Il continuo trasferimento dell'acqua sotto forma di vapore all'atmosfera e il successivo ricondensarsi del vapore, che ricade sulla terra come precipitazione, costituisce il ciclo dell'acqua, un fenomeno che si ripete continuamente e che ha come motore l'energia solare. È il sole, infatti, che determina l'evaporazione di notevoli masse idriche dai bacini oceanici e continentali trasferendole nell'atmosfera dove, per effetto di variazioni di pressione e di temperatura, si generano le condizioni necessarie per la condensazione nelle sue diverse forme: pioggia, neve o grandine. Quando riceve tali precipitazioni, la superficie terrestre esplica una funzione separatrice, suddividendo le quantità d'acqua in tre parti: una di queste ritorna direttamente all'atmosfera per evaporazione e per traspirazione della copertura vegetale; una seconda parte, detta ruscellamento superficiale, resta al di sopra della superficie e su di essa si sposta sino a raggiungere i bacini oceanici e continentali, sotto forma di torrenti e fiumi; la terza infine penetra nel sottosuolo ed è chiamata infiltrazione.
Lo studio delle precipitazioni da un punto di vista quantitativo e della loro distribuzione temporale e geografica rientra nel campo della meteorologia, così come tutti i fenomeni di evaporazione e condensazione. Le leggi fisiche secondo le quali le acque meteoriche s'infiltrano nel sottosuolo e si spostano nelle rocce che lo compongono riguardano l'idraulica e la fisica, mentre l'idrologia si occupa prevalentemente degli spostamenti delle acque superficiali e delle leggi che li governano nel loro intorno geomorfologico. Attorno a queste discipline assume un ruolo di notevole importanza anche la geologia, che studia le caratteristiche delle rocce che costituiscono il suolo ed il sottosuolo; sono la natura e la morfologia di questi materiali infatti a determinare la suddivisione delle precipitazioni in ruscellamento superficiale ed infiltrazione.
Il comportamento di un corso d'acqua è quindi strettamente legato al clima del bacino idrografico a cui appartiene e alle sue caratteristiche geologiche e morfologiche, cioè alla natura dei suoli. Durante un evento di pioggia, quando viene raggiunta la capacità di ritenzione massima del suolo, le acque di precipitazione ruscellano sui pendii del bacino concentrandosi nei torrenti e nei fiumi in un tempo più o meno lungo. Questo tempo varia in funzione di due parametri essenziali: la topografia del bacino e l'utilizzazione del suolo. Infatti, il ruscellamento è più rapido in presenza di versanti a maggior pendenza e le capacità di infiltrazione nel terreno sono ridotte in funzione delle differenti pratiche agricole o dell'impermeabilizzazione del suolo, come per esempio nelle aree urbanizzate.
Attraverso l'impiego delle moderne tecnologie informatiche è possibile creare dei modelli che, opportunamente tarati sulla porzione di territorio che si intende studiare, siano in grado di rappresentare la complessità di questi fenomeni. Molto schematicamente un modello è rappresentabile come un sistema all'interno del quale sono contenute tutte le informazioni che caratterizzano un determinato bacino (topografia, geologia, uso del suolo, ecc.) e le leggi fisiche che governano il moto dell'acqua. Definite le caratteristiche del sistema, si inseriscono i dati in ingresso, cioè le precipitazioni previste in una determinata area, e si ottengono quelli che sono i valori in uscita, ovverosia le portate attese in determinate sezioni dei corsi d'acqua del bacino al variare del tempo. Modelli complessi di questo genere possono rivelarsi indispensabili nel caso di eventi meteorologici eccezionali per descrivere i potenziali scenari di esondazione dei corsi d'acqua di un reticolo idrografico.
A livello europeo, l'Istituto Idraulico Danese, in collaborazione con istituti di ricerca privati, ha messo a punto una serie di modelli di simulazione adattabili a differenti realtà. Il MIKE 11 FLOOD WATCH, ad esempio, è un sistema di monitoraggio e rielaborazione dei dati installato presso la Sala Situazione Rischi Naturali della Regione Piemonte: esso è in grado di ricevere in tempo reale le informazioni su precipitazioni, temperature e livelli idrometrici registrate da più di centocinquanta stazioni idro-meteorologiche. La serie di dati raccolta viene utilizzata dal modello, che è così in grado di fornire la previsione sui livelli idrometrici in alcune sezioni di riferimento dei principali corsi d'acqua della regione. Tale previsione risulta sicuramente preziosa ed indispensabile per assumere qualsiasi decisione a livello di protezione civile.
