<<La>> rappresentazione virtuale delle simulazioni 2-D delle piene in aree urbane per il miglioramento della comunicazione del rischio idraulico

Abstract

I fenomeni di allagamento di aree urbane rappresentano un problema molto attuale, poiché il numero di persone potenzialmente coinvolte ed il valore degli elementi a rischio, in termini economici, artistici e culturali, può essere notevole in larghe parti del territorio e delle aree urbanizzate. Nel contesto europeo, la Direttiva 2007/60/CE del Parlamento Europeo del 23 ottobre 2007, relativa alla valutazione e alla gestione del rischio alluvionale, prescrive di valutare il rischio attraverso studi di natura idraulica. In tale ambito, vi è l'esigenza di utilizzare strumenti predittivi e metodologie di analisi adeguati per la determinazione delle reali condizioni di rischio associate al realizzarsi di un determinato evento alluvionale. Uno studio di inondazione in area urbana, per essere di reale supporto per l'implementazione di adeguate misure di previsione e prevenzione, necessariamente deve coinvolgere una serie di aspetti che spaziano dall'acquisizione di dati topografici alla descrizione dei processi fenomenologici tipici del moto di una corrente in piena e della sua interazione con edifici e infrastrutture, agli algoritmi da utilizzare per la risoluzione delle equazioni del modello, alla restituzione dei risultati. Questa notevole mole di lavoro deve necessariamente trovare il suo sbocco naturale nella rappresentazione finale dei risultati tramite prodotti grafici che la Direttiva vigente individua nelle mappe di pericolosità e di rischio. Tuttavia la medesima Direttiva, richiama anche l’importanza della comunicazione del rischio, finalizzata al coinvolgimento dei diversi stakeholders e all’implementazione di una corretta gestione dell’emergenza. Vi è, dunque, una crescente necessità di presentare i risultati delle simulazioni idrauliche delle alluvioni in un formato che consenta una comprensione più immediata per i decisori finali e per la popolazione esposta. A tale scopo, potrebbe essere di notevole ausilio l’uso di rappresentazioni tridimensionali di alluvioni attraverso scenari virtuali ad integrazione delle classiche mappe di pericolosità da inondazione. Esse consentirebbero un incremento enorme della comprensibilità dei risultati dei complessi calcoli idraulici che sono alla base della redazione delle mappe di pericolosità. Per questo motivo, sarebbe auspicabile una competenza di base nelle tecniche di visualizzazione 3-D per la comunicazione del rischio idraulico per gli ingegneri idraulici che operano nel campo dell’analisi del rischio di alluvione. Questa tesi di Dottorato si inserisce proprio in tale contesto, e si articola in una proposta di criteri di rappresentazione di simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente di realtà virtuale 3-D, con contenuti informativi diversi, destinati a differenti target di utenti, finalizzati ad una migliore comunicazione della pericolosità idraulica Si tratta dunque di restituire i risultati dei calcoli in immagini (e, in prospettiva, in video) che possano rappresentare, sotto forma di scenari virtuali, in maniera immediata le condizioni in cui si verrebbe a trovare un luogo nel corso di un’alluvione. Dovendo le immagini rappresentare visivamente le superfici idriche calcolate, necessariamente la procedura deve basarsi su modelli di calcolo che descrivano in maniera corretta i fenomeni idraulici che occorrono nelle correnti di piena. Escludendo l’uso delle equazioni di Navier-Stokes, poiché attualmente ancora troppo onerose per l’applicazione su aree vaste, occorre riferirsi alle equazioni complete delle acque basse, formulate in modo che possano correttamente rappresentare i fenomeni cui si è fatto cenno. Per tale motivo, la tesi ha inizio con l’analisi della modellistica 2-D completa, basata sulle equazioni delle acque basse (Shallow Water Equations, SWE) formulate originariamente da De Saint Vénant. Si focalizzerà l’attenzione sulla formulazione e sui metodi di integrazione numerica idonei per ottenere delle soluzioni in grado di inglobare correttamente anche i fenomeni locali presenti nella propagazione della corrente, anche con riferimento all’interazione con la topografia e i manufatti. Inoltre, saranno descritti tutti gli elementi necessari per la simulazione di un evento alluvionale, in particolare i criteri per la corretta rappresentazione della topografia e dei manufatti, la definizione delle condizioni iniziali e delle condizioni al contorno, la stima della scabrezza. Il secondo capitolo analizzerà i concetti teorici e metodologici relativi alla mappatura della pericolosità e del rischio di alluvione, in relazione allo stato dell’arte, ai metodi e alle sperimentazioni presenti nella letteratura scientifica internazionale e, più dettagliatamente, in ambito europeo. Verranno, dunque illustrati i criteri idonei per ottemperare alla Direttiva 