Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Modern urbanhydrology

560 views

Published on

This is the presentation given in Trento November 11, 2015 to an audience of professionals working on urban ifrastructures and sponsored by REDI and Betonrossi

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Modern urbanhydrology

  1. 1. Nuovi obiettivi per l’idrologia urbana il problema generale Riccardo Rigon 11 Novembre 2015 UrbanWaterCycle-daMarsaleketal.,2006 3 The urban water cycle provides a good conceptual and unifying basis for studying the water balance (also called the water budget) and conducting water inventories of urban areas. In such studies, the above listed major components of the hydrological cycle are assessed for certain time periods, with durations exceeding the time constants of the system to filter out short-term variability. Water balances are generally conducted on seasonal, annual, or multi-year bases (van de Ven, 1988), and in planning studies, such balances are projected to future planning horizons. This approach is particularly important for urban planning (i.e., providing water services to growing populations) and for coping with extreme weather and climatic variations and potential climate change. In fact, an understanding of water balances is essential for integrated management of urban water, which strives to remediate anthropogenic pressures and impacts by intervention (management) measures, which are applied in the so-called total management of the urban water cycle (Lawrence et al., 1999). Fig. 1.1 Urban water cycle
  2. 2. !2 L’idrologia urbana è quel particolare ramo dell’idrologia che si occupa delle città e dell’interazione dell’idrologia con gli insediamenti umani. Un tempo si diceva anche: delle aree nelle quali l’interferenza delle azioni umane nei processi naturali è elevata: ma oramai è riconosciuto che tali luoghi coprono una parte considerevoli delle terre emerse L’idrologo va in città R. Rigon
  3. 3. !3 Dal 2007 il numero delle persone che vivono nelle aree cittadine ha uguagliato il numero di persone che vivono in campagna. Molte persone vivono in “Megacities” con popolazione di maggiori di 5 milioni di abitanti o piú. L’idrologo va in città R. Rigon
  4. 4. !4 Occuparsi delle città degli insediamenti comporta delle differenze nell’analisi teorica dei processi, nelle misure e nei metodi di calcolo della disciplina. Specificando: un idrologo deve considerare i sistemi naturali accoppiati con sistemi idraulici artificiali e l’azione di suoli eterogenei e “disturbati” MarcoRanzato R. Rigon L’idrologo va in città e un po' anche in campagna
  5. 5. !5 Con che cosa ha a che fare l’idrologia urbana L’infiltrazione diminuisce, mentre il deflusso superficiale aumenta ed accelera R. Rigon Cambiamenti
  6. 6. !6 Un punto di partenza Tutte le attività di pianificazione e sviluppo delle aree urbane, la progettazione di strutture e tutte le attività di gestione dell’acqua dovrebbero prendere in considerazione le condizioni climatologiche locali, le possibili interazioni con le zone rurali circostanti e i corpi idrici principali. https://en.wikipedia.org/wiki/Stormwater R. Rigon Cambiamenti
  7. 7. !7 • L’infiltrazione diminuisce, • mentre il deflusso superficiale aumenta ed accelera • il livello di falda diminuisce per la duplice azione di mancata ricarica e pompaggio • Le precipitazioni cambiano R. Rigon Cambiamenti
  8. 8. !8 Nelle città, non solo il regime idrologico dei fiumi che attraversano la città sono importanti, ma anche i cambiamenti infrastrutturali prodotti dall’uomo. da Novotny, 2001 R. Rigon Cambiamenti e cambiamento climatico
  9. 9. !9 Fig. 4.2 Impacts of urbanisation on the aquatic environment (after Chocat, 1997) 4.4.2 Chemical effects In this section, environmental and ecological problems caused by the pollution of urban wastewater effluents are examined. The individual types of effluents, stormwater, Un insieme di cambiamenti R. Rigon
