Biscarini, Chiara (2006) Analisi di rischio idrogeologico in area costiera. [Tesi di dottorato] (Unpublished)

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Item Type: Tesi di dottorato
Language: Italiano
Title: Analisi di rischio idrogeologico in area costiera
Creators:
CreatorsEmail
Biscarini, ChiaraUNSPECIFIED
Date: 2006
Date Type: Publication
Number of Pages: 315
Institution: Università degli Studi di Napoli Federico II
Department: Scienze della Terra
PHD name: Scienze e ingegneria del mare
PHD cycle: 17
PHD Coordinator:
nameemail
D'Argenio, BrunoUNSPECIFIED
Tutor:
nameemail
Di Natale, MicheleUNSPECIFIED
Date: 2006
Number of Pages: 315
Uncontrolled Keywords: Rischio idrogeologico, Onde generate da frane, Modello matematico Navier Stokes
MIUR S.S.D.: Area 04 - Scienze della terra > GEO/02 - Geologia stratigrafica e sedimentologica
Area 04 - Scienze della terra > GEO/12 - Oceanografia e fisica dell'atmosfera
Area 04 - Scienze della terra > GEO/04 - Geografia fisica e geomorfologia
Area 01 - Scienze matematiche e informatiche > MAT/08 - Analisi numerica
Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/01 - Idraulica
Area 05 - Scienze biologiche > BIO/07 - Ecologia
Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/02 - Costruzioni idrauliche e marittime e idrologia
Area 05 - Scienze biologiche > BIO/05 - Zoologia
Date Deposited: 30 Jul 2008
Last Modified: 29 Oct 2014 14:06
URI: http://www.fedoa.unina.it/id/eprint/1074

Abstract

Negli ultimi decenni le molteplici problematiche connesse ai rischi naturali, in particolare quelle relative alle catastrofi idrogeologiche, sono state oggetto di crescente interesse da parte non solo della comunità scientifica ma anche delle pubbliche amministrazioni competenti. In conseguenza dell’alto impatto causato da tali fenomeni ed in seguito a tragici eventi, si è dato avvio ad un’analisi conoscitiva di rischio su tutto il territorio nazionale con lo scopo di giungere ad una sua mitigazione attraverso azioni di prevenzione e previsione. Il presente lavoro di tesi, che si inserisce in questo contesto, riguarda l'analisi delle problematiche connesse ad eventi alluvionali in zona costiera e si suddivide in sei sezioni principali relative ad analisi di rischio attuale e potenziale. Le metodologie e i modelli descritti sono stati sviluppati e applicati alla zona costiera di Vietri sul Mare in riferimento all'alluvione dell'ottobre 1954 e si inseriscono in un ampio lavoro di ricerca, effettuato nel corso dei tre anni di dottorato in collaborazione con l’Istituto per l’Ambiente marino Costiero IAMC e la Facoltà di Ingegneria della II Università di Napoli. Nella parte introduttiva è illustrata l’importanza di un'analisi scientifica approfondita delle condizioni di rischio delle zone costiere italiane con l'intento di elaborare modelli numerici e sperimentali che ne permettano la prevenzione e la mitigazione. A questo proposito, vengono introdotti e illustrati i concetti fondamentale per la trattazione: il rischio, il pericolo e il danno in relazione ad eventi naturali calamitosi. Per molto tempo, l’approccio tradizionale al problema si è basato su una valutazione ex-post del danno prodotto a seguito di eventi reali (danno attuale). Tale metodo, basato sull’esame e registrazione delle conseguenze dell’inondazione dopo l’evento, presenta tuttavia vari limiti. Infatti la registrazione accurata dei danni a posteriori è difficoltosa e soggettiva. Inoltre, la valutazione di misure per la mitigazione della piena non è normalmente possibile valutando un singolo evento, essendo esclusa la possibilità di produrre dati per progetti che prevedano protezione da eventi di maggiore entità. Negli ultimi anni, si è andata quindi affermando l’esigenza di una valutazione ex-ante dei danni, basata cioè sul valore atteso del danno (danno potenziale) per eventi di assegnata probabilità di accadimento, che sia di supporto alla fase decisionale in numerosi campi applicativi, dalla pianificazione territoriale, alla protezione civile fino alla progettazione di misure strutturali di mitigazione. Tale metodologia non fa affidamento sulla necessità di un evento calamitoso ed è quindi applicabile in maniera generale a qualsiasi area, incluse quelle in cui l’evento non è mai avvenuto. L’analisi ex-post è comunque necessaria per l’assunzione di dati sotto forma di dati standard. Alla luce dei concetti introdotti, si illustrano i possibili approcci individuati e sviluppati in collaborazione nel corso del dottorato di ricerca per lo studio di un fenomeno di questo tipo (storico-archivistico, geologico-geofisico, idrologico-idraulico sia numerico che sperimentale). L’Analisi ex post (danno attuale) comprende: La parte relativa alla ricostruzione dell'evento alluvionale tramite rilievi geologici della fascia costiera con informazioni riguardanti i settori emersi e le prospicienti aree marine. E’ quindi illustrata la metodologia per l’utilizzo delle indagini