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CRITERI ED INDIRIZZI TECNICI PER LA VERIFICA E VALUTAZIONE DELLE PORTATE

E DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA ATTRAVERSO STUDI IDROLOGICI

DI DETTAGLIO NEI BACINI IDROGRAFICI LIGURI

DGR 357/2008

REGIONE LIGURIA AUTORIT DI BACINO DI RILIEVO REGIONALE

Criteri di verifica e valutazione delle portate al colmo e degli idrogrammi di piena nei bacini idrografici liguri LINEE GUIDA - PREMESSA 2/6

REGIONE LIGURIA Dipartimento Ambiente Settore Assetto del Territorio Via G. dAnnunzio 111 16121 Genova Referenti:

- Dirigente Settore: Dott. Renzo Castello - Funzionario responsabile: Ing. Cinzia Rossi

www.regione.liguria.it www.ambienteinliguria.it piani di bacino

I presenti criteri ed indirizzi tecnici sono stati approvati sulla base degli esiti dellincarico di ricerca sottoscritto con il Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture viarie, Rilevamento (DIIAR), responsabile scientifico Prof. Ing. Renzo Rosso.

Genova, Maggio 2008

La presente pubblicazione di propriet esclusiva della Regione Liguria.

Il contenuto comunque reso disponibile allutilizzo o riproduzione parziale da parte di soggetti interessati, citando esplicitamente la fonte di provenienza.

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Premessa

Nei piani di bacino stralcio vigenti sul territorio dellAutorit di Bacino di

rilievo regionale, in conformit a quanto previsto dai criteri di cui alla DGR

357/01 e ss.mm., si sono assunti i valori di portata massima annuale a

tempi di ritorno pari a 50, 200 e 500 anni come riferimento per la

determinazione delle fasce di inondabilit, e la portata a tempo di ritorno

duecentennale come portata di progetto per gli interventi di messa in

sicurezza, di norma assunta per la progettazione delle opere di

sistemazione idraulica.

In tali piani sono state calcolate le portate massime annuali corrispondenti

ai suddetti tempi di ritorno, sulle quali sono basate le determinazioni del

piano stesso in relazione al quadro di pericolosit idraulico determinato.

prevista, peraltro, dalla normativa di attuazione dei piani di bacino stralcio

regionali vigenti la possibilit di variare il valore della portata di progetto, in

relazione al possibile sopravvenire di nuove evidenze scientifiche o della

realizzazione di studi idrologici pi dettagliati, ove questo permetta di

giungere a valutazioni via via pi approfondite ed affidabili.

Con DGR 1634/2005 la Giunta Regionale in qualit di Comitato Istituzionale

ha fornito chiarimenti a riguardo della procedura di aggiornamento dei piani

vigenti per recepire i risultati degli studi ed approfondimenti di cui sopra,

con particolare riferimento alla procedura di approvazione delle varianti, di

cui al comma 14 e al comma 15 dellart. 97 della L.R. 18/99.

Nellambito di tale deliberazione stato chiarito che si tratta, in ogni caso,

di una modifica da attivarsi con la massima cautela. In particolare deve

essere verificato che gli studi sulla base dei quali viene effettuata la nuova

stima siano effettivamente di maggior dettaglio e di approfondimento

rispetto a quelli del piano di bacino vigente e che risultino chiare le ragioni

tecniche che portano ad una diversa valutazione del valore della stessa

entit. stato inoltre chiarito che, considerata la centralit della

determinazione dei valori di portata nellambito dei singoli piani, si tratta, di

norma, di varianti di tipo sostanziale (ex art. 14 l.r. 18/99) a meno che le

modifiche si configurino come modesti aggiustamenti delle precedenti

valutazioni senza conseguenze di rilievo sulle stesse.

Nellambito della DGR 1634/05 stato, tra laltro, dato mandato al CTR-

Sezione per le funzioni dellAutorit di Bacino (per brevit nel seguito: CTR-

AdB), organo dellAutorit di Bacino di rilievo regionale ai sensi della .l.r

18/99, di fornire indicazioni di tipo tecnico, al fine di individuare, in

particolare, la metodologia ed il contenuto minimo degli studi idrologici di

maggior dettaglio qualora risulti necessario procedere ad una verifica ed

eventuale modifica dei valori assunti dal piano di bacino vigente per le

portate di massima piena, al fine di assicurarne una rideterminazione pi

affidabile ed omogenea sul territorio.



Al fine di corrispondere adeguatamente al mandato della Giunta Regionale,

nella sua qualit di Comitato istituzionale, ed in considerazione della

indubbia esigenza di affidabilit dei risultati conseguibili e di omogeneit sul

territorio dellAutorit di Bacino regionale per il tema in oggetto, stato

affidato un apposito incarico di ricerca al Politecnico di Milano,

Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture

viarie, Rilevamento (DIIAR) finalizzato alla definizione di criteri e/o linee

guida di tipo tecnico relative alla metodologia di riferimento per studi

idrologici di maggior dettaglio rispetto a quanto effettuato nella vigente

pianificazione di bacino per quei casi in cui emerga la necessit di una

verifica delle portate massime annuali al colmo piena a vari tempi di ritorno

e/o la determinazione del relativo idrogramma di piena.

A conclusione della ricerca condotta dal citato istituto universitario, il CTR-

AdB ha verificato che la stessa risponde a quanto richiesto dal Comitato

Istituzionale in sede di approvazione della DGR 1634/05, in quanto fornisce

adeguate indicazioni ed indirizzi di tipo tecnico, che, in particolare,

individuano la metodologia ed il contenuto minimo degli studi idrologici di

maggior dettaglio, ivi incluse indicazioni sulla determinazione degli

idrogrammi di piena.

Il CTR-AdB, nella seduta del 19/03/2008, ha pertanto espresso parere

favorevole in ordine agli elaborati prodotti nellambito della convenzione con

il Politecnico di Milano, assumendoli quali linee guida ed indirizzi di tipo

tecnico per la verifica e valutazione delle portate al colmo di piena e dei

relativi idrogrammi.

Ha conseguentemente stabilito, altres, che tali linee guida costituiscano

il riferimento obbligatorio per valutazione degli studi idrologici di

dettaglio da parte del CTR-AdB, finalizzati alla verifica ed

alleventuale aggiornamento delle portate al colmo di piena ad

assegnati tempi di ritorno nonch alla determinazione dei

corrispondenti idrogrammi di piena, qualora, in specifici casi, si ravvisi

la necessit di una verifica ed eventuale modifica dei valori assunti dal piano

di bacino vigente per le portate di massima piena.

Tali linee guida costituiscono pertanto riferimento a cui attenersi

nella elaborazione di studi idrologici di dettaglio sopraddetti.

Con DGR 357/2008, la Giunta Regionale, in qualit di Comitato Istituzionale

dellAutorit di Bacino Regionale, ha preso atto dellavvenuta approvazione

da parte CTR-AdB delle suddette linee guida ed indirizzi tecnici, quale

attuazione del mandato corrisposto nellambito della DGR 1634/05; ha

altres dato mandato agli uffici regionali competenti di intraprendere le

iniziative opportune al fine di corrispondere alle finalit poste dal CTRAdB,

prevedendo in particolare ladeguata divulgazione ed illustrazione degli

elaborati approvati nei termini e modalit previste dal CTR-AdB stesso.



Ci premesso si specifica che i presenti elaborati, cos come approvati, sono

articolati nelle seguenti due parti principali:

I) Linee guida, nelle quali sono descritti i criteri e le procedure utili alla

verifica e valutazione della portata al colmo di piena e degli

idrogrammi di riferimento. In particolare viene individuato il

percorso metodologico da seguire per la valutazioni di dette

grandezze in sede di studi di dettaglio, con riferimento a possibili

diverse tipologie di casi in relazione ai dati disponibili;

II) Allegato Tecnico. Le metodologie sopra introdotte sono descritte in

maggior dettaglio, con una trattazione pi estesa di alcuni aspetti,

quali lapplicazione dei metodi a livello regionale e a livello locale, la

valutazione dellincertezza delle stime di piena, la valutazione

dellidrogramma di piena, nonch alcune osservazioni ed

approfondimenti per temi specifici;

integrate da una terza parte applicativa:

III) Schede di Valutazione, nella quali i diversi passi della procedura

sono illustrati da esemplificazioni, tradotti in schede di calcolo

operativo per lapplicazione dei criteri presentati.



CRITERI ED INDIRIZZI TECNICI PER LA

VERIFICA E VALUTAZIONE DELLE PORTATE

E DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA

ATTRAVERSO STUDI IDROLOGICI

DI DETTAGLIO NEI BACINI

IDROGRAFICI LIGURI

Parte I

LINEE GUIDA


Criteri di verifica e valutazione delle portate al colmo e degli idrogrammi di piena nei bacini idrografici liguri LINEE GUIDA 2/58

Genova, Maggio 2008

La presente pubblicazione di propriet esclusiva della Regione Liguria.

Il contenuto comunque reso disponibile allutilizzo o riproduzione parziale da parte di soggetti interessati, citando esplicitamente la fonte di provenienza.

