Integrated water management strategies in river basins : hydraulic risk and ecological value

Rivers have been one of the main resources for the development of civilizations since ancient times, first as a source of livelihood and for agricultural activities and later as a communication route and source of energy. However, the man-river relationship moved from being an equal and symbiotic one, based on the use of resources without degradating the environmental integrity, to one in which man has assumed the total control. Especially over the last century, the race for progress and the demographic boom has led to uncontrolled and unprecedented exploitation of water resources, resulting in quantitative and qualitative impoverishment. The urbanization growth and soil sealing, the construction of dams, mini-hydroelectric plants and bridges have altered the river environment at the hydrological, morphological, and ecological level, increasing the flood risk and worsening the chemical and ecological water quality. In addition to anthropic pressures, there are also those related to climate change. The traditional water management approach has focused above all on the mitigation of hydraulic risk without considering the quality aspects. However, this approach, based on the stormwater conveyance from urban areas as quickly as possible and the channelization of the rivers, did not lead to a significant reduction of flood risk. Since the 2000s, the European Community has adopted the Water Framework Directive and the Floods Directive, in which the river basin is identified as the suitable territorial unit of measurement for the implementation of strategies aimed at mitigating flood risk and improving water quality. New ways of water management include river restoration and Sustainable Urban Drainage Systems (SUDs). The first consists of restoring the typical structures and shapes of natural rivers, and the second of recovering the natural processes involved in the water cycle. These two types of strategies, however, are often used separately and for the unique purpose of hydraulic risk mitigation. The aim of this research is instead to propose an integrated approach of the two strategies, highlighting their ability to mitigate the hydraulic risk at the basin scale and at the same time to improve chemical and ecological water quality and provide ecosystem services, working as multi-objective strategies. The integrated approach is applied to a real case study, the Seveso River Basin, north of Milan, chosen for its historically known criticalities concerning floods and poor environmental and water quality. Results show the effectiveness of the proposed river restoration interventions in hydraulic risk mitigation, with a significant reduction of potentially flooded areas, and improvement of the river ecosystem. However, it is necessary to act also upstream reducing stormwater peak flow rates and volumes discharged to obtain more efficient results. For this purpose, two different stormwater control strategies were investigated. The flow-limited one is based on the imposition of a maximum admissible discharge rate, while the volume-limited one is based on the introduction of retention basins capable of infiltrating into the subsoil. The analysis shows that the volume-limited approach can provide more effective results. SUDs are part of this approach and, among the various types of SUDs, permeable pavements, green roofs, bio-retention areas, rain gardens, and swales have been considered in the present research project. A comparison among the various types of SUDs, aimed at the reduction of discharged stormwater volume, in the case of two different types of natural soil permeability (high and low) shows that permeable pavements and bio-retention areas are the most efficient techniques. SUDs strategies were then applied to the case study, evaluating the effectiveness of reducing peak flows and volumes first, at the municipal level, with permeable pavements, and then, at the neighborhood scale, comparing scenarios that contemplate the use of a single type of SUDs or a combination. In both cases, significant reductions were obtained, up to the complete retention in the case of integrated use of all SUDs types. The analysis of the combined effect of river restoration and SUDs highlights the further decrease in potentially flooded areas that the SUDs interventions, applied to a very small area of the river basin, can determine. Benefits in implementing SUDs and river restoration are not limited to hydraulic risk reduction. Indeed, the same scenarios considered for the neighbourhood scale analysis were compared in terms of removing pollutants and through a cost-benefit analysis. The results confirm that the simultaneous integration of multiple SUDs leads to total pollutants removal and can significantly reduce energy consumption and CO2 emissions in the long term, demonstrating the multi-objective behaviour of these strategies. The contribution of this research consists in the analysis of integrated strategies of river restoration and Sustainable Urban Drainage Systems. The effectiveness was tested by the application to a case study, showing that a significant reduction of the flood risk and a simultaneous improvement of the river ecological and chemical water quality can be achieved. Multiple additional benefits were also identified.