Un'altra finalità che si intende perseguire nel momento in cui si decide si effettuare uno studio di bacino di un corso d'acqua mediante la realizzazione di un modello è quella più strettamente legata alla costruzione di opere di difesa. Infatti, è possibile mediante l'ausilio delle elaborazioni numeriche simulare le conseguenze indotte sul corso d'acqua dalla costruzione di una determinata opera idraulica oppure verificare gli impatti generati da alcune opere esistenti (ponti o manufatti che interferiscono con il fiume) in concomitanza a determinati scenari di piena.
Non sempre però i modelli di calcolo sono in grado fornire informazioni precise, soprattutto ad una scala di dettaglio ridotta, ed è per questo motivo che, in casi particolari, come ad esempio per la costruzione di grandi impianti idroelettrici o comunque di infrastrutture che possono interessare e modificare notevolmente le aree di pertinenza fluviale, vengono realizzati dei modelli fisici in laboratorio in grado di riprodurre, in scala, il tratto di fiume o di torrente che si intende analizzare con le opere che dovranno essere costruite.
L'analisi del comportamento e dell'influenza che le opere in scala ridotta hanno nei confronti del corso d'acqua riprodotto in laboratorio consente di effettuare una prima verifica sugli aspetti legati a fenomeni di erosione e di deposito di materiale e sui comportamenti idraulici indotti dalla realizzazione degli stessi manufatti ed è fondamentale per affrontare una scelta tra diverse possibili soluzioni progettuali.
STUDIO SULLA DORA BALTEA
A seguito dell'evento alluvionale dell'ottobre 2000, l'Autorità di Bacino del Fiume Po in collaborazione con la Regione Valle d'Aosta e la Regione Piemonte ha promosso un'attività di studio rivolta alla formazione di nuova conoscenza sul sistema idrografico del fiume Dora Baltea nel tratto compreso tra Aymavilles e la confluenza nel Po. La prima parte dello studio costituisce, oltre al supporto per le elaborazioni idrauliche e la progettazione, l'impianto del sistema di monitoraggio (sulla morfologia, sull'idrologia, sulle opere idrauliche e sull'uso del suolo), sul reticolo idrografico principale, la cui attuazione è definita dal Piano per l'Assetto Idrogeologico (PAI). La seconda parte trasforma le linee di intervento indicate nel PAI in progetti di fattibilità delle opere idrauliche, oltre che in prescrizioni ed indirizzi da attuarsi attraverso il processo di programmazione dettato dal PAI stesso.
Le attività sono suddivise in quattro ambiti di lavoro:
1. Indagini sul campo e analisi conoscitive: riguardano le indagini di caratterizzazione del sistema fluviale relative agli aspetti plano-altimetrici, alle opere idrauliche (traverse fluviali, ponti e sistemazioni di sponda), alle caratteristiche geomorfologiche, alle condizioni di uso del suolo.
2. Analisi idrologiche ed idrauliche: per la parte idrologica l'attività riguarda gli approfondimenti sulla determinazione delle portate di piena del fiume, delle onde di piena e dei volumi in gioco, in relazione alle esigenze dell'assetto di progetto del sistema fluviale. Per la parte idraulica gli approfondimenti, sulla base delle nuove informazioni relative alle geometria dell'alveo e delle opere idrauliche, fanno riferimento ai profili di piena caratteristici in funzione delle diverse condizioni di regime idrologico e alle valutazioni sul trasporto solido. Al fine di ottenere queste informazioni è necessario definire i valori delle piene di riferimento (piene centennali, duecentennali e cinquecentennali) e l'analisi di tipo idraulico mediante opportuni modelli matematici, con la valutazione sul trasporto solido lungo l'asta della Dora Baltea e sull'apporto idrico degli affluenti minori.
3. Quadro d'insieme: riguarda la sintesi dell'assetto del corso d'acqua nelle attuali condizioni, con riferimento alle caratteristiche delle condizioni di criticità rispetto alla sicurezza idraulica e all'assetto ecologico del sistema fluviale.
4. Piano di sistemazione e progettazione degli interventi: le attività concernono la definizione dettagliata dell'assetto del progetto dell'asta fluviale in studio a scala d'insieme, con l'individuazione degli schemi di funzionamento idraulico. Rispetto allo schema generale sono inoltre sviluppati a livello di fattibilità gli interventi strutturali di adeguamento.
Attualmente l'Autorità di Bacino del Fiume Po e le due regioni coinvolte sono in attesa dei risultati che il modello idraulico e lo studio sulla Dora Baltea sarà in grado di fornire. Nei prossimi numeri della rivista presenteremo le linee essenziali di questi risultati.
La modellistica fluviale
Un corso d'acqua naturale è composto, generalmente, da uno o più canali principali, deputati allo smaltimento delle portate ordinarie e delle portate di morbida (massime stagionali al momento dello scioglimento delle nevi), e da un sistema di golene laterali, ovverosia aree normalmente asciutte ma inondate nel caso di fenomeni di piena di una certa entità.