Indice



PREMESSA ................................................................................................................................................ 5

INTRODUZIONE ...................................................................................................................................... 7

A. VALUTAZIONE DELLA PORTATA AL COLMO DI PIENA ..................................................... 10

A.1. GENERALIT ............................................................................................................................ 10 A.2. VALUTAZIONE DEL FATTORE DI CRESCITA ............................................................................... 11 A.3. VALUTAZIONE DELLA PORTATA INDICE ................................................................................... 15

A.3.1. Siti fluviali dotati di stazioni idrometriche ......................................................................... 17 Impostazione del problema .......................................................................................................................... 17 Stima della CDF locale contro metodo della portata indice ......................................................................... 18 Stima della portata indice ............................................................................................................................. 20

A.3.3. Siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche ...................................................................... 22 A.3.4. Siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche .......................................................... 25 A.3.5. Siti fluviali di bacini privi di stazioni idrometriche ............................................................ 27 A.3.6. Siti fluviali in corrispondenza o prossimi alle dighe .......................................................... 29 A.3.7. Siti fluviali caratterizzati da elevata antropizzazione ......................................................... 31

B. IDROGRAMMI DI PIENA DI RIFERIMENTO ............................................................................. 34

B.1. INTRODUZIONE ......................................................................................................................... 34 B.2. SITI FLUVIALI DOTATI DI MISURE IDROMETROGRAFICHE: METODI DIRETTI ............................... 35

B.2.1. Metodo probabilistico ......................................................................................................... 35 B.2.2. Metodo della curva di riduzione ......................................................................................... 37

B.3. SITI FLUVIALI PRIVI DI MISURE IDROMETROGRAFICHE: METODI INDIRETTI ............................... 38 B.3.1. Simulazione idrologica a ingressi noti ............................................................................... 39 B.3.2. Simulazione idrologica a ingressi stocastici ...................................................................... 39 B.3.3. Metodo dellevento idrometeorologico critico ................................................................... 40

C. METODO DELLA SIMULAZIONE DELLEVENTO CRITICO ................................................ 43

C.1. VALUTAZIONE STATISTICA DELLE PIOGGE DI FORTE INTENSIT E BREVE DURATA .......................... 43 C.2. VALUTAZIONE DELLA PORTATA INDICE .......................................................................................... 44 C.3. VALUTAZIONE DELLA PORTATA T-ENNALE DI PROGETTO ............................................................... 47 C.4. VALUTAZIONE DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA .................................................................................. 47

Simulazione dellevento idrometeorologico critico ...................................................................................... 47 Simulazione degli idrogrammi equivalenti ................................................................................................... 50 Applicazione del metodo indiretto dellevento idrometeorologico critico ................................................... 52 Affidabilit del metodo indiretto dellevento idrometeorologico critico ...................................................... 53

GLOSSARIO ............................................................................................................................................ 56





PREMESSA

Questa relazione illustra la procedura per la valutazione della portata al colmo di piena

associata a un prefissato valore di periodo di ritorno, o frequenza di superamento, da

utilizzare al fine dello sviluppo di studi idrologici di dettaglio nei bacini idrografici

liguri, sia con versante tirrenico, sia ricadenti nel bacino del fiume Po di pertinenza

ligure. La procedura proposta si basa sui metodi sviluppati a suo tempo dallUnit

Operativa 1.8 del Gruppo Nazionale per la Difesa dalle Catastrofi Idrogeologiche

(GNDCI) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) nel quadro del Progetto

Speciale di Valutazione delle Piene (VAPI) promosso dalla Linea di Ricerca sulla

Previsione e prevenzione dagli eventi idrologici estremi (Linea 1). Essa si avvale anche

dei risultati di altri progetti, quali il Progetto Speciale sulla Modellazione degli Eventi di

Piena (MIUR) e il Progetto Framework (Commissione Europea) promossi nello stesso

ambito scientifico, dove sono stati condotti approfondimenti della tematica sia di natura

generale, sia di specifico riferimento a casi di studio liguri. Le linee guida qui

presentate, rivolte ai tecnici della Regione Liguria e delle pubbliche amministrazioni

liguri, intendono fornire un ausilio per la pianificazione, la progettazione e la gestione

dei sistemi e delle infrastrutture che interagiscono con i corsi dacqua e, pi in generale,

per la prevenzione del rischio idrogeologico, anche in relazione allapplicazione delle

normative in materia emanate negli anni recenti dalla stessa Regione Liguria.

Sotto il profilo scientifico, la procedura qui delineata rappresenta un ulteriore stato di

avanzamento degli studi rispetto alla preliminare sintesi tecnica di Brath & Rosso

(1994) e alla procedura di De Michele & Rosso (2000) per la valutazione delle piene

nellItalia Nord Occidentale. Infatti, essa tiene conto dei successivi approfondimenti di

De Michele & Rosso (2002) in merito alla metodologia di regionalizzazione, di

Bocchiola et al. (2003) in materia di valutazione della piena indice, e di Bocchiola et al.

(2004) relativamente allestensione del modello GEV a scala nazionale. Inoltre, sono

presentate in modo dettagliato le modalit di applicazione della procedura nellarea

geografica in esame, al fine di guidare i tecnici e gli operatori nella valutazione pratica

della portata al colmo di piena.

Il rapporto di sintesi qui presentato si articola in tre parti.

La prima parte (Linee Guida, qui riportata) illustra in modo sequenziale i criteri e le

procedure utili alla valutazione della portata al colmo di piena (Capitolo A) e degli

idrogrammi di riferimento (Capitolo B). Essa definisce il percorso metodologico che

viene suggerito per la valutazione di tali grandezze in sede di studi di dettaglio. A tal

fine, delinea i percorsi da seguire nelle diverse tipologie di casi pratici, con particolare

riferimento ai dati idrologici disponibili.

La seconda parte (Allegato Tecnico) descrive in dettaglio le metodologie proposte. Il

Capitolo 1 dellAllegato Tecnico introduce la metodologia proposta, che prevede due

fasi di valutazione. La prima fase, a sua volta descritta nel Capitolo 2, viene svolta a

livello regionale, mentre la seconda fase, di cui riferisce il Capitolo 3, viene condotta a

livello locale ed legata allo specifico sito fluviale oggetto di valutazione. Il Capitolo 4

illustra i criteri con cui valutare lincertezza delle stime di piena. Il Capitolo 5 affronta il

problema della valutazione dellidrogramma di piena. Nel Capitolo 6 alle valutazioni di

piena a frequenza assegnata sono associati i concetti di orizzonte progettuale e rischio



residuale, utili a finalizzare le decisioni sulla mitigazione del rischio alluvionale nelle

diverse situazioni. Nel Capitolo 7 sono riportate alcune avvertenze per limpiego delle

metodologie, alcune indicazioni di larga massima per affrontare i casi non contemplati

dalla tale metodologia e, infine, alcune considerazioni sui futuri percorsi da

intraprendere per approfondire i vari aspetti, tuttora inesplorati, della materia trattata.

Infine viene riportato un ampio elenco bibliografico delle citazioni, che comprendono

pubblicazioni e rapporti scientifici su specifici aspetti della problematica affrontata. In

Appendice allAllegato Tecnico si riportano anche (i) un glossario minimo per la

comprensione di alcuni termini specialistici usati nel testo, nel quale si richiamano in

modo semplice e sintetico le definizioni di base e le notazioni adottate; (ii) la

caratterizzazione delle piogge intense tramite la procedura CNR-GNDCI-VAPI, utile

allapplicazione pratica dei metodi proposti nei bacini della Regione Liguria.

Poich nella stesura di queste Linee Guida e del relativo Allegato Tecnico ci si rivolge

specificamente a tecnici e operatori, sono state ridotte al minimo indispensabile, ma non

eliminate, le formulazioni matematiche, presentando soltanto quelle necessarie allo

sviluppo pratico delle metodologie proposte. Allo stesso modo, la discussione delle

questioni scientifiche viene rimandata alle varie pubblicazioni specialistiche citate.

I riquadri mettono in evidenza le diverse fasi della procedura, comprese le

varie alternative metodologiche necessarie ad affrontare le diverse

situazioni, che si presentano nella pratica. Ogni applicazione va infatti

disegnata sia in ragione della tipologia, della qualit e della quantit dei dati

disponibili, sia in relazione alle finalit dello studio intrapreso. Seguendo le

indicazioni contenute nei riquadri e i percorsi delineati in forma di

diagrammi a blocchi, loperatore sar in grado di tracciare il proprio

percorso per risolvere il problema di valutazione della portata al colmo di

piena secondo la procedura pi adatta alla specifica applicazione.

I diversi passi della procedura sono anche illustrati da esemplificazioni, tradotti in

schede di calcolo operativo nella terza parte (Schede di Valutazione). Esse forniscono

una traccia logica e computazionale per lapplicazione dei metodi presentati e sono

basate su casi e dati reali dellarea geografica in esame. Tali esempi sono disegnati in

modo da descrivere una vasta gamma di situazioni, quali si possono presentare nelle

diverse condizioni operative a seconda della tipologia, della qualit e della quantit dei

dati a disposizione.



INTRODUZIONE

Con riferimento alla normativa vigente, la valutazione della pericolosit idraulica fa

riferimento alla massima portata al colmo temibile con assegnato e prefissato periodo di

ritorno.

Al fine della delimitazione delle aree potenzialmente inondabili, la valutazione

idrologica richiede altres la determinazione di idrogrammi caratteristici della stessa

piena temibile.

