L'uso di HEC-RAS 5.0 per la verifica idraulica

La verifica idraulica di un corso d'acqua è una operazione resa complessa dalle tante variabili ambientali in gioco. Inizia con la definizione delle portate di piena, relative ai rispettivi tempi di ritorno, prevedibili in base al regime pluviometrico locale ed alle caratteristiche del bacino. Il protocollo di calcolo afferente a questa prima fase è stabilito univocamente dalle Autorità di Bacino competenti che pubblicano i modelli di regionalizzazione delle piogge e delle portate, relative ai diversi bacini regionali.

Per portata, è noto, si intende il volume di fluido che nell'unità di tempo passa attraverso una certa sezione. La portata di massima piena, che è quella che riveste un notevole interesse ai fini della previsione degli eventi calamitosi, è quella che si verifica in coincidenza della pioggia critica, la precipitazione cioò che ha durata pari al tempo di corrivazione del bacino. Inoltre il tempo di ritorno della pioggia critica deve essere uguale al tempo di ritorno della portata di massima piena. La portata di piena può essere calcolata con l'equazione del metodo razionale:

Q_max = C h A K (1/Tc)

Dove:

C: coefficiente di deflusso. E' funzione della quantità d'acqua di run-off.
h: altezza di precipitazione (mm). Viene definita di norma sulla base di una legge di pioggia, espressa dall'eq. h = atⁿ dove a ed n sono delle costanti caratteristiche del sito e funzione del tempo di ritorno, mentre t è la durata della pioggia. La legge di pioggia si costruisce sulla base di una serie sufficientemente lunga di dati rilevati in una certa stazione pluviometrica, ed ha valore locale.
Tc: tempo di corrivazione (in ore). Ƞil tempo necessario ad una particella d'acqua per coprire la distanza tra lo spartiacque e la sezione di chiusura. Il tempo di corrivazione viene calcolato attraverso diverse metodologie. L'equazione di Giandotti ad esempio, è usata per bacini di ampiezza maggiore di 20 km²:

Tc = [4 √A + 1.5L] / [0.8 √(H_m-H₀)]

Dove:

L: lunghezza (km) della traiettoria più lunga percorsa dalla particella d'acqua tra lo spartiacque e la sezione di chiusura.
H_m: la quota media del bacino (m)
H₀: la quota della sezione di chiusura (m)
A: area del bacino (km²)
K: è una costante correttiva pari a 0.2777

Una volta quantificate le portate di piena (Q), riferite alle relative probabilità di accadimento (tempi di ritorno), occorrerà metterle a confronto con i valori di portata che si ritiene siano "accettabili" in base alle caratteristiche del corso d'acqua in esame (portate di progetto Q_p), in modo che risulti Q_P < Q.
Per tale motivo le portate "accettabili" verranno calcolate in base ai dati morfometrici rilevati (pendenza, geometria delle sezioni, scabrezza, ecc.). In particolare la scabrezza, definita da un coefficiente numerico (numero di Manning), che tiene conto della natura dell'alveo, della regolarità della sua forma, della presenza di vegetazione ecc., ha una importanza notevole contribuendo in modo incisivo a quantificare la resistenza opposta al flusso.
 

Occorrerà inoltre ipotizzare le caratteristiche del flusso: moto uniforme, permanente o vario?

1) Moto uniforme. Se si ipotizza un flusso con velocità, densità e pressione costanti in tutti i punti della sezione e per tutto l'intervallo di tempo considerato. E' una condizione prettamente teorica alla quale tuttavia si approssimano certi canali artificiali o certe condotte idrauliche. Il calcolo della portata di progetto viene fatto generalmente con l'equazione di Manning - Strickler:

Qp = A^5/3 B^-2/3 n^-1 i_f^1/2

Dove:

A è l'area della sezione bagnata (m²)
B il contorno bagnato (m)
n è il coefficiente di Manning
i_f è la pendenza del fondo.

2) Moto permanente. Le caratteristiche del flusso sono variabili nei diversi punti della sezione ma costanti nel tempo. La verifica idraulica al moto permanente si fa eguagliando l'equazione dell'energia per due sezioni successive:

Y₂ + Z₂ + (a₂V₂² / 2g) = Y₁+Z₁+ (a₁V₁² / 2g) + h_e

Dove:

Y_n è il tirante idrico per la sezione n.
V_n è la velocità del flusso in transito attraverso la sezione n.
g è l'accelerazione di gravità.
a_n è il coefficiente di ponderazione della velocità relativo alla sezione n.
h_e è la perdita di energia tra le due sezioni, calcolabile in funzione dell'attrito, della distanza tra le sezioni, dei coefficienti di contrazione ed espansione del flusso.
Z_n è la quota della sezione n.

3) Moto vario. In questo caso le caratteristiche del flusso sono variabili sia nel tempo che nello spazio. Tale tipo di flusso, che si verifica tipicamente in condizioni di apertura e chiusura di opere di captazione e/o regolazione ovvero, ad esempio, in condizioni di brusca ostruzione del flusso, è descritto tramite le equazioni differenziali di Saint Venant. Si tratterebbe per lo più di una situazione transitoria del flusso.

Di norma le verifiche idrauliche vengono eseguite al moto permanente.

In sintesi dunque è possibile verificare la condizione Q < Q_p per tutte le singole sezioni trasversali considerate, in modo da determinare se e per quali tempi di ritorno può verificarsi esondazione, ovvero quali effetti possono essere prodotti da interventi di qualsiasi natura all'interno dell'alveo, o ancora quali aree possono essere classificate a rischio di inondazione e con quale probabilità.

Il calcolo è evidentemente piuttosto complesso a causa delle numerose variabili in gioco. Uno strumento di lavoro molto efficace è il software HEC-RAS.

HEC-RAS è un software di pubblico dominio, sviluppato tra il 1995 ed il 2016. La versione 5.0 è stata rilasciata a Febbraio 2016 dall'Hydrologic Engineering Center per la U.S. Army Corps of Engineers., ed è liberamente scaricabile dal sito web http://www.hec.usace.army.mil/.

Il programma consente il calcolo sia monodimensionale che bidimensionale (funzione presente per la prima volta in Hec-Ras a partire dalla versione 5.0) del profilo idraulico, sia per corsi d'acqua naturali che artificiali, e per qualsiasi tipo di flusso. Consente inoltre di modellizzare il trasporto solido sul fondale, tiene conto della presenza di svariate opere idrauliche, consentendo di realizzare modelli davvero molto aderenti al contesto reale.

In conclusione è possibile dire che la grande diffusione di HEC-RAS, favorita non solo dal fatto di essere freeware ma anche dalla notevole affidabilità nei risultati, garantita dall'autorevolezza dell'Ente che ne segue lo sviluppo, ha reso questo software uno strumento condiviso non solo dai professionisti, ma anche dagli Enti che effettuano studi sul territorio o che nell'ambito delle proprie funzioni rilasciano i pareri sui singoli interventi.