Sistemi radar per il monitoraggio dei livelli e delle portate del

Sistemi radar per il monitoraggio dei livelli e delle portate del
reticolo idrografico della Regione Lazio
Innovative radar technology for water level and river discharge
monitoring in the rivers of Regione Lazio
Francesco Mele1 Domenico Spina2 Guido Bernardi3
1. Regione Lazio – Agenzia Regionale di Protezione Civile – Centro Funzionale Regionale – [email protected]
2. Regione Lazio – Agenzia Regionale di Protezione Civile – Centro Funzionale Regionale – [email protected]
3. CAE S.p.A, – [email protected]
Abstract: Descrizione dello sviluppo teorico e dell’applicazione pratica realizzata nel monitoraggio in continuo delle portate nel territorio
laziale attraverso 10 stazioni di misura di velocità superficiale e di livello.
Abstract: description of the operational performance of 10 automatic stations within the regional hydrological and meteorological observation
network of Regione Lazio, where continuous discharge monitoring in real time based on water level and surface velocity measurement has been
implemented.
Keywords: Non-contact discharge radar, Microwave surface velocity measurements; Discharge measurements; Entropy maximization;
Probabilistic approach
Introduzione
Come noto le misure di portata dei corsi d’acqua rappresentano uno degli elementi più rilevanti dell’idrologia operativa in relazione agli aspetti
della valutazione della risorsa e del bilancio a scala di bacino. Altrettanto d’interesse sono le valutazioni finalizzate alle attività di Difesa del
Suolo e di Protezione Civile connesse alla stima dei livelli idrici conseguenti al verificarsi di determinate portate di piena. Peraltro è altrettanto
noto che, mentre è relativamente semplice misurare il livello idrico di un corso d’acqua, le misure di portata, specialmente in condizioni di piena,
risultano particolarmente complesse e richiedono campagne di misure stagionali sistematiche. La soluzione comunemente adottata è quindi quella
di riferirsi a valutazioni indirette delle portate, tramite la misura dei livelli, previa definizione di “scale di deflusso“ che individuano una
corrispondenza biunivoca tra livelli idrici e portate. Tale metodologia, che ha il grande pregio di riferirsi a misure facilmente automatizzabili ed
eseguibili anche in remoto, presenta anche notevoli controindicazioni quali la necessità di aggiornamento periodico delle misure di portata per la
fisiologica variazione geomorfologica ed idraulica del sito di misura e la totale mancanza di informazioni sul regime idrodinamico del deflusso.
Per superare tali inconvenienti il Centro Funzionale regionale ha in corso di avanzata sperimentazione ed implementazione tecnologie di misura
del campo di velocità del corso d’acqua tramite sensori radar che consentono una valutazione diretta delle portate.
Teoria
I sensori a microonde per la misura della velocità superficiale in un corso d’acqua, hanno allargato le possibilità consentendo l’uso della teoria
entropica. L’approccio probabilistico entropico trae origine dal principio di massimizzazione dell’entropia. Il concetto cardine del principio è che
in un sistema fisico, entro determinati vincoli assegnati, l’entropia tende a massimizzarsi in quanto gli eventi casuali tendono a presentarsi nel
maggiore disordine possibile. Un modello probabilistico basato sulla massimizzazione dell’entropia in una sezione trasversale di un corso
d’acqua, si può sviluppare derivando una distribuzione bidimensionale della velocità nella forma. Il metodo basato sull’approccio entropico
permette la stima della velocità media sulla sezione partendo da osservazioni della velocità massima puntuale e dalla calibrazione di un parametro
entropico. Tale modello predittivo, applicabile anche in forma semplificata, ha però il difetto di non consentire facilmente lo sviluppo tecnologico
di un’applicazione alla misurazione continua delle portate. La ragione sta nel fatto che il metodo prevede la misura della velocità puntuale
massima occorrente nella sezione. E’ facile comprendere come sia complesso, se non impossibile, garantire che la misura di velocità effettuata da
un sensore fisso, come quello previsto in una stazione di misura delle portate, possa sempre corrispondere al punto in cui si verifica la velocità
massima, in termini di posizione verticale e orizzontale, al variare delle condizioni di moto e di tirante idrico. E’ però possibile applicare una