effettuate a terra al fine di ricostruire dettagliatamente i caratteri geologici strutturali del substrato e delle relative coperture recenti e dei rilievi nell’offshore per ricostruire la sequenza deposizionale presente nelle aree marine. Ciò è stato possibile, nel caso di studio realizzato e illustrato in seguito, grazie a metodologie geofisiche (sismoacustici, batimetrici e sidescan sonar) e prelievi di campioni di fondo e sottofondo. Tale approccio integrato consente di tracciare l’evento alluvionale nelle zone di offshore attraverso il riconoscimento dei depositi e strutture ricollegabili a flussi iperpicnali la cui origine risiede nel materiale alluvionale recapitato alla foce. La parte di analisi sistematica delle fonti storiche nella quale vengono illustrate le tecniche utilizzate per il trattamento dei dati storici provenienti da diverse fonti: tecnico – scientifiche, monografie, notizie di quotidiani, periodici, provvedimenti legislativi, atti amministrativi, testimonianze dirette e fonti fotografiche provenienti da collezioni pubbliche e private, la cui analisi ha consentito la ricostruzione della dinamica degli eventi storici in relazione ai danni prodotti ed agli effetti sul territorio. Per la raccolta dati, generalmente successiva ad una fase di catalogazione ed archiviazione (definizione di schede di censimento, ecc.), è stata sviluppato un database su supporto informatico, in maniera tale da rendere facile la gestione, la consultazione e l’aggiornamento dei dati e da consentire un rapido confronto con i risultati di nuovi rilievi svolti contestualmente allo studio presente. La banca dati è formata mediante apposito modello organizzativo per la sua gestione e impiega metodologie informatizzate di archiviazione e organizzazione. Parallelamente si è messa a punto una tecnica per la costruzione di un database relazionale legato ad una base cartografica georeferenziata, sulla base di uno studio dettagliato del territorio dal punto di vista della destinazione d'uso e della pianificazione. I risultati relativi all’analisi ex post sono utilizzati per tarare i modelli numerici necessari all’analisi ex ante (danno potenziale). In questo contesto si è dato rilievo ad una parte relativa al rischio idraulico – idrologico con modello idrologico di tipo afflussi-deflussi per la simulazione dell'idrogramma di piena. L’analisi idrologica è finalizzata alla valutazione delle portate di piena di assegnata probabilità di accadimento (sintetizzata nel parametro tempo di ritorno), indispensabili ai fini della modellazione idraulica per la valutazione degli effetti sul territorio di eventi esondativi.. L'analisi idraulica è finalizzata alla valutazione dei valori del tirante idrico corrispondente alle portate di assegnata probabilità di accadimento e, più in dettaglio, ad una descrizione accurata del campo di flusso, mediante perimetrazione delle aree inondabili. L’analisi deve quindi fornire indicazioni circa la compatibilità idraulica delle sezioni naturali o artificiali e l’entità dei fenomeni di esondazione conseguenti alle portate di riferimento Le grandezze necessarie per descrivere l’intensità di piena e i danni da questa direttamente provocati sui beni materiali presenti sono molteplici: altezza locale massima raggiunta dall’acqua, velocità locale, erosione, trasporto e deposizione di materiale solido, rapidità di comparsa del fenomeno, sua durata e momento in cui si verifica, particolarità delle situazioni locali e delle circostanze che possono aumentare o diminuire anche considerevolmente i danni (efficacia di sistemi approntati, possibilità di spostare materiali o mezzi, ecc.). Allo stato attuale delle conoscenze risulta tuttavia molto difficile stimare in modo attendibile tutti questi dati, come resta difficile stimare il valore economico dei beni e la loro percentuale di danneggiamento e addirittura impossibile prevedere, se non in modo generico, le circostanze ed i periodi di accadimento delle piene. Viene pertanto assunto che sia possibile utilizzare una sola grandezza (quella maggiormente significativa) per descrivere l’intensità di una piena. Tipicamente una grandezza che può essere utilizzata è la profondità massima localmente raggiunta dall’acqua. Questa semplificazione presenta certamente dei limiti, ma consente la realizzazione di una procedura applicabile e relativamente poco onerosa per stabilire la danneggiabilità degli oggetti presenti sul territorio. Nell’ultima parte della tesi è trattata in maniera dettagliata, vista l’originalità dell’argomento, la modellazione dell'onda generata dall'impatto del misto acqua fluviale/massa detritica con il mare. Quest’ultimo fenomeno può essere simulato schemitazzando il misto acqua fluviale/massa detritica come un fluido pesante e studiando la formazione e la propagazione dell'onda che si genera a seguito dell’impatto. Recenti risultati presenti in letteratura mostrano come i modelli semplificati tipo “1D shallow