: 1. Investigation of the various LiDAR Digital Terrain Models (DTMs) available for the drainage modeling of a study area. From literature review it is evident that a great effort has been made to improve existing hydraulic models and to develop new ones. Nevertheless, little interest has been devoted to evaluate the effects of the use of different available LiDAR DTMs on hydraulic modeling. The research is therefore motivated by the need to know how LiDAR DTMs with different detail scale (LiDAR DSM first, LiDAR DSM last and LiDAR DTM bare earth with overlapped building) can affect the hydraulic modeling of drainage networks. Every DTM is in fact characterized by a variable presence of non-ground surface features, such as cars, buildings or vegetation, that will influence surely the hydraulic response of the urban catchment differently. Consequently every data set was studied by GIS-based analysis methods, such as calculation of surface depressions, in order to evaluate whether the consideration of all the non-ground features is necessary for hydraulic modeling purposes, or whether the use of a less detailed LiDAR DTM, adequately improved, could be an approachable solution. 2. Analysis of improvements brought by a dual drainage approach in simulating the behavior of a drainage network during extreme rain events, compared to the use of a conventional methodology. Another question that justifies the work carried out by the author and presented in the thesis is related to the need of improving available urban drainage modeling. Most of these models are in fact based on process simplifications that are far removed from reality, such as assuming that when water leaves the sewer it is stored in a virtual reservoir and does not follow the natural flow paths, i.e. the effect of local topography is neglected. This approach provides a very biased image of flooding process. Consequently the research was aimed at quantifying capabilities and limits of two urban drainage modeling with diverse sophistication level. The first one was based on the classical hypothesis according to which the drainage system is composed only of the sewer system, that is to consider that stormwater, once entered the sewer system, can no longer leave this system coming back to the surface. Instead the second one was based on the dual drainage approach, i.e. it was assumed that the urban drainage system was composed of a surface network and the sewer network. The evaluation of the best approach was performed by comparing the water volume distributions in the sewer network and the number of surcharged sewer trunks resulting from hydraulic simulations. Specifically the issues relative to the development of the most complicated model, that is the dual drainage one, were studied in more detail: the influence of buildings and DTM resolution on the surface network definition, and the introduction of criteria to be taken into account for pond filtering parameters were the topics deepened through the use of an innovative methodology, the AOFD tool (Automatic Overland Flow Delineation).3. Study of the potentials of a dense network of rain gauges in forecasting storm movements for flood prevention purposes. This research was performed because, currently, methods for rainfall prediction are mainly based on radar measurements. However rain gauge data are often available whereas radar data are not. Furthermore radar instruments enable the investigation of convective cells motion, whereas rain gauges data allow the analysis of the movement of rainfall patterns recorded on the ground, that is more important for hydraulic modeling. Consequently storm movement parameters, velocity and direction, were derived by analyzing rainfall data trough available storm tracking procedures. The method proposed by Diskin was tested and, in particular, the extent to which the choice of the reference feature in the hyetograph and the location of the recording stations inside the catchment can affect the results of the methodology was studied in detail. The quality of the elaborations was estimated by comparing the results obtained with other physical phenomena which are related to storm movement, such as wind movement data. In particular statistical analysis, based on the computation of the correlation coefficient and root mean square deviation between storm and wind data sets, were performed. With the results from the research presented herein, it is expected that: 1. DTM enhancement methods generate hydraulically corrected DTMs that can potentially lead to improvements in urban pluvial flood modeling. 2. more realistic simulations of the drainage system are performed by developing dual drainage models. In this way engineers could aim at minimizing both the costs of construction of new works and maintenance of existing structures by evaluating systematically the effectiveness of all the possible design solutions. Actually, the use of such a modeling will have to push them to optimize the working conditions of both the surface and sewer networks when evaluating flood control and mitigation measures. 3. rain gauges are considered as valid alternatives in rainfall movement prediction, to be taken into account in areas where radar measurements cannot be obtained yet. In fact the results of the elaborations will demonstrate how such instruments, that are more approachable than radar ones for economical and practical reasons, are very useful in forecasting the movements that future storm events can make in a monitored area. Similar information could be also used in connection with hydraulic models, previously calibrated for the same study area,in order to evaluate in advance the possible flood-prone areas. In addition the analysis of the results, obtained by considering an ever decreasing number of recording stations, will give interesting information to municipalities having limited budget for equipping themselves with an adequate number of such instruments.
Hydrodynamic and morhodynamíc study of a drained beach
(2011) Saponieri, Alessandra; Damiani, L.; Veltri, Paolo; Macchione, Francesco

Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato

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