Flash flood analysis and modelling in mountain regions

RIASSUNTO: “Analisi e modellazione di piene improvvise in zone montane” Le piene improvvise sono fenomeni rari e localizzati, causati da eventi meteorologici caratterizzati da una spiccata variabilità spaziale, con gradienti di precipitazione che possono raggiungere, a scala di evento, i 20-50 mm/km. La conseguenza di ciò è che la comunità scientifica e gli enti operativi interessati nell’analisi dei fenomeni di piena si relazionano quotidianamente con una carenza di dati. Anche una fitta rete di pluviometri non è in grado di rappresentare la variabilità spaziale dei campi di precipitazione associati a fenomeni convettivi che innescano piene improvvise. Le stime di precipitazione ottenute attraverso il radar meteorologico, opportunatamente elaborate, sono in grado di rappresentare i pattern spaziali, ma i valori di volumi di pioggia necessitano di essere validati. Inoltre, per quanto riguarda i dati di portata, la maggior parte dei bacini colpiti da piene improvvise non sono strumentati e gli strumenti, dove presenti, risultano spesso danneggiati, cosicché la conoscenza della distribuzione delle portate al picco, lungo la rete idrologica principale e secondaria, è persino più approssimativa di quella della distribuzione spaziale della precipitazione. Questo studio si prefigge di colmare la distanza tra i dati disponibili e quelli richiesti per un’analisi a scala di evento con riferimento a fenomeni di piena improvvisa. Un’approfondita campagna di rilievi post evento (in inglese Intense Post Event Campaign, IPEC) può risultare estremamente utile per raccogliere le stime di portate al picco e la sequenza cronologica dello svilupparsi della piena in sezioni non monitorate. Modelli idrologici semplificati, dotati di metodi elementari per la separazione dei deflussi e predeterminate velocità di propagazione, possono essere utilizzati per una validazione incrociata tra una descrizione quantitativa della distribuzione di precipitazione ottenuta attraverso il radar meteorologico e le stime di portate al picco raccolte durante un IPEC. Modelli più complessi e dettagliati possono migliorare il livello di conoscenza riguardo fenomeni associati alle piene improvvise, come le colate detritiche. Un altro obiettivo di questa tesi è quello di investigare il ruolo della variabilità spaziale della precipitazione nei fenomeni di piena improvvisa. In primo luogo è necessario impostare una procedura che permetta di caratterizzare tale variabilità all’interno di un particolare bacino idrografico, mettendo in relazione la distribuzione degli apporti meteorici con le modalità di propagazione della piena. In secondo luogo si vuole indagare, attraverso l’applicazione di modelli idrologici semplificati, il ruolo della risoluzione spaziale della precipitazione. A questo fine è necessario separare due aspetti: l’accuratezza della stima dei volumi piovuti a scala di bacino e l’influenza della variabilità spaziale all’interno del bacino stesso. Spesso gli studi che si concentrano sulle dinamiche delle piene improvvise sono rallentati o resi impossibili per il fatto che nessun dato misurato risulta utilizzabile così come disponibile, oppure perchè i dati di partenza non sono ritenuti sufficientemente accurati. Questo lavoro si prefigge di mostrare come sia possibile, partendo dai soli dati esistenti, disponibili o recuperabili, caratterizzati da un certo grado di incertezza, passare attraverso un’elaborazione tramite semplici strumenti statistici e idrologici al fine di ottenere una conoscenza più precisa riguardo passati eventi di piena improvvisa. Si riporta una breve descrizione del contenuto dei capitoli della tesi, che sarà elaborata in lingua inglese. Capitolo 1 “Introduction”. Introduzione alla tematica che comprende una definizione del termine “piena improvvisa”, convenendo sulla necessità di caratterizzare tali eventi in termini di proprietà spazio-temporali. Si nota che, a partire da questa definizione, è possibile classificare una generica piena in un punto di un segmento ai cui estremi ci sono i casi ideali di “piena improvvisa” e “piena a larga scala”. Capitolo 2 “Literature review”. Partendo dalla caratterizzazione spazio temporale si descrivono le caratteristiche tipiche delle piene improvvise nei diversi tipi di clima, si individuano le condizioni meteorologiche in grado di innescare tali fenomeni, quali le celle convettive organizzate in strutture di mesoscala. Si