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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    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.
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    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.
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    Modelli ecoidrologici per la descrizione dei flussi energetici, di CO2 e di dinamica della vegetazione in ambiente mediterraneo
    (2009-10-28) Cervarolo, Giuseppe; Mendicino, Giuseppe; Macchione, Francesco; Telesca, Vito
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    Contributo alla riossigenazione naturale della zona eufotica dei corpi idrici dovuto all'attività fotosintetica
    (2010-10-27) Nigro, Gennaro; Macchione, Francesco; Frega, Giuseppe; Infusino, Ernesto
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    Ottimizzazione della gestione di sistemi multi-invaso a scopo plurimo: il caso del sistema Ariamacina-Cecita-Muone
    (2010-10-27) Zimbo, Fabio; Macchione, Francesco; Mendicino, Giuseppe; Principato, Giancarlo
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    Processi riossigenativi in presnza di salti di fondo
    (2009) Verbeni, Biancamaria; Macchione, Francesco; Veltri, Paolo
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    Simulazione delle reti idriche in pressione a fini gestionali
    (2014-05-26) Orlando, Federico; Macchione, Francesco; Veltri, Paolo; Fiorini Morosini, Attilio
    I modelli matematici di simulazione delle reti idriche in pressione sono divenuti di larga diffusione già da molti anni. Con il classico modello di verifica si assumono come dati la topologia, le pressioni ai nodi di alimentazione, le portate erogate, la scabrezza e le caratteristiche geometriche delle condotte e, risolvendo il sistema costituito dalle equazioni idrauliche che definiscono il problema in condizioni di moto stazionario (equazioni di continuità e del moto), si determinano le portate circolanti nelle condotte e le pressioni in rete. Tale modello, ancora valido per risolvere problemi di tipo progettuale, si mostra inadeguato ad essere applicato, su reti esistenti, per risolvere problemi di tipo gestionale. Per questi ultimi, infatti, è indispensabile ottenere valori di pressione e portata quanto più possibile prossimi a quelli reali e per diverse condizioni di erogazione. Sulle reti esistenti, d’altra parte, è possibile disporre di valori di pressione e portata misurati sul campo, valori che possono essere utilizzati per la calibrazione dei modelli. La calibrazione delle reti in pressione consiste nel determinare il valore dei parametri del sistema che nel classico problema di verifica costituiscono dati in input, ovvero la scabrezza delle condotte e le portate erogate ai nodi, utilizzando misure di portata e pressione. In questo lavoro di tesi viene descritta l’implementazione e l’applicazione, a reti di letteratura, di un modello di calibrazione originale di tipo implicito, denominato UNINET, in grado di stimare, a partire da dati di campo, le scabrezze e le portate erogate e, adottando un approccio di tipo statistico bayesiano, anche l’incertezza associata ai valori ottenuti. Il modello è in grado di utilizzare più misure contemporanee, in diversi punti della rete, o valori ottenuti da registrazioni protratte nel tempo.
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    An integrated modeling approach for the assessment of land use change effects on wastewater infrastructures
    (2014-04-14) Primativo, Francesca; Macchione, Francesco; Giustolisi, Orazio
    The simulation of sewage systems and wastewater treatment plants is a strategic aspect for assessing the effect of new dwellings on the existing water facilities. This constitutes a quite common problem, since usually new edification areas are planned without looking at the effect that new scenarios will cause on the existent infrastructures. In this Thesis integration of water pollution and land use change models is presented and applied to a case study. The water pollution is meant as the complex relationship between proposed housing development and wastewater pollution incident control. The aim of these models is about the impact of new edification areas on the existent watercourse. This Thesis introduces an integrated framework made by a land use change model, a sewage system simulator and a wastewater treatment plant simulator. This is a complex system since each element is characterized by different dynamics. The land use change model simulates the expansion of an urban area according to planners’ guidelines; the sewage system simulator investigates the response of the drainage system to the expansion as well as its flexibility. The wastewater treatment plant is simulated in order to assess the impact of the new inflowing discharges on the existing plant. This Thesis describes the motivation, the rational and implementation details of a modeling framework namely Stochastic System Dynamics Integrative Model (SSDIM), which is an effort to bridge the gap of integrated models for decision making in urban planning. By combining automatic decision support tools with an integrated framework that brings together land use change and wastewater network infrastructure, it enables the analysis of the effect of alternative long-term urbanisation plans on the quality of the surrounding environment, measured through water indicator. The functionality of the SSDIM was demonstrated through a semi-hypothetical case study, in which three planning scenarios were evaluated for a new housing area against the quality of the wastewater drained by a sewer system and eventually treated by a wastewater treatment plant. On the one hand, the study highlighted the flexibility in representing planning scenarios and settingup the sewer networks in the framework and demonstrated that the framework, as a conceptual and quantitative tool, can easily accommodate for the complexity involved in a real-world case study. On the other hand, the results emphasised that the framework was able to capture the evolving ABSTRACT 10 impact of urban planning over a long term period, which play an important role in understanding the existing system and environmental capacities, and thus SSDIM provides a valuable decision support aid in the urban planning process. In the first part of this Thesis, the setting and motivation for the framework proposed and an extensive review of the studies available from literature are discussed as well as the legal background related to the problem at stake The second part of the Thesis presents the elements of the models implemented: in particular, both the conceptual representation and the implementation details are discussed in depth. Finally in the last part of the Thesis, an application of the developed framework to a real world environmental problem and the results of the application of the framework to a case study is described. The case study represents a sewage network of a town located in south west of Scotland and its wastewater treatment plant, where some urban development scenarios are assumed