  10. 10. !10 In una visione ideale, la costruzione di ogni infrastruttura, anche non correlata direttamente all’acqua, le case, le strade, dovrebbe essere basata su una conoscenza, almeno approssimata, dei suoi effetti nella partizione dei flussi d’acqua, e dei danni conseguenti possono essere prodotti sulle altre infrastrutture. !? R. Rigon Una prima sintesi per i progettisti
  11. 11. !11 Water Directive 2000/60/ EC Urban Wastewater treatment Directive Nitrates from agricultural pollutants Directive Energy Production Directive Groundwater Directive Environmental Quality Standards Directive Inspire Directive Flood Directive 2007/60/EC Setting the framework Addressing key pressures Addressing key pressures Extending the scope Providing tools R. Rigon Direttive
  12. 12. !12 Nella prima attuazione delle direttive, queste sono state interpretate come da applicare “su grande scala”: ma non vi è dubbio che le prossime applicazioni andranno ad impattare anche le scale urbane. R. Rigon dispertion long duree MarcoRanzato La complessità dei deflussi idrici
  13. 13. Nuovi obiettivi per l’idrologia urbana il controllo locale Riccardo Rigon 11 Novembre 2015 TannerSpringpark figure 7 Linkages between the urban form and the urban water system Tanner Springs Park has become a much-appreciated place for quiet recreation. Courtesy (© J. Hoyer).72
  14. 14. !14 Le modalità con cui si è risposto a queste esigenze nel corso degli ultimi vent’anni è stato quello di introdurre il concetto di Controllo locale delle sorgenti sia nell’attenuazione delle portate che dell’inquinamento. alivellodiunasingolacasa,diun parcheggio,diunastrada,mirandoad ungrandenumerodipiccoleazioni R. Rigon Nuovi orizzonti di analisi e lavoro
  15. 15. !15 Sistemi di filtrazione R. Rigon Nuovi dispositivi “locali”
  16. 16. !16 “Rain garden” progettati per il trattamento delle acque di prima pioggia nelle adiacenze di un parcheggio (da wikipedia) R. Rigon Nuovi dispositivi “locali”
  17. 17. !17 Trounce Pond, un bacino di ritenzione vegetato aSaskatoon, Saskatchewan, Canada R. Rigon Bacini urbani dimensionati con vari obiettivi
  18. 18. !18 https://en.wikipedia.org/wiki/Water-sensitive_urban_design R. Rigon Bacini di sedimentazione Un bacino di sedimentazione
  19. 19. !19 STRATIG TETTO V STRATIGRAFIA PAVIMENTAZIONE DRENANTE R. Rigon Tetti verdi STRATIGRAFIA DI MIGLIORAMENTO: IPOTESI TETTI VERDI E PAVIMENTAZIONI DRENANTI
  20. 20. !20 Un elenco di dispositivi • invasi • filtri (con o senza piante) • ecosistemi ricostruiti, • zone umide • tetti verdi • punti di percolazione • asfalti permeabili • bacini di sedimentazione e varie combinazioni https://en.wikipedia.org/wiki/Water-sensitive_urban_design https://en.wikipedia.org/wiki/Low-impact_development_(U.S._and_Canada) R. Rigon Gestione integrata delle acque
  21. 21. !21 Gestione integrata delle acque https://en.wikipedia.org/wiki/Stormwater alivellodiunasingolacasa,diun parcheggio,diunastrada,mirandoad ungrandenumerodipiccoleazioni R. Rigon Gestione integrata delle acque
  22. 22. !22 http://climate-adapt.eea.europa.eu/viewmeasure?ace_measure_id=3311 R. Rigon Integrazione parchi urbani-gestione delle acque
  23. 23. !23 Questi dispositivi attenuano le piene (acqua, sedimento, inquinanti) le trattano possibilmente le ri-usano (come acque grigie) R. Rigon Facciamo un breve calcolo: 100 mm di precipitazione su un km2 di area impermeabile danno 100 000 m3 d’acqua cioè sono l’acqua sufficiente per 1830 persone che usino 150 l al giorno Che cosa si ottiene ?
  24. 24. !24 Il nuovo approccio implica azioni che riguardo: • politiche di uso del suolo • la pianificazione urbana • la costruzione degli edifici, • la pianificazione urbana strategica • l’economia, • la legislazione • l’educazione • l’accettazione sociale • il coinvolgimento delle comunità locali R. Rigon Che cosa si intende per una progettazione integrata ?