riportano, infine, alcuni esempi di studi in letteratura che mostrano diverse tipologie di approcci e che sono indicativi dell’incertezza in cui si è soliti lavorare quando si approfondiscono questi temi. Capitolo 3 “Materials an methods”. In questo capitolo vengono presentati i principali strumenti comuni a tutte le analisi di fenomeni di piena improvvisa presentati in questa tesi. 3.1 L’utilizzo del radar meteorologico per studiare, dal punto di vista quantitativo, la distribuzione spaziale della precipitazione. Vengono approfondite la modalità di acquisizione del dato, sottolineando le possibili fonti di errore ed i metodi più comuni per ovviare a questi inconvenienti. Viene anche mostrato come l’utilizzo combinato di radar e tradizionali pluviometri renda più completa la caratterizzazione della precipitazione ai fini di un analisi di una piena improvvisa. 3.2 Le indagini post evento, necessarie per raccogliere la maggior documentazione possibile, sono valorizzate al fine di una ricostruzione, anche qualitativa, delle dinamiche caratteristiche di una specifica piena. Queste, attraverso diverse metodologie, devono aiutare a descrivere la struttura spazio temporale della precipitazione e la stima di portata, distribuita lungo la rete idrica, in termini di valore al picco e di tempistica 3.3 L’uso della modellistica idrologica applicata ad una miglior comprensione delle dinamiche a scala di evento. In particolare vengono descritti i due modelli idrologici utilizzati. Il primo, da applicare a larga scala, parte da un input di precipitazione spazialmente distribuito e, attraverso un meccanismo hortoniano di separazione dei deflussi applicato puntualmente, propaga la piena in base a fissate velocità di versante e di canale. Il secondo, da applicare a bacini di piccolissima dimensione, simula i processi di trasporto superficiale e sottosuperficiale integrando le note equazioni di moto uniforme. Capitolo 4 “Analysis of past flash flood events”. Vengono qui presentate alcune analisi di eventi, distinte in tre sezioni. 4.1 Analisi di cinque eventi di piena improvvisa avvenuti in Romania nell’ambito del progetto europeo HYDRATE. Da questo studio risulta che, pur in presenza di scarsi dati provenienti dalle tradizionali fonti di monitoraggio idro-meteorologico, l’informazione proveniente da radar meteorologico e la modellistica idrologica possono aiutare nella ricostruzione delle dinamiche dell’evento preso in considerazione. 4.2 Analisi di una piena improvvisa avvenuta in Slovenia nel settembre 2007 per la quale, attraverso il progetto HYDRATE si è condotta un indagine post evento. La ricchezza di questo approccio, pur dispendioso in termini di tempo, mostra un possibile percorso per recuperare le maggior informazioni possibili per eventi di piena che non sono ricostruibili solo attraverso le normali reti di monitoraggio idrometeorologico. 4.3 Analisi attraverso un modello dettagliato di deflusso superficiale e sottosuperficiale della colata detritica avvenuta in due piccoli sottobacini nella valle del fiume Fella, colpita da una piena improvvisa il 29 agosto 2003. Lo studio consiste essenzialmente nel bilancio di massa liquido e solido durante le diverse fasi dell’evento. Capitolo 5 “Spatial variability in flash flood events”. Questa analisi sulla distribuzione spaziale della precipitazione è stata condotta con le medesime metodologie in due diversi bacini. Gli studi comprendono un primo approfondimento della variabilità spaziale della precipitazione all’interno di sottobacini di diversa estensione: la variabilità è descritta in funzione del reticolo idrografico del bacino preso in considerazione. Successivamente, attraverso un modello idrologico semplificato, si è valutata l’influenza della variabilità spaziale della precipitazione analizzando gli effetti dell’aggregazione spaziale in termini di precipitazione media su bacino e di portata al picco simulata. 5.3 Per l’analisi nel bacino del fiume Fella (FVG), colpito da una piena improvvisa il 29 agosto 2003, si sono scelti dieci sottobacini di dimensione variabile tra i 10.5 e i 623km². 5.4 Nel caso del fiume Cervo (Piemonte) lo studio ha riguardato tre eventi di piena con diversa variabilità spaziale della precipitazione e si è concentrato su quattro sottobacini (tra i 75 e i 983km²). Capitolo 6 “Conclusions”. Vengono riassunte le principali osservazioni ricavate dalle analisi descritte nei due capitoli precedenti e indicazioni per possibili future linee di ricerca.