2007/60/EC, relativi alla redazione delle mappe di pericolosità e di rischio idraulico. Il capitolo è finalizzato a mettere in luce peculiarità e criticità delle prassi correnti, da utilizzare come riferimento per la realizzazione di strumenti intuitivi ed efficaci per la comunicazione del rischio. È stata inoltre condotta un’analisi sugli aspetti cartografici della mappatura del rischio di inondazione, mettendo in luce alcune peculiarità relative all’elaborazione e alla redazione delle mappe. Dopo l’inquadramento generale operato dai capitoli precedenti, nel capitolo 3 si focalizzerà la proposta centrale di questa tesi di dottorato, con riferimento alla situazione Calabrese. La Regione Calabria, con le risorse POR Calabria 2000-2006 si è già dotata, per l’esecuzione degli studi sulle alluvioni, di “Metodologie di individuazione delle aree soggette a rischio idraulico di esondazione”. Tali metodologie e le relative Linee Guida sono state elaborate dal Laboratorio di Modellistica numerica per la Protezione Idraulica del Territorio (da ora in avanti LaMPIT) dell’Università della Calabria in collaborazione con il CUDAM (Università di Trento), con l’Università di Pavia e con l’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS (Trieste). Questa tesi, svolta all’interno del LaMPIT, vuole essere un ideale sviluppo di quelle Metodologie. Esse sono basate sulle SWE trattate secondo i metodi e gli accorgimenti che appartengono alle categorie descritte nel capitolo 2 e, pertanto, le soluzioni da esse ottenute sono compatibili per l’uso finalizzato a una corretta trasposizione in immagini. La presente tesi ha perciò preso in esame i risultati di un caso di studio sviluppato per la Regione Calabria. Tali risultati furono rappresentati nelle Linee Guida secondo i classici canoni delle mappe di pericolosità. Tuttavia, come già osservato, le potenzialità di simulazione dei dettagli fisici conseguibili con i modelli numerici utilizzati potrebbero consentire la restituzione di tali risultati in immagini virtuali. Tra tutti i casi trattati nelle Linee Guida, si è voluto qui prendere in esame quello della mappa di pericolosità di inondazione del centro storico di Cosenza. Cosenza è attraversata dai fiumi Crati e Busento, che confluiscono proprio all’interno del centro urbano. Nonostante la città sia stata preservata da alluvioni negli ultimi 60 anni, Cosenza ha storicamente subito molte volte le conseguenze delle esondazioni dei suoi fiumi. Per documentare questo, una parte del lavoro di questa tesi si è voluto dedicarla alla descrizione degli eventi storici ricavata da documenti consultabili presso l’Archivio di Stato, la Biblioteca Nazionale, la Biblioteca Civica di Cosenza e concentrando l’attenzione non solo sugli aspetti idrologici, ma anche sugli effetti idraulici e sull’uso del suolo. L’ultima alluvione si verificò il 24 novembre 1959 e benché esista una discreta documentazione fotografica della situazione post-evento, non si ha nessuna immagine della città con l’alluvione in corso di svolgimento. Pertanto solo alcuni anziani abitanti dei luoghi alluvionati ricordano gli scenari vissuti. Le nuove generazioni non sono consapevoli di quali sarebbero questi scenari se oggi si verificasse l’esondazione dei fiumi. In verità le classiche mappe non sono lo strumento più intuitivo per trasferire tale consapevolezza alla popolazione. È questo il motivo per il quale si è scelto di implementare la procedura di visualizzazione oggetto di questa tesi proprio per la città di Cosenza. Pertanto, il terzo capitolo dopo un excursus storico, ha analizzato la simulazione idraulica di un’ipotetica alluvione di progetto riferita a un tempo di ritorno di 500 anni. Il quarto capitolo è incentrato sullo sviluppo di un workflow per rappresentare simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente 3-D realizzato utilizzando la tecnica della texture mapping. Vengono discussi i risultati conseguiti, nonché le potenzialità di questo tipo di rappresentazione ai fini di un miglioramento della consapevolezza e della percezione del rischio da parte della popolazione, ai fini della preparazione e pianificazione dell’emergenza e supporto nella stima del danno alluvionale. La procedura proposta è stata applicata per la visualizzazione di immagini virtuali relative al caso studio descritto nel capitolo precedente. Il quinto capitolo propone un secondo prodotto di realtà virtuale realizzato utilizzando dati provenienti dal laser scanner terrestre. Sono descritte le campagne di acquisizione nonché le diverse fasi di gestione dei dati e di visualizzazione. Inoltre, si proporrà un ambiente interattivo, basato sulla tecnologia Web-GL, per la visualizzazione di scenari di inondazione utilizzando nuvole di punti di grandi dimensioni. Segue una discussione sulle potenzialità di questo prodotto ai fini del disaster management. Il capitolo finale è dedicato alle conclusioni generali e alle prospettive future.