Processi di propagazione delle piene e di infiltrazione lungo i conoidi del Cellina e Meduna

The thesis deals with the problem of modeling flood propagation along large and permeable alluvial fans in which non negligible infiltration and sub-channel flow is present. In particular, the study considers the large alluvial fans of Cellina and Meduna rivers, Livenza River Basin, District of the Eastern Alps. These alluvial fans, located at the mouth of their mountain basins and manned by hydroelectric reservoirs, represent the connection between the mountain part and the plain part of the two streams, which then merge into the Livenza River. In the early chapters of the thesis, the natural environment is described and a review is made of some of the previous studies about the propagation and infiltration phenomena along these two fans. In chapter three the proposed mathematical model for simulating runoff and infiltration phenomena, coupled together, is described. Starting from an available finite element model, which integrates the two-dimensional shallow water equations, a new model was developed. The proposed model couples the two-dimensional shallow water flow model with an original sub-surface module which accounts for the presence of infiltration and sub-channel flow. In the proposed model the interaction between surface runoff and sub-surface flow, linked through the vertical infiltration, is based on mass conservation (i.e., no dynamic interaction is included in the model). The sub-surface model uses a mixed "Horton-Dunne"representation of the infiltration processes and a loss of water for infiltration toward the deep layers of the ground is also included. The saturation of the hypodermic layer is assumed to occur when the amount of water incoming into the computational element (from adjacent cells and / or by precipitation) exceeds the infiltration capacity towards the deep layers (Hortonian mechanism). Moreover, we assume that surface runoff starts when the groundwater surface intersects or exceeds the land surface, that is to say, when the hypodermic layer is completely saturated (Dunne mechanism). The fourth chapter describes the monitoring networks and the available data used to validate the model. In the fifth chapter a sensitivity analysis, with respect to the main parameters used in the model, is described. The results of these simulations highlighted that the sub-channel flow is generally small when compared to free surface flow. However, the analysis also showed that flood peak and volume are largely reduced during the propagation both because of the water loss by infiltration and because of water storage in the ground surface layer. The sixth chapter describes the application of the model to three recent real events, provided with measured data. These are the flood events that occurred in November 2000, 2002 and 2010. The results demonstrate the effectiveness of the proposed model to simulate the flow over large, permeable alluvial fansIl lavoro affronta lo studio dei fenomeni di propagazione delle piene lungo le particolari strutture naturali dei conoidi alluvionali. Tali ammassi ghiaiosi durante il deflusso delle portate sono sede anche di fenomeni di infiltrazione. Lo studio è stato applicato agli ampi conoidi dei torrenti Cellina e Meduna, nel bacino del fiume Livenza, distretto delle Alpi orientali. I conoidi, situati allo sbocco dei rispettivi bacini montani e presidiati da serbatoi idroelettrici, rappresentano il collegamento tra la parte montana e quella di pianura dei due corsi d'acqua che poi confluiscono nel Livenza. Nei primi capitoli viene inquadrato l'ambiente naturale oggetto del lavoro e sono recensiti alcuni dei precedenti studi conoscitivi e sui fenomeni di propagazione ed infiltrazione lungo i due conoidi. Nel capitolo terzo è descritta l'originale soluzione per la trattazione dei fenomeni accoppiati del deflusso ed infiltrazione. Sulla base di un modello propagatorio bidimensionale ad elementi finiti è stato sviluppato e messo a punto un apposito modulo che integra il modello bidimensionale per considerare in maniera accoppiata il deflusso superficiale e quello sub-superficiale, considerando quindi la presenza dell'acqua anche negli strati sub-superficiali del terreno. Lo strato di terreno considerato nella schematizzazione è perciò interpretato dal modello come un mezzo poroso, del quale vengono prese in considerazione proprietà fisiche quali la porosità e la conducibilità idraulica. Nel modello proposto l'interazione tra deflusso superficiale e sub-superficiale, legata ai processi di infiltrazione verticale, è descritta in modo da consentire di mantenere una struttura semplice dello schema numerico, comportando modifiche non sostanziali dell'equazione di continuità e delle equazioni della dinamica, per tener conto della porosità del terreno e del flusso nel mezzo poroso stesso. Nel caso in esame la conducibilità idraulica verticale nello strato superficiale del terreno (strato ipodermico) è sufficientemente grande in relazione allo spessore dello strato stesso, e si può quindi assumere che il modello rappresenti in modo adeguato i processi fisici reali. Da questo punto di vista, è possibile interpretarla come una schematizzazione mista Hortoniana-Dunniana del processo di saturazione dei suoli, considerando nel modello una eventuale perdita d'acqua per infiltrazione verso gli strati profondi del terreno. In questo modo si può riassumere che la saturazione dello strato ipodermico avvenga quando l'ammontare di acqua in arrivo all'elemento di calcolo (dalle celle adiacenti e/o da precipitazione) eccede la capacità di infiltrazione verso gli strati profondi (meccanismo Hortoniano) e che il deflusso superficiale inizi quando la superficie di falda interseca o supera la quota del terreno, cioè quando lo strato ipodermico è completamente saturo (meccanismo Dunniano). Nel quarto capitolo sono descritte le reti di monitoraggio e i dati disponibili utilizzati per la validazione del modello. Nel capitolo quinto sono descritte le analisi di sensibilità rispetto ai principali parametri utilizzati nel modulo. Le indicazioni ricavate da questa prima fase di simulazioni hanno messo in evidenza come le portate di filtrazione, cioè riferibili alla parte di subalveo, risultino trascurabilmente piccole rispetto alle portate di piena. Inoltre è stato evidenziato come si sviluppino marcati effetti di laminazione dovuti alla saturazione del subalveo, per effetto dell'invaso e come l'infiltrazione profonda abbia un ruolo importante nella riduzione dei volumi in transito. Nel capitolo sesto viene descritta l'applicazione del modello accoppiato a tre eventi reali recenti e quindi caratterizzati da un discreto grado di conoscenza dei valori misurati. Si tratta delle piene accadute nei mesi di novembre del 2000, 2002 e nel recente 2010. Il modulo si è dimostrato in grado di riprodurre l'andamento dei livelli nella sezione di riscontro a valle delle tratte dei torrenti Cellina e Meduna caratterizzate dalla presenza dei conoidi alluvional