Idrologia di Bacino

Idrologia di bacino

Introduzione

L’idrologia di bacino studia l’impatto dell’acqua in un bacino idrografico.

Bacino idrografico

Il bacino idrografico è una porzione di territorio dalla quale le acque per ruscellamento superficiale convergono verso una sezione di chiusura. Esistono, a seconda della loro dimensione, vari tipi di bacino:

• Urbano: Limitato ad alcuni quartieri, isolati o zone di una città.
• Naturale: Fa capo ad un corso d’acqua o, più in particolare, al reticolo idrografico visibile ad esempio nella cartografia IGM 1.50000 o 1:100000. In tale carte il reticolo idrografico è individuato da delle linee blu che possono essere continue o discontinue nel caso delle lame che compaiono e scompaiono o nel caso di bacini endoreici le cui acque di ruscellamento non vengono convogliate a mare ma vanno a finire sotto terra (inghiottitoi, gole).

Identificato un reticolo idrografico, siamo in grado di identificare la linea spartiacque che delimita la porzione di territorio le cui acque, per ruscellamento, confluiscono verso una sezione di chiusura. La dimensione del bacino dipende sostanzialmente dall’orografia che permette il ruscellamento verso il bacino in esame o al di fuori. Facendo uso della cartografia o di altri strumenti, siamo in grado di identificare un bacino idrografico che nel corso in esame non è piccolo, bensì assume grandezze variabili da 10 km² a 3000 km² (come nel caso del bacino del fiume Ofanto).

Queste dimensioni sono sancite dalle direttive europee; in particolare la Direttiva Europea 2000/60 (water framework directive – direttiva quadro sulle acque) sancisce a livello europeo la definizione di bacino idrografico che viene richiamata in Italia nel testo unico dell’ambiente D.L.152/2006 che comprende una sezione dedicata alle acque.

Quantità di progetto e modelli matematici

Il compito di questa disciplina consiste nel determinare la quantità di progetto ovvero la portata Q [m³/s]; per far ciò, ci dobbiamo affidare a dei modelli matematici che tengono conto dei processi tipici dell’acqua sul suolo per poi semplificarli al massimo basandosi su una conoscenza approfondita del processo stesso tenendo conto delle variabili principali più importanti che lo influenzano.

La portata rappresenta il volume di acqua che attraversa in un secondo una sezione di un corso d’acqua. Nel momento in cui si verifica una precipitazione entrano in gioco tante quantità. All’atto della precipitazione, bisogna considerare che la pioggia che cade in un'area del bacino idrografico in esame è diversa da quella che cade in un’altra area dello stesso bacino in quanto, la precipitazione, statisticamente è una variabile casuale funzione del tempo e dello spazio.

Ai fini del ruscellamento, interessa anche il tipo di terreno che la pioggia incontrerà al suolo (terreno asciutto, impermeabile ecc.). Ciò che interessa maggiormente è che lungo il reticolo, si formerà un’onda di piena che attraverserà la sezione di chiusura del bacino. Tale sezione è quella di progetto rispetto alla quale la quantità che interessa è la portata che risulta essere variabile nel tempo e viene rappresentata graficamente attraverso l’ideogramma di piena (Q-t).

Alla quantità di acqua che transita, corrisponde un livello idrico ovvero; all’aumentare della portata, aumenta il livello idrico e viceversa. Il nostro compito è quello di verificare che in una certa sezione di un corso d’acqua il livello idrico rimanga confinato; per far ciò, bisogna conoscere la portata di picco Q_max. A tale portata massima si può associare il livello idrico h_max oltre il quale l’acqua non è più convogliata all’interno del reticolo.

Caso idraulico

La sezione di progetto potrebbe coincidere con uno sbarramento (traversa fluviale) o diga finalizzata a creare un lago artificiale per accumulare dell’acqua negli anni più piovosi per poi riutilizzarla negli anni più siccitosi. Per far questo, bisogna porsi il problema della disponibilità idrica ovvero se c’è tanta acqua che giustifichi la costruzione dell’opera in termini economici (studio di fattibilità) e che effettivamente porti un beneficio.

