Modellazione idraulica: cos'è e come farla con HEC-RAS per prevenire il rischio idrogeologico

Il termine rischio idrogeologico è il rapporto tra alcuni fattori come pericolosità, esposizione e vulnerabilità, ossia il rapporto tra la pericolosità di un evento idrogeologico e i danni ambientali potenziali associati (esposizione). Il concetto è ormai entrato di prepotenza nel gergo comune, così come sdoganato dai media a seguito dei terribili quanto periodici eventi catastrofici di carattere alluvionale o gravitativo che affliggono il territorio, coinvolgendo infrastrutture e centri abitati con tutto quanto ne consegue in termini di danni materiali e perdite di vite.

Tali fenomeni catastrofici risulterebbero interessare aree decisamente vaste del territorio nazionale. Stando ad esempio a quanto pubblicato a cura dell'ISPRA (Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale) già nel 2018, 12.405 km2 di territorio italiano risultano associati a pericolosità idraulica elevata (interessando il 3.5% della popolazione), 25.398 Km2 a pericolosità media (10,4% della popolazione) e 32.961 Km2 a pericolosità bassa (il 15,7% della popolazione). 

Vediamo cosa si intende per modellazione idraulica: è la comprensione dei processi fisici e dei cambiamenti della rete. La modellazione dei fenomeni di allagamento e di transito si effettua attraverso il programma di modellazione HEC-RAS, che vedremo qui nel dettaglio.

Costruire un modello vuol dire sviluppare un algoritmo in grado di prevedere gli effetti di un determinato fenomeno. In modo più specifico, il fenomeno studiato consiste nelle caratteristiche fisiche assunte da un flusso idrico prodotto da un determinato evento pluviometrico. I suoi effetti, per quanto  concerne la sfera di interesse del modellatore, riguardano le relazioni tra le caratteristiche del flusso e la morfologia del territorio che ne viene attraversato.

Va da se che uno studio di pericolosità risulta dalla sinergia di più professionalità in quanto occorre valutare accuratamente tre elementi chiave e le loro rispettive variazioni temporali: 

a) le caratteristiche degli apporti idrici in bacino (valutazione delle precipitazioni, dell'evapotraspirazione, ecc.); 

b) le caratteristiche morfologiche del bacino stesso e dell'alveo in particolare;

c) l'idraulica del flusso

In tale contesto dunque i professionisti che si occupano di modellazione del flusso in un bacino, si avvalgono di software dedicati in grado di conferire alla modellazione un grado accettabile di affidabilità dei risultati, in considerazione della notevole complessità delle elaborazioni necessarie. Il più diffuso di tali programmi è senz'altro HEC-RAS (fig. 2).

Il software di modellazione idraulica HEC-RAS 

HEC-RAS viene pubblicato nel 1996 dall' Hydrologic Engineering Center for the US Army Corps of Engineers (HEC), il Corpo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti, un ente nato con lo scopo dichiarato di "fornire servizi vitali di ingegneria pubblica e militare; collaborare alla pace e alla guerra per rafforzare la sicurezza della nostra nazione, stimolare l'economia e ridurre i rischi di disastri". Si tratta dunque di un prodotto messo a punto per conto del genio dell'esercito statunitense il quale, tuttavia, ha già a suo tempo deciso di rendere liberamente disponibile il programma consentendone il download libero e gratuito a tutti attraverso la propria piattaforma web.

Il programma consente di eseguire modelli unidimensionali e bidimensionali di flusso al moto permanente ed al moto vario, anche in presenza di condizioni a contorno piuttosto particolari (ad esempio presenza di ghiaccio, ecc.). In parole povere è in grado di simulare il flusso idraulico all'interno di un determinato alveo, oppure su una intera piana alluvionale a seguito di una esondazione, di cui sono stati precedentemente definiti dal modellatore i parametri morfo metrici ed i coefficienti d'attrito, oltre che la presenza di eventuali opere idrauliche (costruzione del modello geometrico). Una volta assegnate le portate di afflusso a monte per determinati tempi di ritorno oppure definita una curva di probabilità pluviometrica (costruzione del modello idrologico), è possibile ottenere i parametri del flusso nel tempo e nello spazio (modello idraulico). 

Avremo così informazioni molto precise, di carattere tempo-spaziale, sulle quote del tirante idrico, che ci consentiranno una verifica delle sezioni d'alveo e/o della luce di eventuali opere idrauliche, e sulle velocità del flusso, in modo da poter verificare la possibilità di erosione del letto e delle sponde. HEC-RAS ci consente inoltre di realizzare modelli di trasporto solido e modelli di temperatura e/o qualità dell'acqua. Nell'ultima versione attualmente disponibile per il download, la 6.1, è possibile costruire il modello idrologico bidimensionale contemplando la possibilità di inserimento di dati pluviometrici e di infiltrazione al suolo, sulla piana alluvionale, variabili nello spazio e nel tempo.

Riteniamo riduttivo, dunque, definire HEC-RAS un semplice programma di modellazione idraulica. Un modello idraulico è la semplice definizione matematica del comportamento di un flusso attraverso una data sezione o attraverso un tratto di canale. Sappiamo che un modello idrologico descrive invece le relazioni tra la caduta della pioggia e il suo drenaggio in un dato bacino. Tale informazione si traduce in una curva di deflusso, un idrogramma di piena relativo ad una data sezione di verifica. Questo è proprio ciò che fa HEC-RAS.

Direi che HEC-RAS dunque è ben più di un programma di modellazione idraulica, operazione che è senz'altro inclusa tra le sue funzioni, ed assume più la connotazione di un programma di modellazione idrologica in senso lato.

Al di la delle definizioni direi che questo software risulta senz'altro uno strumento molto utile nelle operazioni di definizione della valutazione preliminare del rischio idro-geomorfologico ed in particolare a supporto dello studio di pericolosità che ne costituisce un elemento fondamentale. A seconda che si scelga di lavorare su un modello monodimensionale ovvero bidimensionale, oltre a numerose altre informazioni, avremo la possibilità di ottenere come prodotto di output la definizione delle aree inondabili, per i diversi tempi di ritorno considerati, in base alle quali realizzare le carte di pericolosità alle quali fa riferimento la normativa vigente.

Osservando la produzione cartografica delle diverse autorità di bacino, ad esempio, possiamo imbatterci nelle cartografie relative al PAI, che si riferiscono alla pericolosità da inondazione afferente ad un dato corso d'acqua. In tali cartografie sono delimitate aree associate a tre gradi di pericolosità:

a) P3, pericolosità di grado elevato (alta probabilità di occorrenza), in cui si prevede alluvionamento con tempi di ritorno compresi tra 20 e 50 anni.

b) P2, pericolosità media, per le quali si prevede alluvionamento con tempi di ritorno compresi tra 100 anni e 200 anni.

c) P1, pericolosità bassa, dove la probabilità che si verifichi inondazione è associata a tempi di ritorno molto lunghi.

La cartografia del PAI è proprio uno degli esempi migliori di applicazione dell'uso di programmi tipo HEC-RAS agli studi di definizione della pericolosità da inondazione.

Come scoprire di più su HEC-RAS

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