Allagamenti in area urbana: analisi e soluzioni progettuali

Fenomeni di scorrimento incontrollato delle acque superficiali sono destinati a divenire in futuro più frequenti e più importanti in concomitanza con la crescita degli insediamenti civili ed industriali che hanno determinato, come principale conseguenza, la crescita del grado di impermeabilizzazione dei bacini e, quindi, l’aumento dei deflussi generati in tempo di pioggia.
Da non trascurare, inoltre, per l’intero sistema di drenaggio urbano, sia gli aspetti quantitativi (aumento della frequenza e dell’intensità degli eventi meteorici estremi), sia gli aspetti qualitativi e l’impatto degli inquinanti trasportati sui corpi idrici recettori.
La Direttiva 2007/60/ CE del 23 ottobre 2007, relativa alla valutazione e alla gestione dei rischi di alluvioni, stabilisce che si attui innanzitutto una valutazione preliminare mediante la descrizione di quanto accaduto in passato e delle conseguenze negative. Inoltre, prescrive l’elaborazione di mappe della pericolosità da alluvione che contengano la perimetrazione delle aree geografiche che potrebbero essere interessate al fenomeno.
Infine, sulla base delle suddette mappe, dispone che gli Stati membri stabiliscano dei piani di gestione del rischio di alluvioni coordinati a livello di distretto idrografico.
Con il termine di allagamento urbano si definisce generalmente la sommersione temporanea di centri abitati, abitualmente asciutti. In letteratura (Bell, 1999; Chapman, 1999; Smith, 2001; Bryant, 2005) potrebbe ritenersi “allagamento” la situazione dove il livello dell’acqua cresce a tal punto da minacciare inevitabilmente le proprietà e le infrastrutture (fig.1).
Le cause degli allagamenti possono essere naturali (precipitazioni intense e/o prolungate, …) e/o antropiche (cambiamenti nell’uso del suolo, …) (Chapman, 1999).
Smith (2001) suggerisce, in particolare, quattro modi principali attraverso i quali l’urbanizzazione influenza la formazione degli allagamenti:

  • concentrazione di superfici altamente impermeabili
  • costruzione di reti di drenaggio urbano insufficienti
  • realizzazione di opere di canalizzazione
  • realizzazione di interventi di restrizione dei canali esistenti.

In base all’origine, è possibile riconoscere le seguenti tipologie di allagamenti:

  • inondazioni da fiumi, torrenti o corsi d’acqua temporanei attraversanti il centro urbano
  • inondazioni marine soprattutto delle zone costiere
  • allagamenti dovuti all’insufficienza dei sistemi di raccolta e di smaltimento delle acque meteoriche.

Storicamente, l’attenzione è stata rivolta principalmente alle prime due tipologie di processi, con diversi studi riguardo la simulazione degli allagamenti fluviali in ambito urbano trascurando i fenomeni innescati da condizioni di sovraccarico della rete fognaria o da inefficienza delle caditoie (sewer flooding), dovuti in parte anche alla difficoltà di coniugare l’elevata variabilità spaziale e temporale degli eventi pluviometrici con le caratteristiche del bacino (fig.2).
Inoltre, l’allagamento pluviale può anche verificarsi senza che venga superata la capacità del sistema di drenaggio.
Le portate in eccesso scaricate dalla fognatura in pressione possono riempire eventuali depressioni presenti sul terreno oppure defluire superficialmente attraverso percorsi preferenziali, creando una rete di deflusso superficiale (major system), riferendosi col termine minor system alla rete fognaria sottostante.
Nelle aree urbane il major system tipicamente comprende le strade, i marciapiedi, le depressioni naturali e i piccoli corsi d’acqua. Attraverso il major system le portate liquide possono percorrere notevoli distanze causando allagamenti in aree lontane dalla sezione in cui si è verificato il superamento della capacità di drenaggio del sistema.
Le tecniche convenzionali di modellazione del drenaggio urbano non tengono conto dell’interazione tra la fognatura e la rete superficiale, e quindi sono inadeguate a modellare le piene urbane.
Per tale motivo risulta importante avere una rappresentazione dettagliata e accurata del suolo e delle strutture urbane presenti sulla superficie, in quanto i modelli di simulazione devono essere implementati sia per la rete superficiale che per quella sotterranea, analizzando le interazioni tra i due sistemi dall’inizio alla fine dell’evento e nell’intervallo di tempo intercorrente tra due eventi consecutivi.
Nel caso di inondazioni urbane il deflusso superficiale è dovuto, quindi, non solo alla pioggia caduta, ma anche alla portata di ritorno dal sistema fognario: nella maggior parte dei casi gli allagamenti si verificano durante eventi meteorici estremi, quando il deflusso superficiale interagisce con la portata in eccesso scaricata dalla rete di fognatura. Questi volumi idrici si mescolano e defluiscono lungo percorsi preferenziali superficiali (tra cui le strade) e di conseguenza riempiono le eventuali depressioni presenti sul terreno. Ciascuna depressione presenta determinate caratteristiche: possono essere isolate o collegate, inoltre l’andamento delle portate in ingresso o in uscita può variare rapidamente nel tempo.
Inoltre, la rete superficiale e quella sotterranea sono fisicamente collegate attraverso dei pozzetti di ispezione, come mostrato in figura 3 e tale collegamento deve essere identificato e la sua potenziale interazione quantificata (Leandro et al. 2007).
La portata in ingresso o in uscita dal pozzetto dipende dalla differenza di carico piezometrico tra la fognatura ed il velo di acqua sopra il pozzetto stesso. Se il pozzetto si trova all’interno del contorno di una depressione, la portata in eccesso scaricata dalla rete di fognatura riempie il pozzetto, e  la portata in eccesso defluisce lungo la superficie del bacino creando un nuovo percorso superficiale. Essa si potrà dirigere o direttamente in una depressione limitrofa oppure spostarsi in superficie fin quando non troverà una nuova depressione oppure un pozzetto di ispezione attraverso il quale entrare nella rete fognaria. Inoltre potrà anche abbandonare il sottobacino e tale volume idrico dovrà essere tenuto in conto nel bilancio idrico del bacino stesso.