Il primo aspetto trattato nel Capitolo A della presente relazione, mentre al secondo

dedicato il Capitolo B.

Poich nella maggioranza dei casi pratici si deve ricorrere a metodi indiretti, nel

Capitolo C viene riportato un cenno alla procedura di simulazione dellevento critico,

utile alla valutazione indiretta della portata al colmo temibile, e alla procedura di

simulazione dellevento idro-meteorologico critico, utile alla valutazione indiretta degli

idrogrammi caratteristici.

Viene infine riportato un glossario minimo per la comprensione di alcuni termini

specialistici usati nel testo, nel quale si richiamano in modo semplice e sintetico le

definizioni di base e le notazioni adottate.

In relazione alla definizione degli eventi idrologici di riferimento, sono utili alcune

preliminari considerazioni.

Nel caso di unopera di asservimento fluviale, la sicurezza intrinseca dellopera legata

al valore della portata al colmo di piena che la sollecita. La crisi idrologica di un ponte

determinata dalla spinta ed eventuale sormonto delle acque, che superano la quota di

intradosso ed eventualmente di estradosso: in questo caso contano il livello idrometrico

e la velocit del flusso, entrambi legati alla portata al colmo che si realizza nel corso

dacqua. Analoghe considerazioni si possono fare per la maggior parte delle opere

longitudinali di difesa idraulica e per molti manufatti soggetti alla furia delle acque.

La pericolosit idraulica di un territorio ripario invece legata a una fenomenologia pi

complessa dal punto di vista idrologico. Una piena con portata al colmo molto elevata

pu essere meno pericolosa, in termini di vastit dellarea inondata e di capacit di

incidere il territorio, rispetto ad una piena con portata al colmo inferiore, ma

caratterizzata da un volume idrico esondato assai pi rilevante. In questo caso conta

lintera evoluzione temporale dellevento idrologico (idrogramma) al di sopra della

soglia di esondazione.

In generale, la pericolosit idraulica scaturisce dalla intensit e dalla struttura temporale

dellevento idrologico. Tipico il caso della sicurezza idrologica delle dighe o delle

casse di espansione, per cui necessario innanzi tutto accertarsi che gli scarichi di

superficie siano dimensionati in modo tale da poter smaltire la massima portata di piena

prevista, senza che il livello superi la quota franca al coronamento. Tale verifica

consiste nel sollecitare il serbatoio con lidrogramma di piena pi gravoso rispetto alla

vita dellopera e controllare che gli scarichi di superficie siano in grado di smaltire la



piena in maniera tale che il livello non superi la quota franca al coronamento. In molti

casi, lidrogramma pi gravoso non quello con la massima portata, ma, per via della

laminazione, gioca un ruolo fondamentale leffetto combinato della portata e del volume

idrico, che assieme determinano la capacit o meno degli scarichi di soddisfare la

sicurezza del regolare smaltimento della piena.

Dal punto di vista normativo, la valutazione della pericolosit idraulica si fonda su una

indicazione abbastanza generica degli eventi di riferimento.

Per esempio, il D.P.C.M. 29 settembre 1998 (Atto di indirizzo e coordinamento per

lindividuazione dei criteri relativi agli adempimenti di cui allart. 1, commi 1 e 2, del

decreto legge 11 giugno 1998, n. 180, Gazzetta Ufficiale Serie gen. - n. 3 del 5 gennaio

1999) recita

Disponendo di adeguati studi idraulici ed idrogeologici, saranno identificate sulla cartografia aree,

caratterizzate da tre diverse probabilit di evento e, conseguentemente, da diverse rilevanze di piena:

a) aree ad alta probabilit di inondazione (indicativamente con tempo di ritorno "Tr" di 20-50 anni);

b) aree a moderata probabilit di inondazione (indicativamente con "Tr" di 100-200 anni);

c) aree a bassa probabilit di inondazione (indicativamente con "Tr" di 300-500 anni).

senza definire esplicitamente se con tempo di ritorno si intenda quello della portata al

colmo di piena, del volume di piena ovvero della coppia di valori portata-volume. Il

significato specifico di evento idrologico T-ennale resta indeterminato. In senso

stretto, la pericolosit dovrebbe essere valutata tramite una molteplicit di scenari

idrologici volti a valutare lassetto dellarea inondata. Ci comporterebbe una procedura

di simulazione Montecarlo assai complessa e, allo stato attuale, mai affrontata in modo

sistematico sotto laspetto tecnico-scientifico.

Soltanto la successiva indicazione:

i valori delle portate di piena con un assegnato tempo di ritorno possono essere dedotti anche sulla

scorta di valutazioni idrologiche speditive o di semplici elaborazioni statistiche su serie storiche di dati

idrometrici. Comunque, ove possibile, e' consigliabile che gli esecutori traggano i valori di riferimento

della portata al colmo di piena con assegnato tempo di ritorno dalle elaborazioni eseguite dal Servizio

idrografico e mareografico nazionale oppure dai rapporti tecnici del progetto VAPI messo a disposizione

dal GNDCI-CNR.

indica nella portata al colmo il riferimento primario.

La Normativa tipo dei piani di bacino stralcio per la tutela dal rischio idrogeologico

dellAutorit di Bacino di Rilievo Regionale, da adottarsi ai sensi del comma 1, art. 1,

del D.l. 180/98, convertito con modifiche in l. 267/98 (v. Testo integrato normativa-

tipo: DGR 357/01, DGR 1095/01, DGR 290/02) della Regione Liguria riprende

sostanzialmente questa impostazione. Nel definire le categorie di aree relative alla

pericolosit idrogeologica, si precisa che tali aree sono identificabili come

aree perifluviali inondabili al verificarsi dellevento di piena con portata al colmo di piena

corrispondente a periodo di ritorno T=50 anni, omissis T=200 anni, omissis T=500 anni.

Quindi, nel definire la pericolosit idraulica, anche lAutorit della Regione Liguria

indica quale principale riferimento la portata al colmo T-ennale.

Nello stesso tempo, la necessit di delimitare le aree potenzialmente inondabili, prevista

dalla stessa normativa, richiede la valutazione di un idrogramma di riferimento o,

meglio, di un insieme di idrogrammi di riferimento.





A. VALUTAZIONE DELLA PORTATA AL COLMO DI PIENA

A.1. Generalit

La procedura di valutazione si basa sul metodo della portata indice, che integra

linformazione idrometrica a scala regionale con lanalisi idrologica di dettaglio

dellassetto del bacino idrografico sotteso dalla sezione fluviale di interesse1. Il metodo

porge la portata al colmo temibile sotto forma di prodotto di due fattori: il fattore di

crescita, xT, valutato a scala regionale, e la portata indice, qindice, valutata a scala di

bacino per lo specifico sito fluviale preso in esame. Si ha quindi

TindiceT xqq , (A.1)

dove qT indica il valore della portata al colmo che pu venire superato con periodo di

ritorno T, in anni (vedi Figura A.1). Per il suo significato probabilistico, il valore di qT

viene anche denominato quantile T-ennale.

Figure A.1.1. Schema di calcolo

della massima portata temibile in un sito fluviale per

un assegnato periodo di ritorno

di T anni.

xTqindice

RegioneOmogenea

kyT ek

x 1

ParametriRegionali della

Curva diCrescita GEV

k

BacinoIdrografico

MetodoDiretto

MetodiIndiretti

1lnln

T

Ty

xT

qindice

Periodo di Ritorno

TindiceT xqq

Il metodo, basato sulla regionalizzazione statistica, muove dal presupposto che, per via

della carenza intrinseca di informazione in una singola serie di osservazioni di piena al

fine di estrapolarne le previsioni a bassa frequenza, sia possibile sostituire lo spazio al

tempo. Linsieme delle osservazioni idrometriche di una regione omogenea (serie AFS,

1 De Michele, C. & R. Rosso, La valutazione delle piene nellItalia Nord-Occidentale: bacino padano e

Liguria tirrenica, in: La valutazione delle piene, a cura di S. Gabriele & F. Rossi, Pubbl. CNR-

GNDCI, Roma, 2000.



ossia valori osservati massimi annuali di portata la colmo) viene cos impiegato per

esplorare un campo di frequenze osservate di gran lunga superiore a quello coperto da

una singola serie di osservazioni. A tale scopo, la metodologia prende in esame una

serie indicizzata o rinormalizzata di dati di portata al colmo, che presenta una lunghezza

sufficiente a stabilire la frequenza degli eventi rari, ossia dei valori di portata indicizzata

con elevato periodo di ritorno.

Metodo della portata indice. La portata al colmo di massima piena qT

temibile in un generico sito fluviale valutabile tramite la relazione

TindiceT xqq , (A.1)

dove xT indica un fattore di crescita, la cui dipendenza dal prefissato

periodo di ritorno T viene fissata da una legge valida a scala regionale, e

qindice rappresenta un valore indice della portata al colmo massima annuale,

caratteristico del generico sito fluviale.

A.2. Valutazione del fattore di crescita

Il fattore di crescita xT che compare nella formula (A.1) viene determinato in base alla

applicazione a scala regionale del modello probabilistico generalizzato del valore

estremo, ossia la distribuzione GEV della variabile aleatoria X = Q/qindice, dove Q indica

il massimo annuale della portata al colmo e la portata indice per il generico sito fluviale

corrisponde al valore atteso dei massimi annuali di portata al colmo nel sito stesso.