I fiumi hanno rappresentato fin dall’antichità una delle principali risorse per lo sviluppo delle civiltà, dapprima come fonte di sostentamento e per attività agricole e successivamente come via di comunicazione e fonte di energia. Tuttavia, il rapporto uomo-fiume è passato dall’essere un rapporto paritetico e simbiontico, basato sì sull’utilizzo delle risorse ma senza pregiudicarne l’integrità, ad uno in cui l’uomo ha assunto il totale controllo. Soprattutto nel corso dell’ultimo secolo, la corsa al progresso e il boom demografico hanno portato ad uno sfruttamento incontrollato e senza precedenti delle risorse idriche determinandone un impoverimento da un punto di vista quantitativo e qualitativo. La crescita dell’urbanizzazione e il consumo di suolo, la realizzazione di dighe, impianti mini-idroelettrici, ponti e opere di derivazione hanno alterato l’ambiente fluviale a livello idrologico, morfologico ed ecologico, incrementando il flood risk e peggiorando della qualità chimica ed ecologica dell’acqua. Alle pressioni di origine antropica si aggiungono inoltre quelle relative ai cambiamenti climatici. L’approccio tradizionale nella gestione dell’acqua si è concentrato soprattutto sulla mitigazione del rischio idraulico senza considerare l’aspetto relativo alla qualità. Tale approccio, basato sull’allontanamento il più velocemente possibile delle acque dalle proprietà e sulla artificializzazione del corso dei fiumi, non ha determinato tuttavia una riduzione significativa del flood risk. A partire dagli anni 2000, la Comunità Europea ha adottato la Direttiva Acque e la Direttiva Alluvioni, in cui il bacino idrografico viene identificato come la giusta unità di misura territoriale per l’implementazione delle misure volte a mitigare il rischio idraulico e a migliorare la qualità delle acque. Tra le nuove modalità di gestione delle acque figurano la riqualificazione fluviale e i Sistemi di Drenaggio Urbano Sostenibile (SUDs). La prima consiste nel ripristino delle strutture e delle forme tipiche dei fiumi naturali, la seconda nel ripristino dei naturali processi coinvolti nel ciclo idrologico. Queste due tipi di strategie, tuttavia, vengono spesso utilizzate separatamente e al solo scopo di mitigare il rischio idraulico. Scopo della presente ricerca è invece quello di proporre un approccio integrato delle due strategie, evidenziando la capacità di mitigare il rischio idraulico a scala di bacino e nel contempo di migliorare la qualità chimica ed ecologica dell'acqua e di fornire servizi ecosistemici, operando come strategie multi-obiettivo. L'approccio integrato è applicato ad un caso di studio reale, in particolare al bacino del fiume Seveso, a nord di Milano, scelto per le sue criticità storicamente note riguardanti le inondazioni e la scarsa qualità ambientale e delle acque. Gli interventi di riqualificazione fluviale proposti mostrano la loro efficacia in termini di mitigazione del rischio idraulico con una significativa riduzione delle aree potenzialmente allagate e il miglioramento dell'ecosistema fluviale. Tuttavia, per ottenere risultati più efficienti, è necessario agire anche a monte riducendo le portate di picco e i volumi scaricati. A questo scopo sono state studiate due diverse strategie di controllo delle acque meteoriche. Quello flow-limited si basa sull'imposizione di una portata massima ammissibile di scarico, mentre quella volume-limited si basa sull'introduzione di bacini di ritenzione in grado di infiltrare il volume nel sottosuolo. L'analisi mostra che l'approccio volume-limited fornisce risultati più efficaci. I SUDs fanno parte dell'approccio volume-limited e tra le varie tipologie di SUDs esistenti, nel presente progetto di ricerca sono state considerate le pavimentazioni permeabili, i tetti verdi, le aree di bioritenzione, i rain gardens e le aree umide artificiali. Attraverso un'analisi di sensitività sono stati individuati per ciascuna tipologia di SUDs i principali parametri strutturali, tra cui estensione e larghezza degli strati, che influenzano l'efficienza di ritenzione delle acque meteoriche. Successivamente è stato effettuato un confronto tra le varie tipologie di SUDs sulla riduzione del volume delle acque meteoriche scaricate, nel caso di due differenti tipologie di permeabilità naturale del suolo (alta e bassa). I risultati mostrano le pavimentazioni permeabili e le aree di bioritenzione come le tecniche più efficienti. Le strategie SUDs sono state quindi applicate al caso studio, valutando l'efficacia della riduzione dei picchi di flusso e dei volumi prima, a livello comunale, con pavimentazioni permeabili e poi, a scala di quartiere, confrontando scenari che prevedano l'utilizzo di una sola tipologia SUDs o una combinazione delle stesse. In entrambi i casi si sono ottenute riduzioni significative, fino alla completa ritenzione nel caso di utilizzo integrato di tutte le tipologie di SUDs. L'analisi sull'efficacia combinata delle due strategie di riqualificazione fluviale e dei SUDs evidenzia l'ulteriore diminuzione delle aree potenzialmente allagabili che gli interventi dei SUDs, applicati su un'area molto ristretta del bacino idrografico, possono determinare. Infine, gli stessi scenari considerati per la scala di quartiere sono stati confrontati in termini di rimozione degli inquinanti e attraverso un'analisi costi-benefici. I risultati mostrano ancora una volta che l'integrazione di diversi SUDs contemporaneamente porta alla rimozione totale degli inquinanti e può ridurre significativamente il consumo di energia e le emissioni di CO2 a lungo termine, dimostrando il comportamento multi-obiettivo di queste strategie. Il contributo di questa ricerca, quindi, consiste nelle analisi concettuali e nell'applicazione a un caso di studio reale dell'efficacia delle strategie di riqualificazione fluviale e dei Sistemi di Drenaggio Urbano Sostenibile come strategie integrate, riducendo significativamente il rischio di alluvione e migliorando contemporaneamente la qualità ecologica e chimica dell'acqua e fornendo molteplici vantaggi aggiuntivi. Viene inoltre individuata la strategia più efficiente per il controllo delle acque piovane nelle aree urbane e si evidenziano i vantaggi dell'applicazione simultanea di più tipologie di SUDs rispetto all'utilizzo di un'unica tecnica.