  25. 25. !25 Controllo in tempo reale dei sistemi idrici/idrologici R. Rigon Altre due o tre parole chiave
  26. 26. !26 Gestione e manutenzione continuativa dei processi http://www.slideshare.net/sjf_dhi/10-years-coupled-flood-modelling
  27. 27. !27 R. Rigon Altre due o tre parole chiave Materiali adatti e nuove tecnologie
  28. 28. Bello, ma come fare ? Riccardo Rigon 11 Novembre 2015 DaMarcoRanzato,2008 ponte di piave ronco all’adige
  29. 29. !29 La risposta idrologica in un bacino Previsione delle precipitazioni Calcolo del deflusso superficiale Aggregazione del deflusso Propagazione del deflusso R. Rigon L’approccio tradizionale: si calcola!
  30. 30. !30 0 50 100 150 0.00.20.40.60.81.0 Precipitazione [mm] P[h] 1h 3h 6h 12h 24h Tr = 10 anni h1 h3 h6 h12 h24 LE PRECIPITAZIONI sono assegnate attraverso le curve di possibilità pluviometrica R. Rigon L’approccio tradizionale alla progettazione
  31. 31. !31 LE PRECIPITAZIONI 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0 6080100120140160 Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica t [ore] h[mm] h(tp, Tr) = a(Tr) tn p Altezza pluviometrica coefficiente locale esponente durata “della precipitazione” R. Rigon L’approccio tradizionale
  32. 32. !32 Coefficienti di afflusso R. Rigon L’approccio tradizionale
  33. 33. !33 La risposta idrologica in un bacino •Supponiamo nota la distribuzione delle precipitazioni e la loro natura •Supponiamo risolto il problema della determinazione del deflusso efficace Aggregazione del deflusso Propagazione del deflusso R. Rigon Di due problemi ce ne siamo liberati facilmente
  34. 34. !34 Durante eventi di piena •L’evapotraspirazione si può ignorare (ciò che è rilevante è incluso nelle condizioni iniziali) •si può semplificare il meccanismo di produzione del deflusso superificiale (e supporre di conoscere il coefficiente di deflusso) •la celerità dell’onda di piena si può tenere (come prima approssimazione) costante •Gran parte dell’idrogramma di piena è spiegata dalla geometria e dalla topologia del bacini (oltre che dalla variabilità spazio-temporale delle precipitazioni) R. Rigon Semplifichiamo
  35. 35. !35 Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH Discutiamo qui di una forma moderna della teoria dell’idrogramma istantaneo unitario Portata alla sezione di chiusura Idrogramma istantaneo unitario Precipitazione efficace R. Rigon Da 80 anni a questa parte …
  36. 36. !36 IUH Aggregazione dei deflussi Onda diffusiva Pioggia efficace Jeff Portata R. Rigon L’idrogramma istantaneo unitario
  37. 37. !37 Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario tempo Portata Out[409]= tempo precipitazione R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  38. 38. !38 Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario tempo Portata Out[413]= tempo precipitazione R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  39. 39. !39 Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario tempo Portata Out[414]= tempo precipitazione R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  40. 40. !40 Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario Linearità e Invarianza tempo Portata Out[409]= Out[413]= Out[414]= + + tempo precipitazione R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  41. 41. !41 Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario Linearità e Invarianza tempo tempo precipitazione Portata Out[422]= tempo precipitazione R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  42. 42. !42 Idrogramma esponenziale IUH(t) = 1 e t/ dove λ e’ un parametro NON determinato apriori ma a posteriori, dopo una operazione di “calibrazione” R. Rigon La teoria lineare dei deflussi
  43. 43. !43 0 1 2 3 4 0.00.20.40.60.81.0 Time [h] DischargeforunitAreaandunitprecipitation durata della precipitazione I volumi di precipitazione efficace crescono con la durata Osservazioni: R. Rigon IUH esponenziale: l’invaso lineare
  44. 44. !44 P[T < t; tc] = t tc 0 < t < tc 1 t tc • tc è detto tempo di corrivazione e il modello idrologico che ne risulta è il modello “cinematico”. R. Rigon La teoria lineare dei deflussi: il cinematica IUH(t) Idrogramma uniforme
