Esercizio e Manutenzione delle Dighe - 15 Aprile 2003, Roma

1. Esercizio e Manutenzione delle Dighe - 15 Aprile 2003, Roma • Sicurezza idrologica idraulica degli sbarramenti Valutazione delle portate di piena di assegnato rischio Ing. Giorgio Galeati ENEL Spa Generazione ed Energy Management Area Energie Rinnovabili Unità Idrologia - Mestre

2. Esercizio e Manutenzione delle Dighe 15 aprile 2003 - Roma Esercizio e Manutenzione delle Dighe 15 aprile 2003 - Roma Stima delle portate di piena di assegnato rischio …… il metodo ideale …… üè semplice da capire e da utilizzare ü è basato su pochi dati facilmente reperibili ü è universalmente applicabile • a qualunque scala spazio – temporale • in qualunque contesto geografico • è trasportabile da un sito all’altro • üfornisce stime affidabili (capacità di descrivere le statistiche • dei dati sperimentali) e “robuste” (capacità di fornire • previsioni con ridotta incertezza) ü fornisce stime “affidabili” (capacità di descrivere le statistiche dei dati sperimentali) e “robuste” (capacità di fornire previsioni con ridotta incertezza)

3. …... nella realtà …… • üi metodi più semplici e di immediato utilizzo sono in generale caratterizzati da severe limitazioni • sono siti specifici • richiedono adeguate informazioni sperimentali • sono adatti a ben precise scale spazio – temporali ü i metodi più complessi non sono “user friendly”, rappresentano solo in parte la complessità del bacino idrografico, richiedono una mole rilevante di informazioni sperimentali ü i dati idrologici sperimentali sono assai limitati se non assenti per la maggior parte delle applicazioni …… problema irresolubile ? …...

4. La maggior quantità di dati idrologici sperimentali disponibile e la più ampia conoscenza delle dinamiche idrologiche prodotta dalla ricerca consentono di ottenere, se unite ad un esame approfondito ed attento del sito in indagine, stime delle portate di piena di assegnato rischio di gran lunga più affidabili e robuste che non in passato • Importanza del problema idrologico • Un’analisi dei casi storici di rottura (ICOLD, 1982) evidenzia che più del 30% delle 130 dighe che nel mondo hanno subito fenomeni di rottura sono state danneggiate per l’insufficiente capacità di smaltimento del complesso invaso organi di scarico. Tale percentuale sale al 65% se si considerano solo le rotture avvenute dopo il primo invaso.

5. Organizzazione della presentazione 1.Metodologie di stima delle portate di piena di assegnato rischio 2.Metodologie di valutazione utilizzate nel contesto degli studi sviluppati da ENEL 3.Considerazioni circa lo stato di sicurezza idrologico idraulica delle dighe italiane sulla base delle stime ottenute in più di 100 studi finalizzati alla valutazione delle portate di piena di assegnato rischio

6. Rischio tempo di ritorno T (anni) T è definito come il numero di anni che mediamente intercorre tra due superamenti del valoreQ’ da parte della grandezza idrologica Q T(Q’) = media (1, 2, 3, ..)

7. Il significato concreto di tempo di ritorno è poco evidente e facilmente equivocabile. Per chiarirne meglio il significato è opportuno fare riferimento al concetto di probabilità di pericolo (hazard) idrologicoHN, probabilità che in N anni, periodo di esercizio dell’opera, si verifichi una piena superiore a quella di progetto. Legame tra T e HN : HN(Q’) = 1 - ( 1 - 1/T )N Per valori di T>> N : HN(Q’) = N/T Fissata la vita attesa dell’opera N il tempo di ritorno T definisce la probabilità che l’opera sia deficitaria nei confronti della sicurezza idrologica nel corso degli Nanni di esercizio previsti.

8. Tecniche di stime delle portate di piena di assegnato rischio (tempo di ritorno) Metodi deterministici Relazioni empiriche Curve inviluppo Massima Piena Probabile (PMF)

9. Metodi statistici – Analisi di tipo locale “at site” • Scelta della distribuzione • Scelta della procedura di stima dei parametri • Indagine di tipo POT (Peaks Over Threshold) o AFS (Annual Flood Series) • ………

10. Avvertenze nell’uso di un’analisi di tipo locale • E’ consigliabile utilizzare i risultati di un’analisi “at site” solo se T ≤ 2-3 ∙ N con N dimensione del campione sperimentale (il Flood Estimation Handbook inglese non accetta valutazioni ottenute per T > 2 ∙ N ) • Se si ricorre ad un’analisi “at site” il numero di parametri che caratterizza la distribuzione utilizzata deve essere il minore possibile (Gumbel 2 parametri, GEV 3 parametri)

11. Analisi statistica di tipo locale mediante distribuzione di Gumbel e mediante distribuzione GEV Dimensione complessiva del campione: 48 anni Le curve sono relative all’analisi, nell’ordine, dei primi 24 anni, dell’insieme complessivo dei dati e degli ultimi 24 anni

12. Analisi statistica di tipo regionale • Si applica per stimare le portate probabili di massima piena in una sezione del reticolo idrografico carente o del tutto priva di misure sperimentali. La stima viene condotta tramite metodologie di regionalizzazione, basate sull’analisi dell’informazione pluvio-idrometrica dell’intero territorio circostante l’area di interesse. Si sopperisce alla limitata informazione temporale mediante l’analisi di una più ampia informazione spaziale (verificato che questa sia idrologicamente omogenea nei riguardi della variabile di interesse).