Caso di infrastruttura stradale

La sezione di progetto potrebbe coincidere con un ponte stradale sotto il quale scorre un alveo. Per evitare allagamenti, devo andare a dimensionare l’attraversamento considerando un franco di sicurezza (1 metro) oltre che tenga conto del transito della portata di piena. Oltre la portata di piena, bisogna considerare il tempo di ritorno (in anni) ovvero il periodo in cui secondo previsioni statistiche si ripresenta il superamento di una certa portata; questa fondamentale quantità di progetto dipende dall’opera che si vuole redigere.

Ad esempio, nel caso delle fognature, si ha un tempo di ritorno pari a 5 anni ovvero dimensiono la mia opera per funzionare correttamente sotto la portata che ha tempo di ritorno pari a 5 anni; tale tempo di ritorno è ridotto in quanto il danno che si potrebbe causare è il salto di un tombino dovuto al passaggio dal funzionamento a pelo libero al funzionamento in pressione. Se volessi essere più prudente, dovrei adottare un tempo di ritorno maggiore (ie 10 anni) ma, allo stesso tempo, l’opera viene a costare di più con il vantaggio che entra in crisi con minore frequenza.

Nel caso dell’attraversamento stradale è in gioco la sicurezza dell’impalcato stradale perciò il tempo di ritorno minimo è posto pari a 100 anni con un franco di un 1 metro tra il pelo libero e l’intradosso dell’impalcato; altra regola è che non ci sia il sormonto dell’impalcato considerando un tempo di ritorno pari a 500 anni; tale valore è dovuto al fatto che, superato l’intradosso, l’acqua spinge sull’infrastruttura causandone dissesti.

Per quanto riguarda lo scarico superficiale di una diga, il tempo di ritorno minimo è pari a 1000 anni in quanto il sormonto di una diga in terra, genera il crollo della stessa per erosione generando ingenti danni a valle. Più è elevato il tempo di ritorno, più è elevato il rischio che assoggetterà l’opera.

Nello scegliere il tempo di ritorno bisogna tener conto che per valori pari a 5 anni non serve la statistica, bensì ci si può affidare a delle misure per un buon periodo di tempo; per valori del tempo di ritorno pari a 1000 anni, si ha un periodo che va al di là delle osservazioni che posso disporre, in quanto le serie storiche più antiche risalgono al 1920 e comunque per avere delle serie complete dobbiamo andare indietro di 40 anni a partire dall’anno corrente.

Se il tempo di ritorno è inferiore a 40 anni, ciò che vado a fare è un interpolazione sulle serie storiche, viceversa vado a fare un’estrapolazione se il tempo di ritorno è maggiore di 100 anni con possibili errori di sovrastima (spendo molto più nell’opera) o sottostima (più grave perché l’opera va in crisi più frequentemente rispetto a quanto si è stabilito).

Relazione di compatibilità idraulica

È un strumento che per qualsiasi tipo di intervento (anche una semplice ristrutturazione) consente di verificare che l’intervento sia compatibile con lo strumento di pianificazione detto PAI (Piano di Assetto Idrogeologico). Il PAI è uno studio territoriale disponibile su tutto il territorio italiano ma in porzioni divise. Infatti, per esempio, il PAI della regione Puglia fa capo all’Autorità di Bacino della regione Puglia che sovrintende alla sicurezza del territorio sia dal punto di vista delle alluvioni (inondazioni) sia dal punto di vista delle frane. Il PAI è composto da cartografia, NTA (norme tecniche di attuazione) e di una relazione generale di tipo metodologico.

Sulla cartografia troviamo le aree soggette a vincolo in quanto soggette a rischio alluvioni o frane; tali aree, sul PAI (capitolo idraulica), sono divise per alta, media o bassa pericolosità. Lo stesso PAI per tali aree fissa i tempi di ritorno, in particolare si ha:

• Alta pericolosità: 30 anni
• Media pericolosità: 200 anni
• Bassa pericolosità: 500 anni

Il valore minore del tempo di ritorno, lo si associa alle aree ad alta pericolosità idraulica in quanto, fissata la portata, è più probabile che in tali zone si abbia una piena più frequentemente (ogni 30 anni) rispetto a zone a bassa pericolosità che ricevono una piena meno frequentemente (ogni 500 anni).