water equation”, molto diffusi nelle applicazioni idrauliche, non siano adeguati per cogliere alcuni aspetti importanti del fenomeno, come, ad esempio, nel caso dell’onda generata da frane sottomarine, in cui l’altezza viene sottostimata. In questi casi è quindi necessario risolvere numericamente le equazioni di Navier-Stokes. Recentemente sono stati utilizzati per problemi idraulici modelli di simulazione 2D/3D comunemente utilizzati nella fluidodinamica ed aerodinamica e basati sulla risoluzione numerica delle equazioni complete di Navier-Stokes, con tecniche di discretizzazione spaziale ai volumi finiti o agli elementi finiti. L'utilizzo della modellistica 2D/3D nell'idraulica è particolarmente innovativa e sta raccogliendo molto interesse nell'ambiente scientifico-idraulico, anche grazie alle attuali tecnologie computazionali che hanno permesso di ridurre notevolmente i tempi di calcolo dei codici CFD (Computational Fluid Dynamics) per simulare flussi multifase e multicomponente. Questo tipo di modelli è adatto a simulare fenomeni transitori molto rapidi ed è perciò applicabile alla simulazione di eventi di generazione e propagazione di un’onda d’acqua. Le risorse computazionali richieste sono molto alte perché l’integrazione nel tempo è effettuata per intervalli temporali molto piccoli (10-3 - 10-6 secondi). Il fenomeno risulta, dunque, di grande complessità, essendo caratterizzato dalla presenza e dall’interazione di tre o più fluidi (multicomponente) in due fasi (multifase): acqua di mare, aria, misto acqua fluviale/massa detritica. Il modello scelto, perché efficiente per le esigenze del calcolo del problema in questione, è il VOF (“Volume Of Fluid”), che permette di simulare due o più fluidi non miscibili fra loro: in quei casi l’interfaccia fra i fluidi è un’incognita aggiuntiva del problema fluidodinamico. Il VOF associato alla risoluzione delle equazioni di conservazione con tecnica ai volumi finiti permette di modellare due o più fluidi non miscibili attraverso il tracciamento, con un’equazione di trasporto aggiuntiva, della frazione di volume di ognuno dei due fluidi attraverso l’intero dominio. Nel caso specifico, si ottiene una linea/superficie di interfaccia tra due zone omogenee e le onde generate che procedono nel dominio fluido saranno calcolate come “increspatura” nella zona di interfaccia fra le due fasi. La formulazione VOF permette, inoltre, di considerare gli effetti della tensione superficiale lungo l’interfaccia. Il modello è stata validato attraverso la simulazione 3D di un E’ stato necessario procedere con una validazione del modello di calcolo che è uno step necessario nello sviluppo del modello stesso, per stabilirne la validità e l’accuratezza. La cieca accettazione di risultati ottenuti con un modello numerico, infatti, non è una base adatta per prendere decisioni su fattori di rischio, soprattutto nel caso in cui non si tratti solo di rischio finanziario ma anche e soprattutto di rischio di vite umane, come nel caso di modelli utilizzati per la ricostruzione di scenari di rischi naturali. Per validare l’analisi fluidodinamica si fa riferimento ad esempi reperiti in letteratura, in particolare alle analisi sperimentali svolte presso il laboratorio VAW di Idraulica, Idrologia e Glaceologia, ed al caso di studio del mega-tsunami del 1958 nella baia di Litura. Le metodologie sviluppate per l’analisi di rischio descritta sono state applicate al caso di studio di Vietri sul Mare, facendo riferimento, per quanto riguarda il rischio calcolato a posteriori (ex ante), all'alluvione dell'ottobre 1954 di Vietri sul Mare. L’evento alluvionale del 25-26 ottobre 1954, caratterizzato da precipitazioni eccezionali concentrate in poche ore, ha investito un‘area di più di 500 km2 Per completezza di analisi e vastità di documentazione il lavoro può essere considerato un “case history”. Infatti la stessa tipologia di evento alluvionale e i conseguenti dissesti si sono verificati in molte località della Costiera Amalfitana con caratteristiche geologiche e geomorfologiche del tutto simili a quelle riscontrate a Vietri sul Mare e possono verificarsi in zone costiere con caratteristiche simili. Il rischio potenziale (ex-post) è valutato invece simulando delle situazioni di possibile rischio idraulico con modello idrologico di tipo afflussi-deflussi per la simulazione dell'idrogramma di piena e l’onda generata dall'impatto dell’ acqua fluviale/massa detritica con il mare. A questo proposito occorre considerare che i modelli CFD sviluppati e validati richiedono tempi di calcolo elevati (almeno 5-6 ordini di grandezza superiore ai tempi reali) e che quindi la tecnica è applicabile a modelli in scala ridotta. L’analisi è, dunque, completata con una simulazione del fenomeno di generazione dell’onda a Vietri sul Mare in scala ridotta e con un’estensione, attraverso la similitudine dinamica, al caso reale.

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