13. Vantaggi dell’analisi regionale Poiché la stima dei parametri è effettuata su un campione sperimentale più ampio è possibile usare distribuzioni con più di 2 parametri L’incertezza di stima sulle estrapolazioni a tempi di ritorno più elevati è minore Cunnane (WMO, 1989) consiglia di basarsi quando possibile sui risultati ottenuti mediante analisi regionali, facendo ricorso ad analisi di tipo puntuale solo se: Il record di dati sperimentali è eccezionalmente lungo La regione è estremamente eterogenea

14. Analisi regionale mediante il metodo della grandezza indice La stima della grandezza indice rappresenta il punto più incerto della procedura E’ consigliabile la stima della “portata indice” mediante le informazioni sperimentali se N ≥ 10 - 12 dati

15. Metodi indiretti - Formula razionale (trasformazioni di tipo semplificato) Modello deterministico semplificato che contiene nella definizione dei suoi parametri una rilevante base empirica QT = C h(,T)  S /  QTportata al colmo con tempo di ritorno T C “coefficiente di deflusso”. Dipende dalle caratteristiche del bacino e tiene conto di a) fattore di riduzione areale della pioggia, b) rifiuto del terreno e c) dispersione idrografica h(,T) altezza di precipitazione con tempo di ritorno T e di durata (durata critica)

16. Note operative sull’applicazione della formula razionale La formula di Giandotti per il calcolo del tempo di corrivazione (la più utilizzata in ambito nazionale) è stata definita con riferimento a bacini di superficie superiore a 50 km2 e conduce per bacini imbriferi più piccoli a sottostime del reale tempo di corrivazione. Per una applicazione operativamente robusta della formula razionale occorre una valutazione corretta del coefficiente C, valutazione che può essere effettuata solo mediante uno studio idrologico appoggiato a dati sperimentali.

17. Metodi indiretti – Modelli di trasformazione afflussi deflussi Modelli ad evento / di simulazione

18. Metodi indiretti – Modelli di trasformazione afflussi deflussi Modelli di simulazione

19. Note operative sull’applicazione di modelli di trasformazione afflussi deflussi Per un’applicazione operativa “robusta” di modelli di trasformazione afflussi deflussi occorre una valutazione corretta dei coefficienti / parametri che definiscono il modello utilizzato. Risulta indispensabile disporre di idonei e sufficienti dati sperimentali tenendo conto che, all’aumentare della complessità del modello, deve corrispondentemente aumentare la quantità di informazione sperimentale. I modelli di simulazione, ancorché più complessi di quelli ad evento, sono gli unici in grado di fornire una valutazione del possibile impatto di “non stazionarietà” (climate change, modifiche antropiche) sulla frequenza degli eventi di piena.

20. Campi di applicazione delle diverse metodologie di valutazione delle piene in relazione alla scala spaziale ed alla frequenza (tempo di ritorno T) della stima

21. Approccio metodologico utilizzato da ENEL per la valutazione delle portate di piena di assegnato rischio • Raccolta di tutti i dati idrometeorologici disponibili (portate al colmo e/o giornaliere massime annue, precipitazioni orarie e/o intense) pubblicati dal S.I.M.N., rilevati agli strumenti ENEL, ricavabili tramite l’equazione di bilancio dell’invaso. • Applicazione di metodologie statistiche di tipo regionale • Verifica idoneità curve di crescita suggerite dagli studi disponibili in letteratura a descrivere il comportamento statistico delle variabili idrologiche nell’area in indagine • Eventuale stima di una specifica curva di crescita mediante un’analisi regionale limitata alle stazioni di misura limitrofe alla sezione interesse

22. Applicazione di metodi indiretti di trasformazione afflussi deflussi. Sfruttando la buona affidabilità della stima Q50-100 fornita dall’analisi statistica diretta si provvede a tarare un opportuno modello A-D rappresentativo del bacino imbrifero; il modello è quindi impiegato per proiettare l’effetto sul bacino imbrifero di precipitazioni intense di tempo di ritorno più elevato (T > 100 anni), grandezza la cui stima è mediamente più robusta per la maggior quantità di dati sperimentali in base a cui è ricavata • Verifica della congruenza tra le stime di portata ottenute mediante i due approcci

23. Filosofia dell’approccio utilizzato ü Raccogliere la maggior informazione sperimentale possibile, così da rappresentare al meglio le caratteristiche geomorfoclimatiche proprie del bacino idrografico üSviluppare lo studio sulla base dei più recenti sviluppi teorico applicativi tenendo anche conto, per quanto possibile, dei risultati forniti dagli studi pregressi üUtilizzare nella misura più completa possibile l’intera informazione idrologica reperita, avvalendosi contemporaneamente sia dei dati di apporto sia delle caratteristiche pluviometriche