In questo caso, la relazione tra x e T, detta anche curva di crescita, risulta espressa dalla

relazione

TkyT ek

x

1

, (A.2)

dove yT indica la variabile ridotta di Gumbel, funzione del periodo di ritorno T in anni,

data da

1lnln

T

TyT , (A.3)

mentre i parametri k, ed rappresentano, rispettivamente, il parametro di forma, il parametro di scala e il parametro di posizione della distribuzione.

I confini delle regioni omogenee di piena dellItalia Nord Occidentale sono delineati in

Figura A.2.1 e, per larea di interesse ligure, in Tabella A.2.1.

Per le regioni omogenee di interesse ligure, in Tabella A.2.2 sono riportati i relativi

valori dei parametri k, ed ; le curve di crescita sono anche tracciate nellabaco di



Figura A.2.2, mentre la Tabella A.2.3 riporta i valori del fattore di crescita per alcuni

valori salienti del periodo di ritorno.

Una pi dettagliata descrizione della soluzione adottata per la regionalizzazione2 e la

valutazione del fattore di crescita3 viene riportata nel Capitolo 2 dellAllegato Tecnico,

dove si riportano anche le considerazioni e le metodologie utili alla valutazione delle

incertezze di stima4.

Figura A.2.1. Regioni omogenee dellItalia Nord-Occidentale in

relazione al regime di piena.

Regione A

Regione B

Regione C

Regione D

ZT2

ZT1

aa

2 De Michele, C. & R., Rosso, A multi-level approach to flood frequency regionalization, Hydrology and

Earth System Sciences, Vol.6, no.2, p.185-194, 2002. 3 Bocchiola, D., De Michele, C., & R. Rosso, Lapplicazione della legge generalizzata del valore estremo

GEV allanalisi regionale delle piene in Italia, LAcqua, no.1/2004, p.3552, 2004. 4 De Michele, C. & R. Rosso, Uncertainty assessment of regionalized flood frequency estimates, Journal

of Hydrologic Engineering ASCE, Vol.6, no.6, p.453-459, 2001.



Figura A.2.2. Curve di crescita GEV regionali

dellItalia Nord-Occidentale di interesse per la Liguria tirrenica e

padana.

1

2

3

4

5

6

7

8

1 10 100 1000

Periodo di ritorno, T, in anni

Fa

tto

re d

i cre

scita

, x

T

Regione B

Regione C

B

C

Tabella A.2.1. - Regioni omogenee di piena dellItalia Nord Occidentale di interesse per il territorio della Regione Liguria e loro campo di validit in funzione dellarea A del bacino idrografico sotteso.

Regione Area idrografica A, km2

B Alpi e Prealpi Occidentali Bacini padani dalla Dora Baltea al torrente

Grana 401900

C Appennino Nord Occidentale e Bacini Tirrenici

Bacini liguri con foce al litorale tirrenico e bacini

padani dallo Scrivia al Taro 151500

ZT2 Zona disomogenea delle Alpi Marittime: transizione tra Regione B e Regione C

Bacino del Tanaro e suoi affluenti 501500

Tabella A.2.2 Parametri della distribuzione GEV del fattore di crescita xT per le regioni omogenee di piena dellItalia Nord Occidentale di interesse per il territorio della Regione Liguria (n indica la numerosit

del campione utilizzato).

Regione n k

B Alpi e Prealpi Occidentali 347 0.352 0.635 -0.320

C Appennino NO & Bacini Tirrenici 753 0.377 0.643 -0.276



Tabella A.2.3 Valori del fattore di crescita xT per alcuni valori salienti del periodo di ritorno T.

Periodo di Ritorno, anni

(Variabile ridotta, yT)

Regione 10

(2.250)

20 (2.970)

50 (3.902)

100 (4.600)

200 (5.296)

500 (6.214)

B Alpi e Prealpi Occidentali 1.80 2.38 3.37 4.33 5.52 7.57

C Appennino NO & B. Tirrenici 1.82 2.38 3.29 4.14 5.17 6.87

Per le caratteristiche delle serie AFS osservate in sei stazioni idrometriche, il bacino del

fiume Tanaro non raggruppabile tra i bacini della Regione B, n tra quelli della

Regione C. Poich le massime piene osservate descrivono un regime tipicamente di

transizione tra queste due regioni, tale bacino viene considerato come una zona di

transizione (ZT2) tra le stesse regioni B e C. Per valutare le piene nei corsi dacqua

della ZT2 si consiglia quindi la parametrizzazione della curva di crescita GEV sito per

sito, pesando i parametri della legge GEV in base alla distanze minime del sito stesso

dai confini delle limitrofe regioni B e C. Ai fini pratici, linterpolazione pesata con la

distanza dalle regioni limitrofe si pu condurre direttamente sui valori del fattore di

crescita (p.es., sui valori di Tabella A.2.3 per i periodi di ritorno salienti ivi riportati).

Fattore di crescita atteso. Una volta individuata lappartenenza del sito

fluviale di interesse a una data regione omogenea in base ai confini di

tabella.A.2.1, il fattore di crescita viene dedotto dalla Tabella A.2.3 ovvero

determinato, per lassegnato periodo di ritorno di T anni, tramite la relazione

TkyT ek

x

1

, (A.2)

dove la variabile ridotta yT va calcolata con la formula

1lnln

T

TyT , (A.3)

e i valori dei parametri k, ed sono dedotti dalla Tabella A.2.2.

Va osservato che, per via della

prossimit dei bacini con versante padano in territorio ligure, che ricadono in ZT2, alla Regione C, che comprende la Liguria tirrenica,

deviazione non molto accentuata tra le curve di crescita delle Regioni B e C,

lutilizzo della curva di crescita della Regione C anche per i bacini con versante padano

della ZT2 comporta unapprossimazione generalmente accettabile.



A.3. Valutazione della portata indice

Alla portata indice compete un periodo di ritorno variabile da regione a regione, con

valori compresi comunque tra 2.86 anni (Regione C: Appennino Nord-Occidentale e

Bacini Tirrenici, che comprende lintera Liguria Tirrenica) e 2.98 anni (Regione B: Alpi

e Prealpi Occidentali, di interesse per il versante padano). Questa considerazione

permette di valutare, ancorch in modo affatto approssimato e qualitativo, il valore della

portata indice in un sito di interesse in base a osservazioni e ricostruzioni di piena e/o

tramite considerazioni di geomorfologia fluviale.

Per valutare in modo quantitativo la portata indice, qindice, ossia il valore atteso di portata

al colmo massima annuale che particolarizza la formula (A.1) per un generico sito

fluviale di interesse, si possono applicare diverse metodologie5.

Esse comprendono sia metodi diretti, sia metodi indiretti, caratterizzati da vario grado di

complessit (v. Figura A.3.1). Con i metodi diretti il valore di qindice viene calcolato

dalle statistiche osservate in situ ed utilizzabile se e soltanto se, nel sito in esame, sono

disponibili sufficienti osservazioni dirette di portata al colmo. Con i metodi indiretti il

valore di qindice viene derivato, per via della carenza o dellinsufficienza di osservazioni

dirette, da quello di grandezze esogene. Una dettagliata descrizione di tali metodi viene

riportata nel Capitolo 3 dellAllegato Tecnico, cui si fa riferimento per le metodologie

e le tecniche di stima citate nel seguito.

Figura A.3.1. Metodi di

valutazione della portata

indice in un sito fluviale.

Metodi Diretti

Metodi Indiretti

Formuleempiriche

Metodo geo-morfoclimatico

SimulazioneIdrologica

Traccestoriche

AFS

PDS

Portata Indice

Simulazione aIngressi Noti

SimulazionedellEvento Critico

Simulazione aIngressi Stocastici

Va subito premesso come la scelta di una particolare metodologia dipenda sia

dallinformazione disponibile, sia dallaffidabilit della previsione statistica che viene

richiesta dalla specifica applicazione. Inoltre, ogni situazione pratica va affrontata

sviluppando un appropriato ventaglio di metodologie, in ragione della possibilit o

meno di applicare correttamente un certo metodo al caso in esame.

5 Bocchiola, D., De Michele, C. & R. Rosso, Review of recent advances in index flood estimation,

Hydrology and Earth System Sciences, Vol.7, no.3, p.283-296, 2003.



In pratica, ogni situazione va affrontata sviluppando la metodologia adatta nel quadro di

un ventaglio pi o meno ampio di metodologie appropriate, in ragione della possibilit o

meno di applicare correttamente un certo metodo al caso in esame. Il percorso da

seguire va quindi individuato soprattutto in ragione dellinformazione disponibile,

delineando diverse tipologie di situazioni, quali quelle descritte in Figura A.3.2.

In generale, si possono distinguere sei diverse tipologie di casi pratici, a seconda che le

previsioni di piena siano condotte in un

sito fluviale dotato di stazione idrometrica,

sito fluviale prossimo a una stazione idrometrica,

sito fluviale di un bacino dotato di stazioni idrometriche,

sito fluviale di un bacino privo di stazioni idrometriche,

sito fluviale in corrispondenza o prossimo a uno sbarramento,

sito fluviale caratterizzato da forte antropizzazione.