  45. 45. !45 0 1 2 3 4 0.00.20.40.60.81.0 Time [h] DischargeforunitAreaandunitprecipitation durata della precipitazione tempo di corrivazione I volumi di precipitazione efficace crescono con la durata con un andamento in accordo alle curve di possibilità pluviometrica Osservazioni: R. Rigon IUH uniforme:il modello cinematica
  46. 46. !46 Il vecchio sistema Calcolo la portata di picco Calcolo la massima portata Inverto le formule di moto uniforme per ottenere la dimensione dei tubi R. Rigon Come li uso per progettare
  47. 47. !47 La portata di picco IUH(t) IUH(t - tp) IUH(t) =IUH(t - tp) t* R. Rigon Come li uso per progettare
  48. 48. !48 La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco come funzione della durata tp nell’equazione: La portata massima t := t⇤ tp Precipitazione Variazione della precipitazione con la durata Ritardo del tempo di picco Area del bacino S-Hydrograph al tempo t* R. Rigon Come li uso per progettare
  49. 49. !49 La progettazione di una fognatura pluviale Il modello viene applicato a tutti i sottobacini, da monte verso valle …. A1 A2 A3 R. Rigon 49 Poi …
  50. 50. !50 Primo tentativo R. Rigon Se applico il metodo dell’invaso …
  51. 51. !51 metodo dell’invaso e metodo cinematico Non vanno bene Ma R. Rigon Tuttavia
  52. 52. !52 GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili Rinaldo,GeomorphicFloodResearch,2006 R. Rigon Si può fare di meglio!
  53. 53. !53 = + + + + La linearità implica l’IUH complessivo si ottiene dalla somma dei singoli IUH R. Rigon Si può fare di meglio!
  54. 54. !54 Il vecchio sistema con un modello afflussi deflussi serio funziona concettualmente come il vecchio sistema Calcolo la portata di picco Calcolo la massima portata Inverto le formule di moto uniforme per ottenere la dimensione dei tubi R. Rigon Si può fare di meglio!
  55. 55. !55 Ma è più complicato da calcolare serve un modello numerico R. Rigon Questo è OK!
  56. 56. !56 Dettagli su http://abouthydrology.blogspot.it/2015/02/fognature-pluviali.html R. Rigon Questo è OK!
  57. 57. Ma basta ? Riccardo Rigon 11 Novembre 2015 Stormwatermanagement,aguideforFloridians 8 and contribute pollutants to these waters. It is important to recognize the connection between our activities on the land within a watershed and the ground water and surface water that flows through it. Everything we do on the land within the watershed ultimately will have an effect on the ment. Watershed management is the integration of land use, infrastructure and water resources throughout an entire watershed. Watershed boundaries rarely correspond to local government boundaries. As a result, coor- or manages its stormwater but others with watershed do not, then flooding and quality problems can still result. Those wh the Watershed Management Team can together and effectively solve problems and m the resources within a watershed.
  58. 58. !58 Non basta ! La gestione integrata, in tempo reale etc. richiede l’utilizzo di un intero modello afflussi-deflussi capace di trattare piogge variabili R. Rigon Requisiti
  59. 59. !59 L’infiltrazione variabile R. Rigon Requisiti 37 C. The Importance of Vegetation Vegetation provides several benefits in managing stormwater (Figure 10). It absorbs the energy of falling rain, preventing erosion, maintains the soil’s capacity to absorb water, promoting infiltration. It slows the velocity of runoff, reducing peak dis- charge rate. Vegetation is especially important in reducing erosion and sedimentation during construction. By phasing and limiting the removal of vegeta- tion, and by decreasing the area that is cleared and limiting the time bare land is exposed to rainfall, sedimentation at construction sites can be reduced by up to 90%. If large areas of land must be cleared at once, those areas upon which construction will not occur within 7 days should be mulched and seeded to provide immediate temporary cover. Special consideration should be given to the maintenance of vegetative cover on areas of high erosion potential, such as erodible soils, steep or long slopes, stormwater convey- ances, and the banks of streams. Stormwater BMPs which use vegetative cover include overland sheet flow, grassed swales and channels, infiltration areas, and grassed discharge or flow areas for roof drainage. All are particu- larly suited to residential, transportation and rec- reational developments, but also can be use in commercial and industrial sites. e l’evaporazione Stormwatermanagement,aguideforFloridians