24. Sintesi dei risultati degli studi Numero dighe esaminate: 104 Ubicazione: su tutto il territorio nazionale Superficie bacini imbriferi: 0.4 – 2350 km2 Quota media bacini imbriferi: 300 – 2990 m s.l.m. Anno di costruzione: 1910-1970 (1937 anno medio costr.) N.dati raccolti: Portate al colmo massime annue≈ 1100 Portate medie giornaliere ≈ 1500 Per gli sbarramenti per i quali si necessita di una più accurata caratterizzazione idrologica (la base dati sperimentali disponibile non è sufficiente per valutazioni sufficientemente oggettive) sono stati installati sistemi di monitoraggio “ad hoc”

25. Confronto tra il livello di invaso nei serbatoi a fronte di eventi di piena con T = 500 e 1000 anni e la quota di massimo invaso (QMI) • Le valutazioni sono state condotte sotto ipotesi conservative sia per quanto riguarda lo sbarramento (centrali di produzione non operative, livello iniziale nel serbatoio all’arrivo della piena pari alla quota di massima regolazione), sia per quanto attiene la stima degli idrogrammi di piena

26. T = 500 / 1000 anni • La portata esitata dal complesso degli organi di scarico alla QMI è ≥ 2.0 ∙ Q500 per il 30% (25%) degli sbarramenti. • La portata esitata dal complesso degli organi di scarico alla QMI è ≥ 1.5 ∙ Q500 per il 50% (40%) degli sbarramenti. • Il numero di sbarramenti per i quali la quota d’invaso risulta ≤ alla QMI è superiore all’81% (75%). La maggior parte delle opere che non soddisfano tale requisito, il 12% (17%), assicura il mantenimento di un franco tra 0.10 - 2.70 m, con un valore medio di ≈ 0.90 (0.70) m. Tali sbarramenti sono tutti anteriori al 1954, in massima parte al 1930 (il 70%); dal punto di vista geografico la gran parte (il 60%) sono ubicati sulle Alpi Liguri o sui rilievi Appenninici.

27. Sbarramenti i cui bacini imbriferi sottesi sono caratterizzati da una quota media superiore a 2000 m s.l.m. (40 sbarramenti esaminati). Il numero di sbarramenti per i quali, a fronte di un episodio di piena con tempo di ritorno T = 500 / 1000 anni, la quota nell’invaso è ≤ alla QMI è pari ad una percentuale del 95% e del 90%. Gli sbarramenti che non soddisfano tale requisito sono tutti anteriori al 1950 ed in massima parte anteriori al 1930 (il 75%). Con riferimento ad episodi di piena caratterizzati da un tempo di ritorno T = 500 anni è assicurato il mantenimento di un franco variabile tra 0.50 – 1.50 m, con un valore medio di ≈ 1.00 m. Per eventi di piena caratterizzati da T = 1000 anni il franco è variabile tra 0.20 – 1.40 m, con un valore medio di ≈ 0.70 m. In nessun caso si ha la tracimazione dello sbarramento.

28. A titolo di conferma del rilevante grado di sicurezza degli • sbarramenti che sottendono bacini idrografici in quota • si consideri che la portata esitabile dal complesso • degli organi di scarico, Qscar , risulta mediamente pari a: • Qscar ≈ 2.6 ∙ Q500 • Qscar ≈ 2.2 ∙ Q1000 • Per gli sbarramenti che delimitano bacini imbriferi la cui quota media è inferiore a 2000 m s.l.m. si è riscontrato invece: • Qscar ≈ 1.9 ∙ Q500 • Qscar ≈ 1.6 ∙ Q1000

29. Considerazioni conclusive • Gli sbarramenti esaminati risultano in generale caratterizzati da un’elevata sicurezza idrologico-idraulica in quanto sono in grado di far fronte ad episodi di piena caratterizzati da una bassissima probabilità di occorrenza senza ingenerare situazioni di pericolo per la struttura. • Le indagini sin qui condotte hanno evidenziato che: • gli sbarramenti che sottendono bacini idrografici di alta quota sono contraddistinti da condizioni di elevata sicurezza circa la capacità di smaltimento degli eventi di piena. La verifica del grado di sicurezza idrologico – idraulica di tale categoria di opere può pertanto essere condotta con minor priorità

30. Le dighe per le quali, a fronte di episodi idrologici di piena con tempo di ritorno T =500 e 1000 anni, si possono più frequentemente verificare livelli di invaso compresi tra la QMI ed il coronamento, sono quelle costruite anteriormente al 1930 ed ubicate sulle Alpi Liguri e sui rilievi Appenninici. A tale tipologia di sbarramenti è pertanto preferibile assegnare maggior priorità nello sviluppo di ulteriori analisi. • Per gli sbarramenti per i quali si necessita di una più accurata caratterizzazione idrologica è raccomandabile l’installazione di sistemi di monitoraggio “ad hoc”, in base ai cui dati sperimentali condurre valutazioni integrative.