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
Stima delle portate di piena di assegnato rischio
…… il metodo ideale ……



è semplice da capire e da utilizzare
è basato su pochi dati facilmente reperibili
è universalmente applicabile



a qualunque scala spazio – temporale
in qualunque contesto geografico
è trasportabile da un sito all’altro
 fornisce stime affidabili (capacità di descrivere le statistiche

dei dati stime
sperimentali)
e “robuste”
(capacità
di fornire
fornisce
“affidabili”
(capacità
di descrivere
le
previsioni dei
condati
ridotta
incertezza)e “robuste” (capacità di
statistiche
sperimentali)
fornire previsioni con ridotta incertezza)
Esercizio
Esercizioe eManutenzione
Manutenzione
delle
delleDighe
Dighe
1515aprile
aprile2003
2003- Roma
- Roma
…... nella realtà ……


i 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
i metodi più complessi non sono “user friendly”, rappresentano
solo in parte la complessità del bacino idrografico, richiedono
una mole rilevante di informazioni sperimentali

i dati idrologici sperimentali sono assai limitati se non
assenti per la maggior parte delle applicazioni
……
problema irresolubile ? …...
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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.
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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
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Rischio
tempo di ritorno T (anni)
T è definito come il numero di anni che mediamente intercorre
tra due superamenti del valore Q’ da parte della grandezza
idrologica Q
T(Q’) = media (1, 2, 3, ..)
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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) idrologico HN , 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 N anni di esercizio previsti.
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Tecniche di stime delle portate di piena di assegnato
rischio (tempo di ritorno)
Metodi deterministici
Relazioni empiriche
Curve inviluppo
Massima Piena Probabile
(PMF)
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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)
………
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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)
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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
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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 pluvioidrometrica 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).
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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
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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
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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 / 
QT portata 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)
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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.
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Metodi indiretti – Modelli di trasformazione
afflussi deflussi
Modelli ad evento / di simulazione
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Metodi indiretti – Modelli di trasformazione
afflussi deflussi
Modelli di simulazione
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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.
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Campi di applicazione delle diverse metodologie di
valutazione delle piene in relazione alla scala spaziale
ed alla frequenza (tempo di ritorno T) della stima
A: Regionalizzazione statistica
B: Metodo razionale
C: Scenari idrologico-climatici
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Approccio metodologico utilizzato da ENEL per la
valutazione delle portate di piena di assegnato
rischio
1. 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.
2. 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
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3. 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
4. Verifica della congruenza tra le stime di portata ottenute
mediante i due approcci
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Filosofia dell’approccio utilizzato

Raccogliere la maggior informazione sperimentale possibile,
così da rappresentare al meglio le caratteristiche
geomorfoclimatiche proprie del bacino idrografico

Sviluppare lo studio sulla base dei più recenti sviluppi
teorico applicativi tenendo anche conto, per quanto
possibile, dei risultati forniti dagli studi pregressi

Utilizzare nella misura più completa possibile l’intera
informazione idrologica reperita, avvalendosi
contemporaneamente sia dei dati di apporto sia delle
caratteristiche pluviometriche
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Sintesi dei risultati degli studi
Numero dighe esaminate:
Ubicazione:
Superficie bacini imbriferi:
104
su tutto il territorio nazionale
0.4 – 2350 km2
Quota media bacini imbriferi: 300 – 2990 m s.l.m.
Anno di costruzione:
N.dati raccolti:
1910-1970 (1937 anno medio costr.)
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”
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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
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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.
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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.
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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
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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
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 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.
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