Come già detto, tali zone sono soggette a salvaguardia e, per tale ragione, se devo eseguire interventi, devo richiedere il parere dell’Autorità di Bacino riguardo la compatibilità al PAI dell’intervento. L’ingegnere, dal punto di vista formale, deve eseguire questo intervento verificando l’ubicazione dell’intervento e, se si trova in aree perimetrate deve richiedere all’Autorità di Bacino (attraverso la relazione di compatibilità idraulica) la compatibilità al PAI; quest’ultima si pronuncerà autorizzando l’intervento eventualmente con delle particolari prescrizioni quali ad esempio l’innalzamento di un quadro elettrico di una certa quota. Questa autorizzazione deve pervenire prima della richiesta delle autorizzazioni comunali, provinciali, ecc.

La relazione di compatibilità idraulica verifica che gli interventi siano compatibili con il territorio dal punto di vista idrico e, per farlo, si utilizzano dei modelli idrologici che permettono di determinare le portate di piena Q_piena; tale grandezza, segna il passaggio tra l’idrologia e l’idraulica in quanto l’idraulica prendere l’onda di piena come input e la propaga all’interno del reticolo studiando la propagazione in un bacino e trasformando la portata in un tirante idrico che ci indicherà le aree inondabili ovvero le aree che entrano nel PAI e che possono essere modificate sulla base di specifici studi oppure dimostrerà la fattibilità di un intervento.

In altre parole attraverso il tirante idrico, si studia l’impatto di un’onda di piena sul territorio stabilendo se l’acqua rimarrà in alveo o va fuori e quali zone invade e che dimensioni assume l’inondazione. In caso di incompatibilità con il PAI, si potrebbe ipotizzare di usare degli argini che riescano a contenere la portata di piena tutelando l’opera in questione; tale scelta potrebbe prestarsi utile anche nel momento in cui si vuole mitigare il rischio di una porzione di territorio derivante dall’onda di piena avente tempo di ritorno pari a 200 anni; se voglio verificare l’intervento di una porzione di territorio che è soggetta ad inondazione, si possono proporre delle opere per la mitigazione del rischio idraulico che, con franco di 1 metro rispetto la portata con Tr=200 anni, consentono di contenere l’area inondabile e, quindi, si può operare all’esterno del perimetro dell’intervento di mitigazione.

La portata con Tr=200 anni (corrispondente alla media pericolosità idraulica) corrisponde al tempo di ritorno fissato dall’AdB nei confronti della sicurezza idraulica. L’AdB consente di costruire qualsiasi cosa in zone a bassa pericolosità idraulica quindi, se costruisco delle opere di mitigazione che consentono di declassare le aree da alta e media a bassa pericolosità idraulica, allora posso intervenire previa autorizzazione della stessa AdB.

In alcuni casi, nel momento in cui si redige una relazione di compatibilità idraulica che dimostri la compatibilità del rischio, ovvero dimostra la mitigazione o l’invariato rischio che l’opera può arrecare, l’autorizzazione viene rilasciata con delle particolari prescrizioni o con la richiesta di eventuali altre analisi; chi controlla la relazione di compatibilità, verifica che le metodologie usate dal richiedente (per l’opera in esame costruita in un determinato punto) siano conformi a quelle previste dall’AdB o dagli altri enti di competenza.

La compatibilità al PAI è parte integrante della valutazione di impatto ambientale per la quale devono essere ricompresi tutti gli elementi che accertano la conformità di un opera rispetto alle normative vigenti ovvero che queste siano compatibili con tutti gli strumenti di pianificazione. Chi ha il compito di redigere un piano urbanistico di un comune, decide quali saranno le zone di espansione, le aree verdi o altro, deve tener conto del PAI come elemento coordinato con gli altri elementi della pianificazione.

Il reticolo idrografico

Il reticolo idrografico (primo elemento del PAI) è composto dalle aste fluviali che possono essere:

• Naturali: Alvei fluviali che nel corso dei secoli sono stati scavati dalle stesse acque per ruscellamento.
• Antropiche: Canali artificiali realizzati nel tempo per ragioni come, ad esempio, la protezione di un centro urbano da alluvioni; altri canali artificiali sono quelli di bonifica ovvero opere di minori dimensioni, capaci di convogliare delle portate più basse rispetto a quelle tipiche delle alluvioni e servono appunto per bonificare delle zone da acquitrini, paludi in quanto, le zone di territorio più basse, talvolta anche al di sotto del livello del mare, sono soggette all’insorgenza di acque di falda generano la presenza degli acquitrini o paludi; attraverso i canali di bonifica, vengono drenate fasce di territorio e, l’acqua in questione, viene convogliata nelle vasche, sollevata e scaricata in mare (caso del fiume Candelaro).