Modellazione dei deflussi superficiali
Considerare un modello, noto in letteratura come “sistema di drenaggio duale” (Djordjević et al. 2005,  Maksimović e Prodanovićh, 2001), risulta utile per identificare le interazioni tra major e minor system attraverso la disposizione di una serie di pozzetti di ispezione come collegamento dinamico tra il deflusso monodimensionale nelle condotte fognarie e il deflusso monodimensionale nella rete superficiale.
Il sistema di drenaggio duale è concepito come due reti distinte ma dinamicamente interconnesse tra loro: l’interazione tra le due reti avviene, infatti, mediante le caditoie ed i chiusini disposti lungo la sede stradale. Lo studio delle interazioni tra le due reti necessita di essere modellato accuratamente. Per avere i massimi vantaggi da tale approccio, si dovrebbe tener conto di tre aspetti:

  • tecniche di modellamento avanzate, capaci di modellare la superficie libera tenendo conto delle interazioni tra la portata superficiale e quella di fognatura
  • analisi dei dati sull’uso del territorio e successiva estrazione della rete di deflusso superficiale
  • possibilità di studiare l’andamento dei risultati.

Molti studi concordano sull’utilizzo del sistema di drenaggio duale, dove l’affidabilità della rete superficiale che viene generata dipende comunque dalla qualità dei DEM che si utilizzano. I DEM infatti possono essere utilizzati sia per generare la rete superficiale comprendente anche i volumi immagazzinati nei nodi (approccio monodimensionale), oppure per descrivere nel dettaglio la superficie del terreno (approccio bidimensionale).
Una metodologia innovativa per la generazione della rete superficiale monodimensionale (approccio 1D) è sviluppata da  Maksimović, chiamata AOFD (Automatic Overland Flow Delineation). La rete superficiale generata da questo algoritmo tiene conto delle depressioni superficiali e dell’acqua temporaneamente immagazzinata in esse e nei canali che collegano tali depressioni alle caditoie. La metodologia si divide in tre fasi: identificazione delle depressioni; delineazione dei percorsi superficiali; generazione dei files di ingresso per i più comuni modelli di drenaggio urbano disponibili.
Ho e Maksimović, 2006 hanno condotto i primi esperimenti di simulazione delle reti 1D/1D ottenendo dei risultati che si avvicinavano molto a quelli di modelli commerciali (tipo Infoworks) in termini sia di rete superficiale generata che di aree allagate.
Le prestazioni e l’affidabilità di tale  metodologia  dipende molto dalla qualità dei DEM impiegati e quindi sono necessarie delle procedure di pre-processing accurate.
Tuttavia l’approccio 1D-1D presenta alcune limitazioni che sono inerenti alla sua stessa natura: cioè tale metodologia risulta adeguata fin tanto che il deflusso principale si sviluppa lungo strade e non vi è una significativa formazione di depressioni. In queste situazioni i risultati ottenuti dall’applicazione della procedura risultano realistici e consentono un’analisi della stima del danno e dei differenti schemi di mitigazione del rischio.
Parallelamente al modello 1D-1D, è possibile adottare la procedura 1D-2D: in questo caso il deflusso monodimensionale in fogna è integrato con la simulazione bidimensionale del deflusso superficiale (Leandro et al., 2009). Le interazioni tra i due sistemi sono rese possibili mediante collegamenti tra la rete fognaria rappresentata da nodi e le celle della griglia computazionale superficiale. Questo secondo approccio consente un’analisi più realistica dei deflussi superficiali rispetto all’approccio 1D-1D, specialmente se si considerano gli eventi estremi, in concomitanza dei quali le portate di allagamento non risultano più contenute all’interno dei profili delle strade. Inoltre risulta anche più esatto il trattamento degli edifici e delle altre strutture urbane (Chen et al., 2007). Tuttavia tali modelli richiedono un livello maggiore nei dettagli spaziali e passi temporali più piccoli, risultando più pesanti dal punto di vista computazionale, e di conseguenza inadeguati per quanto riguarda la previsione rapida dei processi di allagamento.