Le tipologie sopra delineate non sono mutuamente esclusive, in quanto una specifica

applicazione pu essere talora assimilata a pi di una tipologia. In questa circostanza, si

possono incrociare le diverse opzioni metodologiche, confrontandone le prestazioni.

Figura A.3.2. Schema di calcolo

della portata indice in un sito

fluviale.

MetodiDiretti

MetodiIndiretti

Traslazione

Siti fluviali prossimi astazioni idrometriche

Siti fluviali di bacinidotati di stazioni

idrometriche

Siti fluviali di bacini prividi stazioni idrometriche

Siti fluviali incorrispondenza o prossimi

alle dighe

Siti fluviali dotati distazioni idrometriche

Siti fluviali di bacinifortemente antropizzati

privi di registrazioniidrometriche

Analisi storicodocumentale

Ricostruzioneidrogrammiindisturbati

Nel primo e nel secondo caso, la stima della portata indice va principalmente condotta

con i metodi diretti, ossia stimando il valore di qindice dalla media osservata dei massimi

annuali di portata al colmo (AFS) o della corrispondente serie di durata parziale (PDS).

Nel secondo caso, per i siti prossimi a stazioni idrometrografiche, va adottata

lavvertenza di riscalare la media osservata rispetto allarea del bacino idrografico



sotteso. Lapplicazione dei metodi diretti comunque vincolata dalla disponibilit di

serie di dati osservati per un periodo sufficientemente lungo con sufficiente affidabilit.

Anche in presenza di serie osservate, si possono quindi presentare situazioni in cui

bisogna ricorrere a metodi indiretti.

Nel terzo caso si possono adottare sia metodi diretti, con la successiva traslazione scala-

invariante rispetto allarea sottesa, sia metodi indiretti. Nei primi tre casi, inoltre, le

osservazioni dirette disponibili, lungo la stessa asta fluviale ovvero in corsi dacqua

dello stesso bacino, agevolano lapplicazione dei metodi indiretti, che pu giovarsi

dellinformazione locale al fine di restringere i larghi margini di incertezza che affligge

comunque le stime indirette.

Nel quarto caso la stima della portata indice va giocoforza condotta con metodi indiretti,

ossia stimando il valore di qindice per mezzo di una delle opzioni previste nel

Paragrafo 3 del Capitolo 3 dellAllegato Tecnico.

Un quinto caso, affatto particolare, riguarda i siti fluviali in corrispondenza o prossimi

agli sbarramenti e, in particolare, alle dighe di ritenuta. Le dighe italiane sono state

realizzate prevalentemente nel corso del secolo scorso, se non in precedenza. Poich

molte dighe sono in esercizio da lungo tempo, sono disponibili registrazioni pi o meno

lunghe dei livelli dinvaso, che lattuale normativa prescrive peraltro ai gestori degli

impianti di conservare e mettere a disposizione degli organi di controllo. Questo tipo di

informazione pu fornire indicazioni assai utili per i bacini interessati da questo tipo di

asservimento.

Lultimo caso si applica alle sezioni torrentizie e fluviali prossime ad agglomerati

urbani dove storicamente si sono verificate esondazioni, ovvero laddove sia possibile

ricostruire i livelli idrici di massima piena in base a documentazioni affidabili,

soprattutto in relazione a opere di ingegneria idraulica di asservimento del corso

dacqua (quali ponti, restringimenti, canalizzazioni) e di difesa fluviale (quali argini,

scolmatori, casse di espansione).

A.3.1. Siti fluviali dotati di stazioni idrometriche

Impostazione del problema

Per i siti fluviali dove sono localizzate stazioni idrometrografiche dotate di scala delle

portate la procedura di valutazione segue lo schema di Figura A.3.3, che discende dalla

posizione di due ordini di problemi.

(i) Conviene utilizzare il metodo regionale, ovvero eseguire una estrapolazione statistica dei dati osservati, identificando e stimando una CDF locale in base a

tali dati?

(ii) Se si utilizza la curva di crescita regionale, conviene valutare la portata indice per via diretta o indiretta?



Figura A.3.3. Procedura di

valutazione per i siti fluviali

dotati di stazioni

idrometriche.

Siti fluviali dotati distazioni idrometriche

Metodo dellaPortata Indice

Metodi Diretti

PortataIndice


Traccestoriche

Stima CDF Locale

Curva di CrescitaRegionale

Metodi Indiretti

StimaDirettaAFS

StimaDirettaPDS

FormuleEmpiriche

MetodoGeomorfoclimatico

Metodi diInferenzaStatistica

Prima di rispondere ai due quesiti, va ricordato come il metodo della portata indice,

basato sulla regionalizzazione statistica, muova dal presupposto che, per via

dellintrinseca carenza di informazione in una singola serie di osservazioni di piena al

fine di estrapolarne le previsioni a bassa frequenza, sia possibile sostituire lo spazio al

tempo. Linsieme delle osservazioni idrometriche di una regione omogenea viene perci

impiegato per esplorare un campo di frequenze osservate di gran lunga superiore a

quello coperto da una singola serie di osservazioni. A tale scopo, si prende in esame una

serie (rinormalizzata) di dati di portata al colmo, che presenta una lunghezza sufficiente

a stabilire la frequenza degli eventi rari, ossia dei valori di portata (rinormalizzata) con

elevato periodo di ritorno.

Stima della CDF locale contro metodo della portata indice

Per rispondere compiutamente al primo quesito, bisogna confrontare le due diverse

procedure, luna basata sul metodo regionale e laltra basata sulla tradizionale

estrapolazione dei dati locali. Lefficienza relativa dei due metodi pu essere valutata

tramite un confronto tra la varianza campionaria di stima del quantile T-ennale previsto

dal metodo regionale e quella propria dello stesso quantile stimato a partire da una serie

di dati osservati nel sito. Lindice di efficienza , definito dal rapporto delle due varianze di stima

InSitu

Regionale

T

T

TqVar

qVar ,

assume valori inferiori allunit per stime regionali a minor varianza di quelle locali;

valori superiori in caso contrario. Esso dipende dal periodo di ritorno (=T) e dalla specifica legge probabilistica di previsione che viene adottata e, quindi, stimata. Il

calcolo di T richiede quindi che siano noti a-priori la legge (distribuzione)



probabilistica della portata al colmo di piena e la tecnica inferenziale adottata per la

stima dei parametri.

In caso di distribuzione GEV/PWM con k0, il valore di T si pu valutare come

;0,6

'

;0,

1'

2

,

22

2

2

,

2

2

kpernH

y

n

n

kpernkHk

ek

n

n

Tk

T

k

Tk

ky

k

T

T

, (A.4)

dove k, e sono i parametri della legge GEV regionale qui adottata; inoltre,

kkk 1212 , (A.5)

dove (.) indica la funzione gamma, e

165.0823.1expexp, kyH TTk , (A.6)

dove yT la variabile ridotta di Gumbel, il cui valore viene calcolato con la formula

(A.3).

In base allindice di efficienza T, gli abachi di Figura A.3.4 discriminano, per ognuna delle regioni omogenee illustrate in precedenza, tra procedura regionale ed

estrapolazione locale in ragione del periodo di ritorno prefissato.

Regione B

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

n'/n

T = 5 anni

T = 10 anni

T = 25 anni

T = 100 anni

Metodo

Portata

Indice

Stima

Locale

Regione C

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

n'/n

T = 5 anni

T = 10 anni

T = 25 anni

T = 100 anni

Metodo

Portata

Indice

Stima

Locale

Figura A.3.4. Abachi di efficienza. Lefficienza diagrammata in funzione del rapporto n/n per valori salienti

del periodo di ritorno di 5, 10, 50 e 100 anni. Ogni abaco si riferisce a una specifica regione omogenea

caratterizzata da valori noti dei parametri k, ed della curva di crescita regionale GEV. Lefficienza di stima definita come rapporto tra la varianza di stima del quantile T-ennale determinato con il metodo della portata

indice (essendo n la numerosit del campione regionale) e quella relativa allo stesso quantile stimato dai dati locali, di numerosit n.



Stima locale della distribuzione di probabilit della portata al colmo di

piena. Nei siti dotati di osservazioni idrometrografiche di una regione

omogenea, la formula

;0,6

'

;0,

1'

2

,

22

2

2

,

2

2

kpernH

y

n

n

kpernkHk

ek

n

n

Tk

T

k

Tk

ky

k

T

T

, (A.4)

consente di discriminare tra metodo regionale ed estrapolazione locale in

base allindice di efficienza T, minore o maggiore dellunit, essendo n la numerosit del campione regionale e n quella del campione locale. In

alternativa, si possono usare gli abachi di Figura A.3.4, che indicano, a

seconda del periodo di ritorno, lopportunit o meno di ricorrere alla legge

regionale in luogo della interpolazione/estrapolazione statistica dei soli dati

locali.

Quando conviene eseguire una procedimento di interpolazione/estrapolazione statistica

dei dati locali, la scelta della legge probabilistica va condotta in base al criterio del

migliore adeguamento ai dati campionari, utilizzando test statistici specifici per le

distribuzioni dei valori estremi6.