  60. 60. !60 Questo esiste, anzi esistono molteplici soluzioni Ma se volessimo inserire una vasca di prima pioggia a valle del modello afflussi - deflussi ? R. Rigon Requisiti
  61. 61. !61 Alcuni sistemi molto costosi permettono di farlo concettualmente non è difficile …. il problema è stato risolto molto tempo fa, e di solito, si fa ancora “a mano”, assumendo per questi dispositivi delle portate di progetto • si dimensionano delle paratoie o degli sfioratori, per le immissioni • si dimensionano i volumi dell’invasoA - Sfioratori laterali SCOLMATORI/SCARICATORI DI PIENA Si dimensionano considerando la corrente sulla soglia come gradualmente variata con energia specifica costante t g V hE cos 2 2 =+= α R. Rigon Requisiti
  62. 62. !62 Ma per funzionare in tempo reale • dovremmo avere un sistema integrato di calcolo. per non parlare delle vasche di sollevamento R. Rigon Requisiti
  63. 63. !63 E la qualità ? R. Rigon Requisiti Fig. 4.2 Impacts of urbanisation on the aquatic environment (after Chocat, 1997) 4.4.2 Chemical effects In this section, environmental and ecological problems caused by the pollution of urban wastewater effluents are examined. The individual types of effluents, stormwater,
  64. 64. Il passato e il futuro Riccardo Rigon 11 Novembre 2015 HabubaKabira-4000a.C.
  65. 65. !65 Il sistema fognario di Parigi R. Rigon Conclusioni
  66. 66. !66 E’abbastanza certo Che i sistemi di calcolo tradizionali, basati sul modello di trasporto, non integrato, rimarranno abbastanza a lungo usati nelle città e nei paesi italiani. Tuttavia man mano si dovrà puntare alla gestione integrata delle acque. R. Rigon 1 Conclusioni
  67. 67. !67 I metodi tradizionali di gestione dell’acqua, basati sulla sua rimozione rapida, sono stati sviluppati per i climi umidi con grande disponibilità d’acqua. Oggi invece si va sviluppando l’idea che bisognerebbe trattenerla. E che le acque di prima pioggia dovrebbero essere ripulite e riutilizzate localmente R. Rigon 2 Conclusioni
  68. 68. !68 R. Rigon Conclusioni 3
  69. 69. !69 Per ottenere questi risultati Servono: nuovi materiali e tecnologie nuovi strumenti di calcolo una nuova organizzazione della progettazione che deve includere varie competenze Equità, salvaguardia ambientale, efficienza economica, alto di livello di servizi idrici. R. Rigon Conclusioni 4
  70. 70. !70 Un ringraziamento agli sponsor R. Rigon Ringraziamenti
  71. 71. !71 Trovate questa presentazione su: http://abouthydrology.blogspot.com Ulrici,2000? Altro materiale su Questions ? R. Rigon http://www.slideshare.net/GEOFRAMEcafe/modern-urbanhydrology
  72. 72. !72 Un po’ di bibliografia Berne, A., Delrieu, G., Creutin, J.-D., & Obled, C. (2004). Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology. Journal of Hydrology, 299(3-4), 166–179. http://doi.org/ 10.1016/j.jhydrol.2004.08.002 Delleur, J. W. (2003). The Evolution of Urban Hydrology: Past, Present, and Future. J.of Hydraul. Eng., 129(8), 563–573. Livingston, E. H., & McCaron, E. (2007). STORMWATER MANAGEMENT: a guide fo Floridians (pp. 1–72). U.S. Environmental Protection Agency. Marsalek, J., Jimenez-Cisneros, B. E., Malquist, P. A., Karamouz, M., J, G., & Chocat, B. (2006). Urban water cycle processes and interactions (No. 78) (pp. 1–92). Paris. Niemczynowicz, J. (1999). Urban hydrology and water management ± present and future challenges. Urban Water, 1, 1–14. Ranzato, M., Integrated water design for a decentralized urban landscape, Doctoral School in Environmental Engineering, http://eprints-phd.biblio.unitn.it/560/1/Marco_Ranzato_PhD_thesis.pdf, Trento 2011 Riferimenti bibliografici R. Rigon

×