2.3.3
Rappresentazione
delle aree inondabili
Risultato della simulazione idraulica è
la valutazione del tirante idrico in corrispondenza di ciascuna delle sezioni di
calcolo e per ognuna delle probabilità di accadimento (tempo di ritorno) di
interesse. Tale grandezza, benché essenziale per lo studio presente, non può
ritenersi esaustiva ai fini della completa conoscenza del campo di moto.
Ciò costituisce il limite principale dei
codici di calcolo monodimensionale, che forniscono una rappresentazione generale
delle aree di inondazione non rispondente alle effettive caratteristiche
morfologiche del tratto di studio (Fig. 9).
Fig.
9 - Rappresentazione delle aree inondate ottenuta dalla simulazione idraulica
La rappresentazione che si ottiene
risulta quindi poco realistica e non adatta alla costruzione di una cartografia
delle aree di inondazione.
A tal fine dovranno quindi essere
impiegati codici di calcolo bidimensionali (Mike 21, HEC-GEORAS,
ecc) o procedure di post-elaborazione costruite ad hoc.
I risultati principali della elaborazione
consistono nella perimetrazione delle aree inondabili associate ai vari tempi di
ritorno, fino alla rappresentazione della superficie dell’acqua secondo
approcci che possono essere così sintetizzati:
1)
Modello a isotiranti
2)
Modello raster.
Il primo approccio prevede la
suddivisione della superficie interessata in poligoni caratterizzati da egual
valore dell’altezza raggiunta dall’acqua (isotiranti).
Nella determinazione di tali poligoni e nella scelta delle classi di altezza da
utilizzare per descrivere in maniera discreta l’intensità della piena è
necessario tenere conto che il fenomeno deve essere descritto con un dettaglio
che sia simile a quello disponibile per la descrizione della danneggiabilità
degli oggetti presenti sul territorio e coinvolti dalla piena.
Questo modello, che verrà in seguito
indicato come modello a isotiranti e
brevemente descritto al paragrafo 2.3.3, viene messo a confronto con una nuova
procedura per la stima dei danni da inondazione indicata come modello raster
che sarà descritta nel dettaglio.
La procedura di rasterizzazione fornisce
in output una descrizione continua e con dettaglio dell’ordine del passo della
cella, sia in termini di altezza dell’acqua che di
vulnerabilità del territorio interessato dall’inondazione.
Poiché entrambi i modelli sono
implementati con l’ausilio di tecnologie G.I.S. (Geographical Information
System), sulle cui caratteristiche di dettaglio si rimanda alla letteratura
specializzata, si accenna in modo sintetico alle principali caratteristiche e
potenzialità dei Sistemi Informativi Geografici.
Il G.I.S. è un sistema informativo per l’acquisizione,
l’immagazzinamento, l’analisi e la visualizzazione di dati geografici. Benché
il G.I.S. possa essere visto come un unico sistema, esso si compone in realtà
di diverse parti tra loro connesse in modo funzionale (Fig. 10). Allo
scopo di rappresentare e gestire le informazioni spaziali mediante un GIS, è
necessario utilizzare una rappresentazione dei dati che sia sganciata dalla
realtà fisica; questo viene realizzato definendo un modello dei dati che sia
abbastanza ampio da accogliere al suo interno tutti gli oggetti che esistono nel
mondo fisico (aree, linee, punti, quote, ecc.) e che sia sufficientemente
elastico da permettere di adattarlo a tutte le combinazioni che effettivamente
occorrono nella realtà.
Rispetto ad una rappresentazione puramente geometrica degli oggetti
presenti nella realtà, ad un GIS viene richiesto di mantenere e gestire tutte
le informazioni che riguardano le mutue relazioni spaziali tra i diversi
elementi, come la connessione, l’adiacenza o l’inclusione, cioè di
strutturare i dati definendone anche la topologia.
Fig.10 - Componenti software tipici di un G.I.S.
Caratteristica fondamentale del GIS è la sua capacità di
georeferenziare i dati; ovvero di attribuire ad ogni elemento le sue coordinate
spaziali reali.
Nel formato vettoriale i
confini o il percorso degli elementi sono definiti attraverso una serie di punti
che, se uniti con tratti rettilinei, individuano la rappresentazione grafica di
quella forma.
Nei sistemi raster
(fig. 11b), la rappresentazione geografica degli oggetti e gli attributi che
essi posseggono sono fusi in file-dati unificato. In questo caso, infatti, non
si parla più di oggetti, ma piuttosto l’area di studio è suddivisa in una
griglia di celle a passo definibile, in ciascuna delle quali è memorizzata la
condizione o attributo della superficie in quel punto. Ad ogni cella è pertanto
assegnato un numero che può rappresentare un identificatore dell’oggetto, un
codice di attributo qualitativo o un valore di attributo quantitativo.
