La laminazione delle Piene

Le dighe di detenzione sono una delle pratiche più efficaci per mitigare le inondazioni. Pertanto, l’impatto di queste strutture sulla risposta idrologica del bacino è fondamentale per la gestione delle inondazioni e la progettazione delle strutture di controllo delle inondazioni. Con l’obiettivo di fornire un quadro matematico per interpretare l’effetto dei sistemi di controllo del flusso sulla dinamica dei bacini idrografici, la relazione funzionale tra afflussi e deflussi viene studiata e derivata in forma chiusa. Ciò ha consentito la definizione di una distribuzione di probabilità derivata teoricamente dei picchi in uscita dai bacini di detenzione in linea. Il modello è stato derivato assumendo una forma idrografica rettangolare con una durata fissa e un picco di piena casuale. Nel presente studio, si presume che la distribuzione indisturbata delle inondazioni sia distribuita di Gumbel, ma la formulazione matematica proposta può essere estesa a qualsiasi altra distribuzione di probabilità dei picchi di piena. Un’analisi di sensitività dei parametri ha evidenziato l’influenza della capacità del bacino di detenzione e della durata degli eventi piovosi sulla mitigazione delle inondazioni sulla distribuzione di probabilità dei picchi in uscita. Il framework matematico è stato testato utilizzando per il confronto una simulazione Monte Carlo in cui vengono rimosse la maggior parte delle ipotesi semplificate utilizzate per descrivere i comportamenti della diga. Ciò ha permesso di dimostrare che la formulazione proposta è affidabile per piccoli bacini idrografici caratterizzati da una risposta impulsiva. Il nuovo approccio per la quantificazione dei picchi di alluvione nei bacini fluviali caratterizzati dalla presenza di bacini artificiali di detenzione può essere utilizzato per migliorare le pratiche di mitigazione delle alluvioni esistenti, supportare la progettazione di sistemi di controllo delle alluvioni e analisi del rischio di alluvione.

Riferimento: Manfreda, S., D. Miglino, and C. Albertini, Impact of detention dams on the probability distribution of floods, Hydrol. Earth Syst. Sci., 25, 4231–4242, https://doi.org/10.5194/hess-25-4231-2021, 2021 [pdf]

Stabilizzazione Video

Questa ricerca presenta un’indagine di diverse strategie e strumenti per la stabilizzazione dell’immagine digitale per scopi di velocimetria dell’immagine. Vengono presentati gli aspetti di base della stabilizzazione e trasformazione dell’immagine e la loro applicabilità viene discussa in termini di velocimetria dell’immagine. Vengono descritti e confrontati sette strumenti open source gratuiti in base alla loro precisione di stabilizzazione, robustezza in diverse condizioni di volo e al suolo, complessità computazionale, facilità d’uso e altro capacità. È stato inoltre sviluppato, presentato e applicato un nuovo approccio per l’analisi dell’accuratezza della stabilizzazione rapida alle sequenze di immagini stabilizzate. Sulla base dei risultati ottenuti, sono state ottenute alcune linee guida generali per la scelta di uno strumento adatto per specifici compiti di velocimetria dell’immagine. Questa ricerca mira anche a fornire una base per l’ulteriore sviluppo o miglioramento degli strumenti di stabilizzazione dell’immagine digitale, nonché per l’analisi dell’impatto della stabilizzazione sui risultati della velocimetria dell’immagine.

Pubblicazione: Ljubičić, R., D. Strelnikova, M. T. Perks, A. Eltner, S. Peña-Haro, A. Pizarro, S. F. Dal Sasso, U. Scherling, P. Vuono, and S. Manfreda, A comparison of tools and techniques for stabilising UAS imagery for surface flow observations, Hydrology and Earth System Sciences, 2021. [pdf]

Idrologia Superficiale

Da oggi è disponibile la versione e-book del libro “Appunti di Idrologia Superficiale” pubblicato dalla casa Editrice Aracne


SINTESI: Il testo offre spunti ed approfondimenti sui processi idrologici superficiali e con particolare riferimento all’interazione acqua-suolo tenendo in considerazione anche le esigenze di carattere tecnico-pratico del lettore. Per tale motivo, oltre a proporre dei contenuti di carattere generale sul tema dell’idrologia superficiale, vengono riportate informazioni utili alla caratterizzazione idrologica in differenti contesti del territorio nazionale. 