Oltre alle golene, che fanno intrinsecamente parte del fiume, per la corretta rappresentazione dell'idraulica di un sistema fluviale bisogna prendere in considerazione le aree di esondazione esterne all'alveo, cioè tutte quelle aree poste al di là degli argini, che vengono inondate da eventi eccezionali e che concorrono alla laminazione della piena (cioè alla sua espansione nelle aree di quota poco superiore agli argini) lungo il tragitto da monte verso valle.
Si può comprendere, quindi, come la complessità di un sistema di tipo fluviale comporti non pochi problemi nell'elaborazione e costruzione di un modello numerico, cioè un modello matematico che, attraverso le potenzialità e rapidità di calcolo dei moderni elaboratori, sia in grado di rappresentare il comportamento e la variazione dei parametri caratteristici di un determinato corso d'acqua nella porzione di territorio che attraversa, quali: velocità della corrente, portata di deflusso (liquida e solida), tirante idrico (altezza d'acqua rispetto al fondo dell'alveo), ecc.
Facendo un rapido excursus sui diversi modelli matematici, sicuramente il più semplice è quello del moto uniforme (modello stazionario), adatto a rappresentare il deflusso in un canale con sezione che si mantiene costante lungo il suo sviluppo. In questa particolare schematizzazione, il valore della portata che defluisce nel corso d'acqua varia in funzione della pendenza del fondo, del tirante idrico, delle caratteristiche geometriche della sezione del canale e di un parametro di scabrezza che dipende dalla tipologia di corso d'acqua a seconda della maggiore o minore presenza di vegetazione e massi sul fondo dell'alveo.
Tuttavia, per sua stessa natura, si osserva che il modello di moto uniforme, considerando la costanza nello spazio e nel tempo delle caratteristiche geometriche ed idrauliche del moto, pur rappresentando la base dello studio dell'idraulica, non consente di analizzare il fenomeno di laminazione in alveo, ovverosia la variazione della portata e dei livelli idrici in funzione della capacità del corso d'acqua e delle aree golenali di trattenere parte del volume d'acqua.
L'approccio del moto uniforme, utilizzato per anni come base per la progettazione delle difese spondali di un corso d'acqua, è comunque apprezzato dai professionisti per una relativa semplicità di calcolo e per il fatto che porta alla definizione dei valori cautelativi di portata che permettono di definire i parametri di progetto con un buon margine di sicurezza.
Se si intende, però, procedere mediante un'analisi più rigorosa e quindi in grado di descrivere meglio i fenomeni naturali che si osservano nell'alveo, come ad esempio il passaggio di un'onda di piena, che comporta una variazione in una determinata sezione della portata del fiume, oppure il fenomeno della laminazione appena descritto, è necessario utilizzare un modello matematico più complesso: il modello non-stazionario. Dal punto di vista prettamente matematico esso è composto da un sistema a due equazioni (equazioni di continuità ed equazione del moto) che stanno a rappresentare la variabilità temporale del deflusso e degli altri parametri in gioco.
Nella costruzione del modello si deve porre particolare attenzione alla descrizione delle caratteristiche dell'alveo fluviale e del terreno per rappresentare al meglio tutte le singolarità geometriche quali argini, rilevati, grossi massi, aree depresse, ponti, traverse fluviali ed in genere tutte quelle opere che interferiscono con il fiume (strade, ferrovie). Grazie allo sviluppo della tecnologia topografica nei recenti anni, è possibile ora effettuare rilievi delle aree oggetto di studio sempre più accurati e precisi. Mediante l'utilizzo del GPS si può, infatti, rappresentare la batimetria (profondità) di consistenti pozioni di alveo fluviale e, con l'ausilio del laser montato su aeroplano, la costruzione di un modello digitale del terreno delle aree golenali del fiume risulta notevolmente semplificata.
Effettuato il rilievo particolareggiato della porzione del territorio che si intende studiare è necessario trasferire le informazioni sull'elaboratore: il terreno viene quindi sintetizzato sul calcolatore mediante una griglia di calcolo composta da maglie in grado di rappresentare adeguatamente il flusso della corrente del fiume. Negli usuali campi di applicazione italiani, la singola cella di calcolo rappresenta una porzione di territorio compresa tra i 4 e i 10 m.
Costruito il modello del terreno sugli elaboratori elettronici, mediante la soluzione numerica delle equazioni che caratterizzano il modello si calcolano quindi i parametri caratteristici relativi a ciascuna cella elementare e si trasferiscono, su opportuno supporto cartografico, i diversi valori calcolati nelle differenti porzioni di territorio.