Stima della portata indice

Il secondo quesito (se si utilizza la curva di crescita regionale, conviene valutare la

portata indice per via diretta o indiretta?) si pone quando non sia possibile stimare la

CDF della portata al colmo di piena dai dati di stazione. La risposta dipende anche qui

dalla lunghezza delle osservazioni disponibili in situ, in base alla quale si pu decidere

di applicare il metodo diretto AFS, il metodo diretto PDS o un metodo indiretto. La

Tabella A.3.1 porge indicazioni di larga massima sullopportunit di procedere a stime

dirette (AFS o PDS) o indirette della portata indice in ragione della numerosit n del

campione disponibile in situ. Tali indicazioni sono tratte dal Flood Estimation

Handbook7 inglese e sono suggerite alcune modifiche cautelative in base a simulazioni

Montecarlo di prima approssimazione.

6 Kottegoda, N.T. & R. Rosso, Statistics, Probability and Reliability for Civil and Environmental

Engineers, Mc-Graw-Hill Publishing Company, New York, 1997, pp.290-293. 7 Reed, D., Flood Estimation Handbook, 1. Overview, Institute of Hydrology, Wallingford, U.K., 1999.



Tabella A.3.1 Metodologia di valutazione della portata indice in un sito dotato di stazione idrometrica in ragione della lunghezza del campione locale disponibile. Si riportano le indicazioni del Flood Estimation Handbook (Reed, 1999) che sono per riferite alla mediana e non alla media del massimo annuale di

portata al colmo, nonch alla distribuzione log-logistica della curva di crescita, anzich alla distribuzione GEV utilizzata in questa sede. Tali indicazioni sono state modificate in base ad alcune simulazioni

Montecarlo riferite alla media della distribuzione GEV.

Lunghezza del campione locale, n, anni

Metodi Indiretti Metodo diretto PDS Metodo diretto AFS

FEH < 2 2 13 > 13

FEH modificata < 5 5 20 > 20

I suggerimenti di Tabella A.3.1 sono affatto indicativi; per una migliore risposta al

quesito, bisogna operare unanalisi specifica sui campioni estratti di diversa lunghezza

di dei campioni dati disponibili per il bacino del fiume Po (Regione B e C) e la Liguria

Tirrenica. Tali indicazioni vanno riferite a una ipotesi statistica, ossia allassunto che il

metodo diretto fornisca comunque una stima contenuta entro i limiti di confidenza

dellipotesi nulla a un prefissato livello di significativit a (p.e. 0.05, livello di

confidenza del 95%). Si possono anche condurre simulazioni Montecarlo al fine di

determinare i limiti di applicabilit delle diverse metodologie. La valutazione diretta

presenta vantaggi anche quando siano disponibili pochi anni di registrazioni e va

comunque confrontata con i risultati dellapplicazione di eventuali metodi indiretti.

In caso di difficolt di reperimento dei dati osservati della serie PDS, si ricorrer

comunque al metodo diretto AFS in tutti i casi i cui la stima della CDF locale non sia

affidabile secondo le indicazioni di Tabella A.3.1.



Portata indice nei siti dotati di osservazioni idrometriche. In caso di

impiego della procedura regionale, la portata indice da inserire nella

procedura va stimata con il metodo diretto, ossia in base alle osservazioni

stesse, se protratte per un numero di anni sufficiente, variabile da regione a

regione secondo i limiti indicati in Tabella A.3.1. Quando si pu adottare il

metodo diretto AFS, il calcolo va eseguito tramite la formula

'

1

''

1 n

i

iindice qn

q , (A.7)

applicata alla serie dei massimi annuali, q1,,qn, con n anni di

osservazione. Quando si deve invece adottare il metodo diretto PDS, si

utilizza la formula

"

1

""

1n

i

iPDS qn

q , (A.8)

applicata alla serie di durata parziale q1,,qn, con n episodi salienti

osservati. Quindi, si usa la formula

kk

qq

k

PDSindice

11

, se k

kk

1

11

, (A.9)

dove indica il numero medio annuo di eventi, pari a n/n, e utilizzando i

valori dei parametri , e k relativi alla regione di pertinenza del sito in

esame. Se, invece, la serie disponibile di lunghezza insufficiente, va

utilizzato un metodo indiretto. I migliori risultati si ottengono costruendo e

tarando un modello idrologico di piena con cui derivare la portata indice via

simulazione e i dati osservati forniscono in questo caso uninformazione

assai utile per tarare e validare il modello. I risultati del metodo vanno

comunque confrontati con quelli ottenuti con la stima diretta.

A.3.3. Siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche

Per i siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche dotate di scala di deflusso il problema

riconducibile al caso precedente, con lavvertenza che i valori di progetto vanno

riscalati in base alla superficie del bacino idrografico sotteso. In pratica, questo caso

corrisponde alla traslazione monte-valle o valle-monte dellinformazione idrologica.

La prossimit definita dalla circostanza che stazione idrometrica S1 e sito fluviale in

esame S2 insistano sullo stesso tronco fluviale, definito, per esempio, in base al criterio

gerarchico di classificazione della rete idrografica secondo lo schema Horton-Strahler

(v. Figura A.3.5). Essa va quindi stabilita non soltanto in base a intuitivi criteri

geografici, ma anche in base a considerazioni di geomorfologia fluviale.



In questo caso, inoltre, bisogna tenere conto della omogeneit di risposta dei versanti

nei bacini identificati dalle sezioni S1 e S2. A tale fine, il calcolo dellindice CN o

Curve Number, che si esegue combinando le informazioni qualitative sulla natura

idrologica del suolo e sulluso del suolo pu fornire utili indicazioni al riguardo8,9

.

Un altro fattore di omogeneit rappresentato dalle caratteristiche statistiche dei

nubifragi. Quali indici di riferimento si possono considerare, secondo il modello scala-

invariante, il valore atteso a1 dellaltezza di pioggia massima annuale per durata unitaria

(unora) e lesponente di scala , che esprime la variazione di tale grandezza con la durata. I valori di questi due indici vanno pesati sullarea di bacino sotteso nelle due

sezioni.

Figura A.3.5. Schema di ordinamento gerarchico (classificazione Horton-Strahler) della rete idrografica. Le sorgenti originano rami e canali di ordine 1. Quando due rami di ordine i-esimo e j-esimo si congiungono, il ramo

risultante assume lordine

21int,,

jijiMaxk

e due o pi rami in successione, aventi medesimo ordine, formano un canale del loro stesso ordine

10.

Lordine del bacino di drenaggio corrisponde a quello del canale di ordine massimo. 3

2

2

2

1

1

1

1

11

1

1

1

11

11

1

S1

S2

A1

A2

8 Soil Conservation Service, National Engineering Handbook, section 4, Hydrology, Rev. ed., U.S.

Department of Agriculture, Washington D.C., U.S.A, 1986. 9 De Michele, C., Guidi, G. & R. Rosso, La valutazione della risposta idrologica del terreno nel bacino

padano. Caratterizzazione spaziale e mappatura del massimo potenziale di ritenzione idrica,

LAcqua, no.6, p.17-24, 2000. 10

Rosso, R., Bacchi, B. & P. La Barbera, Fractal relation of mainstream length to catchment area in river

networks, Water Resour. Res., 27(3), 381-388, 1991.



Portata indice in siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche (bacini

omogenei). In caso di prossimit dei siti e di omogeneit dei bacini scolanti,

una volta stimata la portata indice qindice[S1] nel sito S1 dove ubicata la

stazione idrometrica, il corrispondente valore qindice[S2] nel sito S2 in esame

si pu ricavare con la formula

m

indiceindiceA

ASqSq

1

212 , (A.10)

dove A1 e A2 sono le aree dei rispettivi bacini idrografici sottesi, mentre

lesponente m caratterizza linvarianza di scala a livello regionale.

Nel caso particolare in cui siano disponibili osservazioni idrometriche in pi stazioni

che insistono sullo stesso ramo fluviale di interesse, definito dal criterio gerarchico di

classificazione secondo Horton-Strahler, anche consigliabile stimare direttamente

lesponente m della legge di potenza (A.10) in base ai relativi valori di portata indice e

di superficie imbrifera sottesa.

In caso di forte disomogeneit dei bacini sottesi rispettivamente dalle sezioni S1 e S2,

bisogna invece ricorre a metodi indiretti, quali il metodo geomorfoclimatico e la

simulazione idrologica. I dati disponibili per la sezione S1 consentono in tale caso un

controllo di qualit del metodo e una eventuale taratura dei parametri del modello

impiegato caratterizzati da maggiore incertezza. Il metodo della traslazione

geomorfoclimatica si presta a valutazioni speditive, ma la sua applicazione piuttosto

sensibile al controllo di un operatore esperto. Di conseguenza, va consigliato nella

maggior parte dei casi limpiego della simulazione idrologica.

Portata indice in siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche (bacini

disomogenei). In caso di prossimit dei siti e di disomogeneit dei bacini

scolanti, conviene identificare e tarare un modello idrologico di simulazione

afflussi-deflussi per il sito idrometrico S1 sulla base dei dati idrometrici e

pluviometrici ivi disponibili. In particolare, il metodo della simulazione

dellevento critico fornisce un buon compromesso tra complessit delle

elaborazioni e affidabilit dei risultati. I parametri del modello devono

consentire una concettualizzazione delle caratteristiche salienti del bacino

idrografico, in modo da poter riutilizzare tale modello, una volta ricalibrato

in base alle caratteristiche del bacino sotteso dal sito S2 in esame, per

valutare qindice[S2] via simulazione. Unalternativa costituita dal metodo

della traslazione geomorfoclimatica.