La metodologia descritta da Prodanović (1999) e Djordevic (2001) si basa sull’utilizzo delle proprietà del GIS per costruire il modello digitale del terreno (DTM/DEM) in funzione dei dati LIDAR a disposizione; in questo modo risulta possibile identificare le aree vulnerabili alle inondazioni e definire le caratteristiche geometriche dei percorsi preferenziali superficiali. La rappresentazione così creata del “major system” viene poi accoppiata con il modello della rete fognaria attraverso degli elementi di scambio verticali, come i pozzetti di ispezione. Applicando infine un modello fisicamente basato di trasformazione delle piogge in portate, è possibile definire i dati in ingresso per entrambe le tipologie di reti.
Tali attività devono essere eseguite prima di inserire i dati input all’interno del modello; successivamente questo risolverà le equazioni di DSV in forma completa simultaneamente nella rete superficiale e in quella sotterranea. In questo modo è possibile simulare più realisticamente le caratteristiche dei processi che si verificano all’interno del bacino urbano: per esempio le dinamiche dei processi di riempimento e svuotamento delle depressioni superficiali  come base per lo studio dell’intensità di pioggia efficace (fig.4).
Il modo con cui è stata affrontata la gestione degli allagamenti si è evoluta nel tempo. Storicamente, è possibile distinguere quattro successivi approcci (Green et al., 2000):

  • adattamento indigeno agli allagamenti: le comunità hanno occupato aree soggette ad allagamenti sin dall’antichità. La necessità di adattarsi a tali eventi naturali ha portato a costruire le case su palafitte (in Nuova Guinea, Benin, Tailandia) o in zone collinari (Olanda, Bangladesh). Addirittura in Bangladesh le case vengono smantellate temporaneamente durante gli eventi più notevoli. Per quanto ci siano numerosi esempi di adattamento, principalmente dovuti alla rapida urbanizzazione, allo sviluppo economico e alla crescente fiducia nelle misure strutturali di protezione, tuttavia questi approcci sono stati abbandonati.
  • controllo degli allagamenti e difesa: misure strutturali, come arginature, dighe e sbarramenti di controllo, sono stati sviluppati a partire dal diciannovesimo secolo e principalmente nel ventesimo. Queste opere di ingegneria su larga scala apparivano molto efficaci nel controllo dei fiumi e nella protezione di aree soggette ad allagamenti. Tuttavia, questo secondo approccio ha ricevuto molte critiche negli ultimi periodi. La protezione dagli allagamenti, sia nelle aree urbane che rurali, ha portato ad uno schema ciclico di investimento – in assenza di controlli dell’uso del suolo, è cresciuta la densità di popolazione nella aree già soggette ad allagamenti in passato, i valori delle proprietà sono aumentati e di conseguenza anche la necessità di adoperarsi contro gli allagamenti è cresciuta. Inoltre l’efficacia di misure fisiche di controllo degli allagamenti può cambiare nel tempo in funzione del livello di manutenzione e dei processi fisici che influiscono sulla sostenibilità, come, ad esempio, i cambiamenti nella morfologia fluviale.
  • approcci non strutturali: molto rilievo viene dato al comportamento delle persone, alle strategie che lo influenzano (allontanamento delle persone dalle aree allagabili, evacuazione mediante l’utilizzo di sistemi di allertamento, etc.) e alla pianificazione dell’uso del suolo come strumento guida per l’organizzazione delle comunità in aree sicure o per meglio adattarle agli impatti degli allagamenti. Tale approccio deriva dalla consapevolezza che è necessario un grande sforzo  nella gestione e che le risorse devono essere indirizzate anche per approcci non strutturali (previsione degli allagamenti, zonizzazione dell’uso del suolo) sia in parallelo che in forma indipendente dalle forme strutturali di protezione dagli allagamenti.
  • vivere con gli allagamenti: la ricorrenza degli allagamenti ha mostrato che molte strategie strutturali e non strutturali hanno fallito. Tuttavia emergono nuove opzioni, come il tenere libere dall’urbanizzazione aree soggette ad allagamenti creando zone verdi, all’interno delle quali invasare temporaneamente i volumi idrici di surplus. Inoltre tali spazi aperti possono anche servire per fini ricreativi.