Disponibile al linkAracne Editrice

Scale di Deflusso

Il monitoraggio dei fiumi è una questione critica per la modellazione idrologica che si basa fortemente sull’uso delle curve di portata (FRCs). Nella maggior parte dei casi, le FRC sono approssimate da un adattamento ai minimi quadrati, le cui prestazioni possono essere influenzate dalla variabilità delle misure, che è spesso limitata in valori elevati. In questo contesto, una nuova formulazione è stata recentemente introdotta per sfruttare le conoscenze disponibili sulla geometria della sezione trasversale per una derivazione più robusta delle FRC. Questo metodo combina le funzioni area bagnata/stadio e velocità/stadio mediati in sezione nella derivazione delle FRCs limitando, almeno parzialmente, l’incertezza nell’estrapolazione dei valori di scarico più alti. La metodologia è testata su quattro sezioni trasversali del bacino del fiume Tevere, dove è disponibile un numero relativamente alto di misure. Questo set di dati viene utilizzato per testare l’affidabilità del nuovo approccio rispetto al metodo classico in sezioni fluviali relativamente stabili. Un approccio di jackknifing è utilizzato per capire il ruolo giocato dal numero di misurazioni e dalla gamma di osservazioni sull’applicabilità della nuova formulazione, evidenziando i suoi vantaggi in ambienti con scarsità di dati. In particolare, abbiamo osservato che il nuovo approccio diventa vantaggioso quando le osservazioni sono limitate sia in termini di gamma di osservazioni che in termini di dimensioni del campione (cioè, <10 campioni).

Pubblicazione: Manfreda, S., A. Pizarro, T. Moramarco, L. Cimorelli, D. Pianese, S. Barbetta, Potential advantages of flow-area rating curves compared to classic stage-discharge-relationsJournal of Hydrology, Volume 585, 124752, 2020. [pdf]

Distribuzione spaziale ottimale dei traccianti per applicazioni di velocimetria

Il monitoraggio dei fiumi è di particolare interesse in quanto società che deve affrontare problemi di gestione dell’acqua sempre più complessi. Le tecnologie emergenti hanno contribuito ad aprire nuove strade per migliorare le nostre capacità di monitoraggio, ma hanno anche generato nuove sfide per l’uso armonizzato di dispositivi e algoritmi. In questo contesto, le tecniche di rilevamento ottico per le velocità del flusso superficiale del flusso sono fortemente influenzate dalle caratteristiche del tracciante come la densità di semina e la loro distribuzione spaziale. Pertanto, uno degli obiettivi principali della ricerca è l’identificazione di come queste proprietà influenzano l’accuratezza di tali metodi. A questo scopo, sono state eseguite simulazioni numeriche per considerare diversi livelli di raggruppamento di traccianti, colore delle particelle (in termini di intensità della scala di grigi), densità di semina e rumore di fondo. Sono stati adottati due algoritmi di velocimetria delle immagini ampiamente utilizzati: (i) velocimetria di tracciamento delle particelle (PTV) e (ii) velocimetria delle immagini delle particelle (PIV). È stato introdotto un descrittore delle caratteristiche di semina (basato sulla densità di semina e sul raggruppamento di traccianti) sulla base di una metrica di nuova concezione denominata Indice di distribuzione del seme (SDI). Questo indice può essere approssimato e utilizzato in pratica come SDI = ν0.1 / (ρ / ρcν1), dove ν, ρ e ρcν1 sono il livello di raggruppamento spaziale, la densità di semina e la densità di semina di riferimento a ν = 1, rispettivamente. Una riduzione degli errori di velocimetria dell’immagine è stata sistematicamente osservata per valori inferiori di SDI; pertanto, la finestra del fotogramma ottimale (cioè un sottoinsieme della sequenza di immagini video) è stata definita come quella che minimizza l’SDI. Oltre alle analisi numeriche, un caso di studio sul campo sul fiume Basento (situato nell’Italia meridionale) è stato considerato come una prova di concetto del quadro proposto. I risultati sul campo hanno confermato i risultati numerici e sono state calcolate riduzioni dell’errore di circa il 15,9% e il 16,1%, utilizzando rispettivamente PTV e PIV, utilizzando la finestra di frame ottimale.