In definitiva, la procedura di valutazione per i siti fluviali prossimi a stazioni

idrometriche, con risposte di versante omogenee e disomogenee, segue lo schema di

Figura A.3.6.



Figura A.3.6. Procedure di

valutazione per i siti fluviali prossimi a

stazioni idrometriche.

Siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche

Metodo della Portata Indice

Portata IndiceCurva di Crescita Regionale

Traslazione

MetodoScala-Invariante

Simulazione Idrologica

Portata Indice nel Sito Idrometrico

Procedura per i siti dotati di stazioni idrometriche

Disomogenea Risposta dei

Versanti

Omogenea Risposta dei

Versanti

Traslazione geomorfoclimatica

Siti fluviali prossimi a stazioni idrometriche



Traslazione

MetodoScala-Invariante


Portata Indice nel Sito Idrometrico

Procedura per i siti dotati di stazioni idrometriche

Disomogenea Risposta dei

Versanti

Omogenea Risposta dei

Versanti

Traslazione geomorfoclimatica

A.3.4. Siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche

Questo caso saliente, in parte assimilabile al caso precedente, si riferisce alla situazione

in cui non sono disponibili osservazioni di portata lungo lasta fluviale in esame, ma

sono presenti nel bacino stazioni idrometriche dotate di scala di deflusso (v.

Figura A.3.7). A rigore, in caso di omogenea risposta dei versanti del bacino in esame e

di quello dotato di stazione idrometrica, si potrebbe ancora ricorrere al metodo della

traslazione scala-invariante. In questo caso, per, le incertezze di stima sono di norma

maggiori che nel caso precedente.

Figura A.3.7. Situazione tipica di valutazione nei siti S2 e S3 di un

bacino dotato di stazione idrometrica nel sito S1.

S2

A1

S3

A3

S1A2



Portata indice in siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche

(bacini omogenei). In caso di prossimit e omogeneit dei bacini scolanti,

una volta stimata la portata indice qindice[S1] nel sito S1 dove ubicata la

stazione idrometrica, il corrispondente valore qindice[S2] nel sito S2 in esame

si pu ricavare con la formula

m

indiceindiceA

ASqSq

1

212 , (A.10)

dove A1 e A2 sono le aree dei rispettivi bacini idrografici sottesi, mentre

lesponente m caratterizza linvarianza di scala a livello regionale.

La valutazione dellomogeneit un esercizio abbastanza complesso e soggetto, in

questo caso, a un elevato margine di incertezza. In generale, conviene quindi ricorrere

allapplicazione dei metodi indiretti, sfruttando le osservazioni disponibili per operare

un controllo della metodologia adottata. Tale controllo va condotto applicando in via

preliminare la metodologia indiretta al sito dotato di stazione idrometrica, in modo da

ottenere indicazioni sulle prestazioni del modello per il macro-bacino preso in esame.

In ordine di affidabilit crescente, sono applicabili sia le formule empiriche, sia il

metodo geomorfoclimatico, sia la simulazione idrologica (v. Figura A.3.8). La

simulazione idrologica richiede la costruzione di un modello di trasformazione afflussi-

deflussi per il sito di interesse, mentre il metodo geomorfoclimatico si basa su una

approssimazione del secondo ordine delle statistiche di piena a partire da quelle degli

eventi di precipitazione intensa. Nei primi due casi va operato un controllo dei risultati

confrontando le stime indirette nel sito idrometrico con quelle dirette, se linformazione

ivi disponibile consente valutazioni affidabili di tipo diretto. In caso di simulazione

idrologica, tale informazione consente leventuale taratura del modello di

trasformazione afflussi-deflussi, qualora il modello adottato contenga parametri di

calibrazione. Se si utilizzano invece modelli concettuali o fisicamente basati che non

prevedono parametri di calibrazione, linformazione sperimentale consente la

validazione del modello.

Portata indice in siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche

(bacini disomogenei). Nei siti fluviali di bacini disomogenei dotati di

stazioni idrometriche sono applicabili, in ordine di affidabilit crescente sia

il metodo geomorfoclimatico, sia la simulazione idrologica. Se

linformazione idrometrica disponibile consente valutazioni affidabili di tipo

diretto, conviene operare un controllo dei risultati del metodo

geomorfoclimatico confrontando le stime indirette nel sito idrometrico con

le stime dirette. In caso di impiego della simulazione idrologica,

linformazione idrometrica va utilizzata per lidentificazione, leventuale

taratura e la validazione del modello di trasformazione afflussi-deflussi. In

particolare, il metodo della simulazione dellevento critico fornisce un



buon compromesso tra complessit delle elaborazioni e affidabilit dei

risultati.

Siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche




Formule Empiriche

Taratura e validazione del modello per i bacini

limitrofi dotati di stazioni idrometriche

Metodo Geomorfoclimatico

Controllo del metodo per i bacini limitrofi dotati di stazioni idrometriche

TraslazioneProcedura per i siti prossimi a

stazioni idrometricheMetodi Indiretti

Siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche




Formule Empiriche

Taratura e validazione del modello per i bacini

limitrofi dotati di stazioni idrometriche


Controllo del metodo per i bacini limitrofi dotati di stazioni idrometriche

TraslazioneProcedura per i siti prossimi a

stazioni idrometricheMetodi Indiretti

Figura A.3.8. Procedura di valutazione per i siti fluviali di bacini dotati di stazioni idrometriche.

A.3.5. Siti fluviali di bacini privi di stazioni idrometriche

Questa tipologia dipinge la situazione che si presenta nella maggior parte delle

applicazioni pratiche, laddove la necessit di valutare la piena di progetto si scontra con

lassoluta carenza di informazioni idrometriche. La stima della portata indice va

giocoforza condotta con metodi indiretti, ossia stimando il valore di qindice per mezzo di

una delle opzioni illustrate nel Paragrafo 3 del Capitolo 3 dellAllegato Tecnico.

Quando si dispone di osservazioni dirette in corsi dacqua di bacini idrologicamente

simili, lapplicazione del metodo indiretto pu altres giovarsi di tale informazione al

fine di restringere i larghi margini di incertezza che affligge comunque le stime

indirette, come indicato nello schema di Figura A.3.9.

Quali parametri di identificazione del bacino idrologicamente simile per il controllo di

qualit della procedura si possono utilizzare, in prima istanza,

gli indici di composizione dalla rete idrografica di Horton-Strahler ovvero, la dimensione frattale del reticolo, pari al rapporto D = Log(RB) / Log(RL), dove RB



indica il rapporto di biforcazione e RL il rapporto di lunghezza11

ovvero, utilizzando

lo schema topologico, D = Log(2M 1) / Log(L), dove M e L indicano

rispettivamente la magnitudo e il diametro topologico della rete12

;

lindice di assorbimento CN o Curve Number, che si ottiene combinando informazioni qualitative sulla natura idrologica del suolo e sulluso del suolo

13,14;

i parametri delle linee segnalatrici di probabilit pluviometrica scala-invarianti, valutate in unallocazione possibilmente baricentrica nel bacino; se h indica laltezza

di pioggia e d la durata, esse sono esprimibili come h = a1 wT d, dove a1 rappresenta

il valore atteso dellaltezza di pioggia massima annuale per una durata unitaria, wT

una funzione di frequenza legata, in prima approssimazione, al coefficiente di

variazione dellaltezza di pioggia indipendente dalla durata, e un esponente di

scala15

.

I parametri D, CN, a1 e si possono utilizzare quali indici-guida, in quanto giocano un

ruolo importante nellassetto idrologico di piena.

11

La Barbera, P. & R. Rosso, On the fractal dimension of stream networks, Water Resour. Res., 25(4),

735-741, 1989. 12

Agnese, C., Dasaro, F., Grossi, G. & R. Rosso, Scaling properties of topologically random channel

networks, Journal of Hydrology, Vol. 187, p.183-193, 1996. 13

Soil Conservation Service, National Engineering Handbook, section 4, Hydrology, Rev. ed., U.S.

Department of Agriculture, Washington D.C., U.S.A, 1986. 14

De Michele, C., Guidi, G. & R. Rosso, La valutazione della risposta idrologica del terreno nel bacino

padano. Caratterizzazione spaziale e mappatura del massimo potenziale di ritenzione idrica,

LAcqua, no.6, p.17-24, 2000. 15

Rosso, R., De Michele, C. & A. Montanari, La previsione statistica delle piogge di forte intensit e

breve durata. Applicazione alla liguria tirrenica e al bacino del Po, in: La difesa idraulica del

territorio, a cura di U. Maione e A. Brath, Editoriale Bios, 1-30, Cosenza, 1997.



Portata indice nei siti fluviali privi di osservazioni idrometriche. Nei siti

fluviali di bacini privi di stazioni idrometriche sono applicabili, in ordine di

affidabilit crescente, le formule empiriche, il metodo geomorfoclimatico, e

la simulazione idrologica. Questultima fornisce le maggiori garanzie di

robustezza ed affidabilit delle stime.