Ogni grid di celle può essere visto come immagine di una copertura
dell’area di studio, ovvero come un layer che immagazzina un determinato tipo
di informazioni dell’area mappata. Tipici dati raster sono quelli generati
dagli scanner e dai programmi di interpretazione di immagini come quelli
utilizzati per le immagini da satellite.
Fig.11 - Rappresentazione
di dati di tipo vector (a) e raster (b)
I dati raster sono tipicamente di tipo intensivo, dal momento che
devono immagazzinare dati in tutte le celle dell’area di studio,
indipendentemente dal fatto che esse siano o meno di interesse. Nel caso dei
dati raster entrano quindi in gioco alcuni fattori quali: la risoluzione, che
dipende dalla fonte dei dati; la compressione, che migliora le fasi di
memorizzazione e archiviazione dei dati, rendendoli però meno maneggevoli; la
registrazione, ovvero la georeferenziazione ed il raddrizzamento delle immagini
raster.
D’altra parte, però, i dati raster forniscono una rappresentazione
della realtà più immediata ed uniforme e ciò li rende analiticamente più
potenti dei dati vettoriali, soprattutto nella rappresentazione di parametri che
variano con continuità sulla superficie (es. temperatura, pioggia, ecc.). Altro
vantaggio dei sistemi raster è il fatto che essi presentano una struttura più
vicina all’architettura del computer, per cui tendono ad essere più rapidi
nella valutazione di problemi che coinvolgono diverse combinazioni matematiche
di dati in layer multipli.
Se i raster sono più orientati all’analisi, i formati vettoriali,
sono, invece, più orientati agli oggetti ed alla gestione tramite database.
Sono quindi più efficienti in termini di immagazzinamento dati, poiché
conservano soltanto i contorni delle forme, associati ai relativi attributi,
permettendo quindi una facile interrogazione dei dati. Ciò li rende preferibili
in tutte le situazioni in cui i parametri da rappresentare variano in maniera
discreta sul territorio.
Un’altra importante caratteristica del modello dati di un G.I.S: è
la capacità di gestire oggetti tridimensionali.
I modelli tridimensionali sono generati in due modi: quando si dispone
di un insieme sparso di elementi quotati, si utilizzano generalmente algoritmi
che creano un T.I.N. (Triangular
Irregular Network) (fig. 13a), costruendo una rete di triangoli i cui vertici
sono costituiti dai punti di cui si conoscono le tre coordinate; se invece si
dispone di un insieme di punti quotati ordinati in griglie a passo regolare è
possibile generare un D.T.M. (Digital
Terrain Model) o D.E.M. (Digital
Elevation Model) (fig. 13b).
A partire da un TIN, un DTM o un DEM, è possibile interpolare curve
di livello, effettuare analisi di visibilità, generare profili longitudinali,
tracciare sezioni, effettuare analisi di pendenza e di esposizione, cliviometrie,
generare viste 3D, ecc. Ma soprattutto è possibile intersecare superfici
diverse quali l’orografia e una stima tridimensionale del piano di
inondazione, come richiesto per la definizione delle aree inondabili.
L’organizzazione dei dati di tipo topologico e la
capacità di effettuare operazioni di analisi spaziale sono due tra gli elementi
chiave dei sistemi G.I.S., che li differenziano da sistemi nati per effettuare
operazioni di sola cartografia o disegno assistito dal computer.
Mediante tale analisi e a partire dalle informazioni contenute nel
database geografico, possono essere creati nuovi livelli informativi attraverso
procedure di sovrapposizione o tramite operatori più complessi sia bi- che
tridimensionali.
2.3.3 Rappresentazione delle aree inondabili
La rappresentazione accurata delle aree
di inondazione associate ad un evento di piena di assegnato tempo di ritorno è
di importanza fondamentale ai fini della valutazione del rischio idraulico
associato ad un bene presente nel territorio.
Una prima rappresentazione può essere
ottenuta mediante perimetrazione delle aree inondabili associate ai tempi di
ritorno di interesse. Essa consiste in una descrizione
vettoriale dell’area di inondazione ottenuta dall’intersezione tra
modello altimetrico digitale del terreno e modello solido della superficie del
pelo libero (water surface) per l’assegnato profilo. La procedura,
implementabile mediante software commerciali o con script realizzati ad hoc,
prevede:
a. Modello idraulico per il calcolo della
water surface elevation (WSE), ovvero della quota idrica assoluta;
b. Rappresentazione della superficie del
pelo libero mediante modello T.I.N. (Triangular Irregular Network), cioè come
insieme di superfici triangolari, con vertici in punti noti di sezioni
consecutive (opportunamente estese in direzione trasversale alla linea d’asse
dell’alveo al fine di garantire la copertura dell’area di potenziale
inondazione);
c. Intersezione della superficie
prismoidale rappresentativa del pelo libero con il modello digitale del terreno.
