Modern urbanhydrology

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
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
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
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
Con che cosa ha a che fare l’idrologia urbana
L’infiltrazione diminuisce, mentre il deflusso superficiale aumenta ed accelera
R. Rigon
Cambiamenti

!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
• 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
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
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
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
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
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

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
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
Sistemi di filtrazione
R. Rigon
Nuovi dispositivi “locali”

!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
Trounce Pond, un bacino di ritenzione vegetato aSaskatoon,
Saskatchewan, Canada
R. Rigon
Bacini urbani dimensionati con vari obiettivi

!18
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-sensitive_urban_design
R. Rigon
Bacini di sedimentazione
Un bacino di sedimentazione

!19
STRATIG
TETTO V
STRATIGRAFIA
PAVIMENTAZIONE DRENANTE
R. Rigon
Tetti verdi
STRATIGRAFIA
DI MIGLIORAMENTO: IPOTESI TETTI VERDI E
PAVIMENTAZIONI DRENANTI

!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
https://en.wikipedia.org/wiki/Stormwater
alivellodiunasingolacasa,diun
parcheggio,diunastrada,mirandoad
ungrandenumerodipiccoleazioni
R. Rigon

!22
http://climate-adapt.eea.europa.eu/viewmeasure?ace_measure_id=3311
R. Rigon
Integrazione parchi urbani-gestione delle acque

!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
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
Controllo in tempo reale dei sistemi
idrici/idrologici
R. Rigon
Altre due o tre parole chiave

!26
Gestione e manutenzione continuativa dei
processi
http://www.slideshare.net/sjf_dhi/10-years-coupled-flood-modelling

!27
R. Rigon
Altre due o tre parole chiave
Materiali adatti e nuove tecnologie

Bello, ma come fare ?
Riccardo Rigon
11 Novembre 2015
DaMarcoRanzato,2008
ponte di piave
ronco all’adige

!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
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
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
Coefficienti di afflusso
R. Rigon
L’approccio tradizionale

!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
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
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
IUH
Aggregazione dei deflussi
Onda diffusiva
Pioggia efficace
Jeff
Portata
R. Rigon
L’idrogramma istantaneo unitario

!37
Caratteristiche dell’idrogramma
istantaneo unitario
tempo
Portata
Out[409]=
tempo
precipitazione
R. Rigon
La teoria lineare dei deflussi

!38
istantaneo unitario
tempo
Portata
Out[413]=
tempo
precipitazione
R. Rigon

!39
istantaneo unitario
tempo
Portata
Out[414]=
tempo
precipitazione
R. Rigon

!40
istantaneo unitario
Linearità e Invarianza
tempo
Portata
Out[409]= Out[413]= Out[414]=
+ +
tempo
precipitazione
R. Rigon

!41
istantaneo unitario
Linearità e Invarianza
tempo
tempo
precipitazione
Portata
Out[422]=
tempo
precipitazione
R. Rigon

!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

!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
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
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
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
La portata di picco
IUH(t)
IUH(t - tp)
IUH(t) =IUH(t - tp)
t*
R. Rigon

!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

!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
Primo tentativo
R. Rigon
Se applico il metodo dell’invaso …

!51
metodo dell’invaso e metodo cinematico
Non vanno bene
Ma
R. Rigon
Tuttavia

!52
GIUH - Partizione del bacino in aree
idrologicamente simili
Rinaldo,GeomorphicFloodResearch,2006
R. Rigon
Si può fare di meglio!

!53
=
+ +
+ +
La linearità implica l’IUH complessivo
si ottiene dalla somma dei singoli IUH
R. Rigon

!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

!55
Ma è più complicato da calcolare
serve un modello numerico
R. Rigon
Questo è OK!

!56
Dettagli su
http://abouthydrology.blogspot.it/2015/02/fognature-pluviali.html
R. Rigon
Questo è OK!

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
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
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
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
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
Ma per funzionare in tempo reale
• dovremmo avere un sistema integrato di calcolo.
per non parlare delle vasche di
sollevamento
R. Rigon
Requisiti

!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,

Il passato e il futuro
Riccardo Rigon
11 Novembre 2015
HabubaKabira-4000a.C.

!65
Il sistema fognario di Parigi
R. Rigon
Conclusioni

!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
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

!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
Un ringraziamento agli sponsor
R. Rigon
Ringraziamenti

!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
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

Modern urbanhydrology

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