Tra i metodi di simulazione idrologica, il metodo della simulazione

dellevento critico offre un accettabile compromesso tra complessit di

calcolo, quantit e qualit dei dati pluviometrici necessari

allimplementazione, e affidabilit di stima.

Adottando le prime due opzioni (formule empiriche e del metodo

geomorfoclimatico) conviene operare in via preliminare un controllo dei

risultati, confrontando le stime dirette nel sito idrometrico di un bacino

idrologicamente simile con le stime indirette del metodo prescelto.

Anche in caso di impiego della simulazione idrologica, lidentificazione,

leventuale taratura e la validazione del modello di trasformazione afflussi-

deflussi va condotta in via preliminare su un bacino strumentato

idrologicamente simile.


valutazione per i siti

fluviali di bacini privi di

stazioni idrometriche.

Siti fluviali di bacini privi di stazioni idrometriche




Formule Empiriche

Taratura del modello su bacini idrologicamente simili dotati di stazioni

idrometriche


Controllo del metodo su bacini idrologicamente simili dotati di stazioni

idrometriche

Siti fluviali di bacini privi di stazioni idrometriche




Formule Empiriche

Taratura del modello su bacini idrologicamente simili dotati di stazioni

idrometriche


Controllo del metodo su bacini idrologicamente simili dotati di stazioni

idrometriche

A.3.6. Siti fluviali in corrispondenza o prossimi alle dighe

Per i siti fluviali in corrispondenza o prossimi alle dighe, laddove si dispone di serie

consistenti di registrazioni del livello idrometrico, la procedura di valutazione segue lo

schema di Figura A.3.10. Almeno in via teorica, il patrimonio storico dei rilevamenti

condotti sugli organi di scarico delle dighe reperibile presso i diversi Servizi Tecnici



di controllo nazionali e regionali o presso gli stessi concessionari. Tale patrimonio

rappresenta in questi casi una importante fonte alternativa di osservazioni dirette

rispetto ai dati ufficiali pubblicati dallex-SIMN (o dagli enti regionali poi subentrati).

Limpiego di tale informazione richiede un notevole sforzo di ricostruzione

dellidrogramma in ingresso agli invasi, al fine di determinare il dato di portata al colmo

di piena indisturbata. La procedura di simulazione idraulica necessaria alla ricostruzione

degli idrogrammi in ingresso viene illustrata nellAllegato Tecnico. Sono peraltro

disponibili diversi prodotti software implementabili a tale scopo.

In base alla ricostruzione dellidrogramma in ingresso q(t) per lintero periodo

disponibile, viene determinata la serie indisturbata dei massimi annuali (AFS) ovvero,

se la durata delle osservazioni disponibili limitata, la serie indisturbata di durata

parziale (PDS). Le serie di dati indisturbati cos ricostruiti sono assimilabili a serie

osservate e la procedura di valutazione prosegue quindi secondo le indicazioni

introdotte in precedenza per i metodi diretti AFS e PDS. Rispetto alle osservazioni nei

siti dotati di stazione idrometrica, i dati ottenuti dalla procedura di ricostruzione

possono comunque presentare una maggiore incertezza di campionamento legata alla

qualit dellinformazione disponibile. Le maggiori fonti di incertezza sono date dalla

risoluzione relativa con cui viene osservata la quota dinvaso rispetto ai volumi

invasabili; dalla modalit e dalle procedure di acquisizione e archiviazione dei dati di

gestione dellimpianto; e dalleffettivo funzionamento idraulico delle luci di efflusso

rispetto alla configurazione di progetto della diga.

In particolare, se la serie AFS dei dati ricostruiti (q1,, qn) di lunghezza sufficiente,

si pu stimare la portata indice con il metodo diretto tramite la formula (A.7). Tramite la

metodologia riportata nellAllegato Tecnico si calcola il relativo errore standard di

stima. Quando si utilizza la serie PDS, se ne calcola il valore medio con la formula

(A.8) e si valuta la portata indice con la formula (A.9) particolarizzata per la regione

omogenea in esame. Quando la durata delle osservazioni insufficiente allapplicazione

del metodo diretto AFS o PDS, gli idrogrammi ricostruiti fornisco dati utili per

lapplicazione del metodo della simulazione idrologica, che, in questo caso, costituisce

il metodo indiretto di riferimento. In caso di simulazione, gli idrogrammi ricostruiti

costituiranno una preziosa fonte di informazione. Quando il modello di trasformazione

afflussi-deflussi contiene parametri di calibrazione, tali informazioni consentono infatti

la taratura del modello. Se si utilizza invece un modello concettuale o fisicamente

basato, che non prevede parametri di calibrazione, questa informazione consente la

validazione del modello stesso.




valutazione per i siti fluviali in

corrispondenza o prossimi alle dighe.

Siti fluviali in corrispondenza o prossimi alle dighe


Metodo Diretto

Portata Indice


Traccestoriche

Stima CDF Locale

Curva diCrescitaRegionale

Metodo Indiretto

StimaDirettaAFS

StimaDirettaPDS

FormuleEmpiriche


Simulazione Idraulica del Serbatoio

Serie AFS/PDS Ricostruita

Portata indice nei siti diga. Per i siti fluviali in corrispondenza o prossimi

alle dighe, laddove si dispone di serie consistenti di registrazioni del livello

idrometrico, viene ricostruita la serie indisturbata delle portate al colmo di

piena tramite simulazione idraulica dellinvaso. I dati ottenuti vengono

quindi elaborati con metodi diretti o indiretti, secondo il ventaglio

procedurale illustrato in precedenza per i siti dotati di stazione idrometrica.

A.3.7. Siti fluviali caratterizzati da elevata antropizzazione

Nei siti fluviali in corrispondenza o prossimi ad agglomerati urbani dove non sono

applicabili i metodi diretti in assenza di dati specifici, si possono spesso surrogare i dati

idrometrici tradizionali con dati di origine storico-documentale, legati a eventi

alluvionali salienti, ovvero si pu fare riferimento a sezioni idrauliche di controllo,

laddove si ha notizia certa del superamento di prefissati livelli caratteristici.

In questi casi il metodo delle tracce storiche (v. Capitolo 3 dellAllegato Tecnico)

fornisce uno strumento utile ad affrontare le situazioni dove storicamente si sono

verificate esondazioni, ovvero laddove sia possibile ricostruire i livelli idrici di massima

piena in base a documentazioni affidabili, soprattutto in relazione a opere di ingegneria

idraulica di asservimento del corso dacqua (quali ponti, restringimenti, canalizzazioni e

coperture) e di difesa fluviale (quali argini, scolmatori e casse di espansione).

Nellimpiego delle fonti storico-documentali va comunque esaminato con attenzione il



carattere evolutivo del sistema fluviale, soprattutto in relazione agli interventi

delluomo. A tal fine, i dati del Censimento delle aree italiane storicamente colpite da

frane e da inondazioni del CNR-GNDCI possono costituire una utile base di partenza16

.

Lapplicazione del metodo delle tracce storiche ha comunque una valenza

complementare rispetto alluso di altri metodi indiretti di stima. Lo schema di

Figura A.3.11 fornisce una sintesi della procedura di valutazione per queste situazioni

nei casi che non ricadono nelle situazioni speciali descritte in precedenza. In ordine di

affidabilit fortemente crescente, sono applicabili sia le formule empiriche, sia il metodo

geomorfoclimatico, sia la simulazione idrologica. Questultima risponde anche alla

necessit di garantire una corretta valutazione di modificazioni del territorio e

dellassetto fluviale eventualmente intervenute nel corso del tempo.


valutazione per i siti fluviali di bacini

fortemente antropizzati, non

dotati n prossimi a una stazione

idrometrica, n posti in bacini dotati

di stazioni idrometriche.

Siti fluviali di bacini fortemente antropizzatiprivi di registrazioni idrometriche


Portata Indice


Traccestoriche

Curva diCrescitaRegionale

Metodo Indiretto

FormuleEmpiriche


Analisi storico-documentaleMAPPAVI

16

CNR-GNDCI, MAPPAVI: Censimento delle aree italiane storicamente colpite da frane e da

inondazioni, Versione 1.2, [email protected], CNR-GNDCI, Dicembre, 1998.



Portata indice in siti fluviali fortemente antropizzati. Per i siti fluviali in

corrispondenza o prossimi ad agglomerati urbani dove non sono applicabili i

metodi diretti in assenza di dati idrometrici, la portata indice viene valutata

utilizzando i metodi indiretti di 3.3.4 dellAllegato Tecnico, a seconda

della specifica tipologia di situazione.

A complemento di tale valutazione il metodo delle tracce storiche fornisce

uno strumento utile ad affrontare le situazioni dove storicamente si sono

verificate esondazioni, ovvero laddove sia possibile ricostruire i livelli idrici

di massima piena in base ad affidabili informazioni storico-documentali.

Quando sono stati documentati h superamenti in n anni della soglia qs

identificata dalle tracce storiche, la portata indice viene stimata con la

formula

sT

sindice

x

qq

, (A.11)

a partire dai valori della portata di riferimento storicame

criteri ed indirizzi tecnici per la verifica e valutazione ... · tecnico per la verifica e...

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