La condizione geomorfologica affinché si possa parlare di reticolo idrografico è che ci sia un alveo inciso e quindi non è prettamente una condizione topografica in quanto deve essere visibile il segno (incisione) del passaggio delle acque ovvero, considerando la figura sottostante, le acque convogliano nel punto di minimo ma non è detto che costituiscano un reticolo idrografico.

Quindi, per poter parlare di reticolo idrografico, il compluvio deve avere un’incisione e deve essere presente il letto di un alveo; la formazione di un reticolo idrografico negli anni dipende da fattori di natura idrodinamica (pendenze e velocità elevate delle acqua che generano trascinamento) e geomorfologica (tipo di terreno e sua morfologia). La presenza del reticolo la troviamo sul territorio osservando la presenza di un alveo inciso e riconoscibile geomorfologicamente.

Un altro strumento per visionare la presenza di un alveo sono le carte dell’IGM che consentono di individuare i tratti dei compluvi dove effettivamente si trova l’alveo che costituisce il reticolo idrografico distinguendoli da quelli dove c’è soltanto un compluvio. Nel momento in cui si andrà a costruire il reticolo idrografico, si utilizzerà il GIS (sistema informativo territoriale) che consente di ricavare la rete dei compluvi (e non il reticolo idrografico) dai modelli digitali del terreno; per vedere se c’è alveo dobbiamo far riferimento alle carte dell’IGM, alle foto aeree o attraverso un sopralluogo.

Come visto nella lezione precedente, il PAI è costituito da cartografia, NTA e relazione di piani. Per quanto riguarda le NTA nel territorio pugliese sono dettate dall’AdB e sono composte da numerosi articoli e, in particolare, l’articolo 6 norma le condizioni di vincolo che sussistono sul reticolo idrografico e definisce:

• Alvei attivi: Incisione lungo la quale scorre un alveo e, in particolare, l’alveo di magra è quella porzione di sezione in cui transitano le portate meno consistenti.
• Aree golenari: Vengono occupate in corrispondenza di eventi di piena.

In tali zone, il PAI, impedisce l’edificazione per far fronte non solo alla portata ordinaria che defluisce nel corso d’acqua ma anche alle portate di piena; le uniche opere costruibili, sono le infrastrutture lineari che devono attraversare i corsi d’acqua e che devono essere dotate di degli studi che dimostrano l’invariato rischio idraulico dovuto all’opera stessa (ie un ponte).

Il PAI considera tre tempi di ritorno (30, 200, 500 anni) e, in particolare, il tempo di ritorno che si associa a queste portate per dimensionare le opere che servono a mitigare il rischio è quello che nel PAI corrisponde al concetto di sicurezza idraulica ovvero Tr=200 anni. Una struttura è a rischio idraulico se soggetta ad una piena che ha tempo di ritorno almeno pari a Tr≤200 anni; se è soggetta ad un rischio che ha tempo di ritorno Tr≥200 anni allora è una zona a bassa pericolosità idraulica nella quale si può costruire qualsiasi cosa a patto che si richieda l’autorizzazione all’AdB.

Con riferimento all’immagine precedente, se si costruisce un argine che protegge il territorio circostante dalle inondazioni, dovrò eseguire il mio progetto verificando che l’argine sia in grado di contenere la portata di progetto Q_d con Tr=200 anni con almeno 1 metro di franco.

Qualora la piena con Tr=500 anni vada ad interessare le porzioni di territorio esterne all’argine, non significa che la zona all’esterno risulti vincolata ma, come nel caso in esame, andrò a verificare il metro di franco contenga la piena con Tr=200 anni all’interno delle golene e verificherò che l’argine non venga sormontato con Tr=500 anni e quindi andando a proteggere il territorio esterno con l’opera di mitigazione del rischio (argine).

Con riferimento alle perimetrazioni idrauliche in figura che rappresentano le zone ad alta, media e bassa pericolosità idraulica, bisogna tener conto che la consultazione di tale cartografia del PAI deve avvenire nel momento in cui si vuole progettare un’opera perché tale cartografia è in continuo aggiornamento.