Risulta, dunque, evidente che non esiste un’unica soluzione efficace, ma una varietà di strategie basate su un approccio che tenga in conto complessivamente sia delle cause che degli impatti determinati sul bacino, con una necessaria caratterizzazione degli inquinanti trasportati dalle acque di dilavamento (Piro, P. et al., 2011).
Il termine gestione sostenibile delle acque di pioggia (sustainable stormwater management) è stato introdotto per un approccio multidisciplinare all’argomento e la terminologia riguardante la gestione sostenibile del ciclo urbano varia tra le varie parti del mondo (Anderson, B.C. et al., 2002; Chocat et al.,  2001; Marsalek, J., 1999):

  • Best management practices (BMP)
  • Low impact Development (LID)
  • Sustainable Urban Drainage (SUD)
  • Integrated Catchment Planning (ICP)
  • Ecological Stormwater Management.

Naturalmente, diverse sono le strategie per differenti tipi di aree:

  • per nuovi insediamenti:

–  controlli locali delle acque di pioggia all’interno della proprietà privata

– individuazione di corridoi aperti di drenaggio posizionati a parte nella principale area progettata

  • in aree già urbanizzate:

–  costruzione di nuovi tronchi per le acque di pioggia nelle aree con sistemi misti

–   l’esistente sistema misto aiutato, dove possibile, da strutture di raccolta

– strade con traffico pesante: le acque di pioggia contengono metalli pesanti, idrocarburi e altri inquinanti; in tal caso i sistemi di drenaggio devono essere progettati in maniera tale da poter separare gli inquinanti; il deflusso dalle superfici stradali preferibilmente dovrebbe essere trattato in sistemi aperti.
Indispensabile risulta, dunque, per prevenire casi di inondazioni superficiali (pluvial flooding) e per mitigarne gli effetti:

  • l’individuazione delle aree allagabili da trasformare, dove possibile, in “green elements”, collegati tramite greenways (o green corridors)
  • la stima della riduzione dell’area allagata
  • la stima dell’abbattimento di inquinante nella rete superficiale, dopo l’introduzione di green elements (tetti verdi, stagni di bioritenzione, ecc …) e la stima della riduzione delle portate di picco in rete in seguito all’introduzione nel bacino dei green spaces.

In tale ottica il bacino verrà considerato come un contesto unico per la pianificazione e la gestione, all’interno del quale la sostenibilità della risorsa idrica risulta principio essenziale.
Inoltre, le caratteristiche specifiche del sito, la pendenza del piano stradale o l’altezza dei marciapiedi, possono amplificare i danni derivanti dal sovraccarico della rete fognaria; tali danni sono stati suddivisi in tre categorie (König et al., 2002):

  • danno diretto – danno materiale causato dall’acqua defluente verso infrastrutture, edifici
  • danno indiretto – diffondersi di malattie, disturbi nel traffico, perdite nella produzione, costi amministrativi
  • conseguenze sociali – effetti negativi a lungo termine, la maggior parte di carattere psicologico (perdita di valore di proprietà, ritardato sviluppo economico).

Obiettivo primario della ricerca futura in tale settore dovrà quindi mirare a scongiurare il verificarsi di questi danni, o quanto meno limitarne l’impatto sulle strutture, con  particolare attenzione alla salvaguardia dell’incolumità delle popolazioni colpite, incoraggiando l’applicazione su larga scala delle tecniche di gestione sostenibile dell’ambiente urbano, che vadano a mitigare gli effetti dei fenomeni climatici estremi che si verificano con ormai sempre maggiore frequenza.

di Patrizia Piro
patrizia.piro@unical.it
Dipartimento di Ingegneria Civile, Università della Calabria.
Professore Ordinario settore scientifico-disciplinare ICAR02 (Costruzioni Idrauliche, Marittime e Idrologia). Titolare degli insegnamenti di Costruzioni Idrauliche e Impianti Speciali Idraulici. È autore di circa 130 lavori nel campo delle costruzioni idrauliche e dell’ingegneria ambientale. I campi principali di ricerca sono quelli delle misure idrauliche, dei modelli fisici e dell’Idraulica Urbana, affrontando sia aspetti teorici che sperimentali.


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