How to cite: Pizarro, A., S.F. Dal Sasso, M. Perks and S. Manfreda, Identifying the optimal spatial distribution of tracers for optical sensing of stream surface flow,Hydrology and Earth System Sciences, 24, 5173–5185, (10.5194/hess-24-5173-2020) 2020. [pdf]

Stima delle Piene Fluviali – AUTOIDRO

La stima della massima portata al colmo ovvero della massima pioggia corrispondente ad un prefissato tempo di ritorno rappresenta un elemento indispensabile per poter procedere ad un corretto programma di interventi per la difesa del suolo, la protezione idrogeologica e la prevenzione di catastrofi naturali. La finalità di questo lavoro è fornire uno strumento di natura essenzialmente didattica per il calcolo degli estremi idrologici nelle varie regioni italiane. Il lavoro raccoglie al suo interno l’esperienza degli studi svolti dal GNDCI e pubblicati nei rapporti Va.Pi. relativi ai vari compartimenti italiani. Questi studi sono divenuti per molte regioni italiane lavori di riferimento per la stesura dei piani di assetto idrogeologico. Sulla scorta di tale esperienza nasce il foglio Excel per il calcolo degli estremi idrologici denominato AUTOIDRO. Esso può essere utilizzato per una stima speditiva della portata al colmo di piena nell’ambito dei progetti dei corsi universitari delle discipline di Costruzioni Idrauliche, Idrologia, Impianti Speciali Idraulici, Protezione Idraulica del Territorio, ecc. 

AUTOIDRO consente di definire rapidamente, mediante l’identificazione della zona ed altre informazioni facilmente reperibili (e.g., area drenata del bacino, quota media del bacino e lunghezza dell’asta principale), le portate di progetto con assegnato periodo di ritorno e la curva di possibilità pluviometrica riferita alla zona selezionata. Queste informazioni sono fondamentali per una corretta progettazione di opere che interagiscono con il sistema fluviale o che servono alla regimazione delle acque pluviali.

Pubblicazione: Manfreda, S., L. Giuzio, V. Iacobellis, A. Sole, Guida tecnica al calcolo delle portate al colmo di piena (con software), Errecci Editore, pp. 57, (ISBN: 978-88-89970-61-4), 2011.   

Il software allegato alla pubblicazione è scaricabile gratuitamente mediante il link contenuto in calce. 

Delimitazione Aree Inondabili – GFA Tool

GFA – tool is an open-source QGIS plug-in to realize a fast and cost-effective delineation of the floodplains in the contexts where the available data is scarce to carry out hydrological/hydraulic analyses.

The delineation of flood hazard and flood risk areas is a critical issue whose complete achievement regularly encounters several practical difficulties. In data-scarce environments (e.g. ungauged basins, large-scale analyses), useful information about flood hazard exposure can be obtained using geomorphic methods. In order to advance this field of research, we implemented in the QGIS environment an automated DEM-based procedure that exhibited high accuracy and reliability in identifying the flood-prone areas in several test sites located in Europe, United States and Africa. This tool, named Geomorphic Flood Area tool (GFA tool), enables a fast and cost-effective flood mapping by performing a linear binary classification based on the recently proposed Geomorphic Flood Index (GFI). The GFA tool provides a user-friendly strategy to map flood exposure over large areas. 

References

Samela, C., R. Albano, A. Sole, S. Manfreda, An open source GIS software tool for cost effective delineation of flood prone areasComputers, Environment and Urban Systems, 70, 43-52 (doi: 10.1016/j.compenvurbsys.2018.01.013), 2018.  [pdf]

Samela, C., T.J. Troy, S. Manfreda, Geomorphic classifiers for flood-prone areas delineation for data-scarce environmentsAdvances in Water Resources,  102, 13-28, (doi: 10.1016/j.advwatres.2017.01.007), 2017. [pdf]

Manfreda, S., C. Samela, A. Gioia, G. Consoli, V. Iacobellis, L. Giuzio, A. Cantisani, A. Sole, Flood-Prone Areas Assessment Using Linear Binary Classifiers based on flood maps obtained from 1D and 2D hydraulic modelsNatural Hazards, 79 (2), 735-754, (doi: 10.1007/s11069-015-1869-5), 2015. [pdf]

Manfreda, S., F. Nardi, C. Samela, S. Grimaldi, A. C. Taramasso, G. Roth and A. Sole, Investigation on the Use of Geomorphic Approaches for the Delineation of Flood Prone AreasJournal of Hydrology, 517, 863-876, (doi: 10.1016/j.jhydrol.2014.06.009), 2014.