I risultati di un’elaborazione-tipo
sono riportati in Fig. 15.
Fig. 15 – Perimetrazione delle aree inondabili a vari TR
Dati ufficiali
relativi alla perimetrazione delle aree di inondazione associate ai principali
tempi di ritorno (TR=50, 100, 200, 500 anni) sono contenuti nei Piani di Bacino
redatti dalle Autorità di Bacino Nazionali, cui si rimanda per gli ulteriori
approfondimenti.
Tale rappresentazione
risulta tuttavia insufficiente ai fini della valutazione del danno da piena, per
cui risulta indispensabile la conoscenza non soltanto dell’estensione ed entità
complessiva del fenomeno, ma anche la conoscenza puntuale e dettagliata degli
aspetti locali ad esso connessi.
In particolare dovrà
essere possibile apprezzare, con un buon grado di accuratezza, il valore del
tirante idrico in corrispondenza del bene in esame e dell’area limitrofe.
Ciò richiede la
modellazione completa della superficie del pelo libero per l’assegnato profilo
idraulico, che può essere ottenuta alternativamente come:
a) Modello a isotiranti
b) Modello raster
Nel primo caso il problema è risolto individuando, per ogni assegnato
tempo di ritorno, le linee sul terreno, caratterizzate dallo stesso tirante
idrico (isotiranti), ed assegnando
quindi ai beni presenti sul territorio e compresi fra due isotiranti consecutive
un valore del tirante pari a quello medio fra le isotiranti stesse. Il processo
di delimitazione di ciascuna isotirante ricalca nei passi quello di
perimetrazione delle aree inondabili, salvo scelta dell’intervallo di
tracciamento. Un esempio di rappresentazione ad isotiranti è riportato in Fig.
16.
Fig. 16 – Modello ad isotiranti
Il modello appena descritto fornisce una
rappresentazione dell’area di inondazione di tipo “discreto” e
strettamente dipendente dal passo scelto per il tracciamento delle linee di
egual tirante. Ovviamente all’aumentare del passo di intersezione, ovvero
all’aumentare del rapporto tra passo di intersezione/ampiezza della maglia nel
DEM di base, l’accuratezza del modello diminuisce, né tuttavia appare
conveniente aumentare eccessivamente il numero delle isotiranti, data
l’onerosità delle procedure di intersezione ed eventuale correzione.
Con l’approccio raster è invece
possibile ottenere una rappresentazione pressoché continua dell’area
interessata da potenziale inondazione.
Il modello si basa infatti sulla
costruzione di un grid del tirante con accuratezza pari al passo del modello
digitale del terreno. La procedura, implementabile mediante software commerciali
o con script realizzati ad hoc, prevede:
a.
Modello idraulico per il calcolo
della WSE;
b.
Rappresentazione della superficie
del pelo libero mediante T.I.N.;
c.
Conversione T.I.N.
Þ D.E.M.:
la rappresentazione a maglie triangolari viene trasformata in un modello a
maglie quadrate con passo pari all’ampiezza delle celle nel DEM del terreno;
l’attributo di ciascuna cella è costituito dal valore dell’altezza idrica
assoluta in corrispondenza del baricentro;
d.
Costruzione del raster del
tirante: ottenuta mediante sottrazione (DEM della quota idrica assoluta – DEM
del terreno); l’attributo di ciascuna cella è costituito dal valore
dell’altezza idrica relativa in corrispondenza del baricentro.
Un esempio di rappresentazione raster è riportato in Fig. 17.
Fig. 17 – Modello raster
Assumendo che il tirante idrico possa
quindi essere assunto univocamente come grandezza rappresentativa degli effetti
dell’inondazione, il modello raster rappresenta l’approccio preferibile in
termini sia di capacità di rappresentazione che di grado di dettaglio.
L’automatizzazione delle procedure e la minore onerosità delle procedure di
calcolo la rendono poi applicabile anche ad aree comunque estese oltreché a
singolarità di interesse.
Per completezza di trattazione, ma
rimandando per approfondimenti a testi specializzati, accenniamo brevemente al
fatto che altre grandezze idrauliche possono svolgere, accanto al tirante, un
ruolo primario nella valutazione del danno da piena; tra queste in particolare:
campo di moto (velocità e direzione) e trasporto solido.