Github repository

QGIS Python Plugins Repository

MATLAB CODE

Numero Speciale su Frontiers

Questo argomento di ricerca cerca di pubblicare articoli che dimostrano l’utilità delle tecniche di velocimetria delle immagini per rilevare l’ambiente fluviale; che fanno avanzare lo sviluppo di tecniche basate sull’immagine; e informare le pratiche di distribuzione per il rilevamento dei processi di flusso del fiume. Di particolare interesse sono gli articoli di ricerca e i commenti in cui le tecniche basate sulle immagini hanno:
• Comprensione fondamentale avanzata dei processi fluviali (ad es. Dinamica del flusso di piena)
• Utilizzato come base per le previsioni dei processi fluviali (es. Erosione degli argini, trasporto di sedimenti)
• Ha portato al progresso delle pratiche industriali o gestionali (ad es. Quantificazione del flusso del fiume, valutazioni eco-idrauliche, valutazione dei pericoli, valutazione delle prestazioni della struttura ingegneristica).
Inoltre, sono ben accetti anche articoli di ricerca che riportano progressi tecnici. Questi possono includere, ma non sono limitati a:
• Nuovi approcci per il rilevamento basato su immagini delle correnti fluviali
• Valutazioni dell’applicabilità e dell’accuratezza dei flussi di lavoro e delle tecniche esistenti
• Avanzamento delle tecniche esistenti di velocimetria delle immagini
• Miglioramenti metodologici e raccomandazioni per le migliori pratiche

https://www.frontiersin.org/research-topics/17302/advances-in-image-velocimetry-for-sensing-river-flows

Erosione su Pile da Ponte

L’erosione delle fondazioni è tra le cause principali del crollo dei ponti in tutto il mondo, con conseguenti significative perdite dirette e indirette. Una vasta quantità di ricerche è stata condotta negli ultimi decenni sulla fisica e la modellazione di questo fenomeno. Lo scopo di questo articolo è, quindi, di fornire una revisione aggiornata, completa e olistica della letteratura sul problema dell’erosione delle fondazioni dei ponti, con particolare attenzione ai seguenti argomenti: (i) movimento delle particelle di sedimento; (ii) modellazione fisica e controllo dei parametri dimensionali dello scour; (iii) stime dello scour che comprendono modelli empirici, quadri numerici, metodi guidati dai dati e approcci non deterministici; (iv) monitoraggio dello scour dei ponti inclusi esempi di casi studio di successo; (v) approccio attuale per la valutazione e la progettazione dei ponti contro lo scour; e (vi) necessità di ricerca e strade future.

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Pubblicazione: Pizarro, A.; Manfreda, S.; Tubaldi, E., The Science behind Scour at Bridge Foundations: A Review. Water, 12, 374, (doi: 10.3390/w12020374) 2020. [pdf]

Stima delle aree inondabili mediante le caratteristiche geomorfiche e climatico-idrologiche del bacino

Un indice topografico (descrittore di inondazione) che combina la scala della profondità di piena con la morfologia è stato dimostrato per descrivere la tendenza di un’area ad essere inondata. Tuttavia, questo approccio dipende dalla qualità e dalla disponibilità delle mappe delle inondazioni e presuppone che i risultati possano essere direttamente estrapolati e ridimensionati. Questo lavoro tenta di rilassare questi problemi e rispondere a due domande: 1) Si possono stabilire relazioni funzionali tra un descrittore di inondazione e le caratteristiche geomorfiche e climatico-idrologiche del bacino? 2) In caso affermativo, possono essere utilizzate per una modellazione predittiva a bassa complessità delle estensioni delle piene? Le regressioni lineari stepwise e le regressioni random forest sono sviluppate sulla base dei risultati di classificazione di un descrittore di inondazione, utilizzando i risultati di modellazione delle inondazioni ad alta risoluzione come benchmark di formazione, e sulle caratteristiche del bacino. I bacini idrografici elementari di quattro bacini fluviali in Europa (Tamigi, Weser, Reno e Danubio) servono come set di dati di allenamento, mentre quelli del bacino del fiume Rodano in Europa servono come set di dati di test. Sono considerati due periodi di ritorno, il 10 e il 10.000 anni. La previsione delle estensioni delle inondazioni e delle aree soggette a inondazioni mostra che entrambi i modelli raggiungono alti tassi di successo rispetto ai benchmark di test. I valori medi sono stati trovati superiori al 60% e all’80% per i periodi di ritorno di 10 e 10.000 anni, rispettivamente. Nonostante un tasso di falsa scoperta da moderato ad alto, anche il valore dell’indice di successo critico è stato trovato da moderato ad alto. Si dimostra che mettendo in relazione i risultati della classificazione con le caratteristiche del bacino idrografico si può ottenere la previsione delle estensioni di inondazione dell’involucro per una data regione, compresi i bacini non bonificati.

Pubblicazione: Tavares da Costa, R., S. Zanardo, S. Bagli, A. G. J. Hilberts, S. Manfreda, C. Samela, e A. Castellarin, modellazione predittiva di estensioni di inondazione busta utilizzando caratteristiche geomorfiche e climatico-idrologiche bacino, Water Resources Research, (doi: 10.1029/2019WR026453), 2020.