variante metodologica che preveda la stima della velocità media nella sezione in base alla proporzionalità tra velocità superficiale e velocità
media sulla verticale in cui viene effettuata la misura. Questo metodo applicabile con buoni risultati a sezioni particolarmente regolari, è stato
adattato a sezioni morfometricamente variabili nell’ipotesi di conservazione della cadente dei carichi totali, altrimenti nota come pendenza
motrice. Sulla base di studi riportati in letteratura da parte di diversi autori, la velocità media in [m/s] della sezione i di misura, può essere
espressa tramite:
[1]
= ∙ con misura della velocità superficiale ottenuta dal radar misurata in [m/s]. Il problema dell’estensione della misura della velocità media locale
in velocità media globale viene risolto suddividendo la sezione in i=1, ..,s strisce verticali per ognuna delle quali la pendenza motrice viene
espressa dalla
[2]
=
= Nell’ipotesi che la pendenza motrice sia la stessa per ognuna delle sezioni, possiamo esprimere allora la portata, espressa in [m3/s], che transita
nella sezione attraverso la
[3]
= ∑ = ∑ ∙ = ∑ ∙
∙
∙
=
∙
∙ ∑ ∙
2
=
∙
∙ ∑
∙ con raggio idraulico della sezione j-esima [m], area bagnata della sezione j-esima [m ], coefficienti di scabrezza di Manning, raggio
idraulico della sezione i-esima di misura del sensore [m], coefficienti di scabrezza di Manning della sezione di misura del sensore, la
velocità media in [m/s] della sezione i di misura.
Composizione strumentale del sito tipo
La scala di deflusso tradizionale fornisce risultati accettabili se si è interessati alla valutazione del bilancio idrico a scala annuale, dominato da
portate medio-basse, mentre può risultare inadeguata per la valutazione dei deflussi di piena dove si possono commettere errori dell’ordine del
20%. Infatti in condizioni di deflussi elevati, ammesso che ricorrano i requisiti di sicurezza per gli operatori che effettuano le misure di portata, si
può verificare il fenomeno del cappio di piena, ovvero a parità di livello idrometrico corrispondono due valori di portata differenti nel caso in cui
la misurazione venga effettuata in fase di crescita o in fase di diminuzione dell'onda di piena (Figura 1). Nella fase iniziale di implementazione
del sistema viene condotta una campagna di rilievo della sezione di misura, estesa fino alla quota di sfioro. Il modello di calcolo della portata
realizzato è in grado, dopo un'iniziale calibrazione dei parametri sito-specifici, di stimare la velocità media della corrente all'interno della sezione
di misura a partire dai dati di velocità superficiale e, per ogni livello idrometrico misurato, di combinarli con l'area bagnata restituendo una
misura affidabile in tempo reale della portata in corrispondenza del sito di installazione. La calibrazione viene eseguita attraverso la modellazione
del segmento del corso d'acqua all'interno del quale ricade la
sezione di interesse. Questa si basa su una serie di campagne di
misura diretta della portata in diversi regimi idraulici e su un
certo numero di rilievi topo-batimetrici a monte e a valle della
sezione di misura. Per la calibrazione potrà inoltre essere
valorizzata la scala di deflusso della sezione in oggetto, qualora
disponibile e in corso di validità.
Una volta calibrato, il modello offre la possibilità di:
•
•
•
•
•
misurare portate in tempo reale con un miglioramento
della precisione nella determinazione delle stesse;
riconoscere il cappio di piena;
misurare la velocità come precursore del picco di
piena;
evidenziare cambiamenti sostanziali nella geometria
dell'alveo nella sezione di misura;
misurare correttamente anche in presenza di trasporto
solido sul fondo.
Figura 1 Rappresentazione del cappio di piena e della segmentazione della
sezione di un fiume.
Progetto
L’opportunità
di
poter
disporre di un attendibile dato
di portata transitante in
corrispondenza delle stazioni
idrometriche di maggiore
interesse
assume
un
rimarcabile valore tecnicooperativo e rappresenta un
miglioramento tangibile nel
quadro dell'ottenimento di
una base di dati informativa
propedeutica al processo
decisionale.
Nella fattispecie, i requisiti di
stabilità ed affidabilità del
Figura 2 A sinistra: rete di monitoraggio convenzionale del Centro Funzionale della Regione Lazio. A destra: le
dato rilevato, sotto l'aspetto
10 stazioni di misura della portata con tecnologia radar.
sia
qualitativo
che
quantitativo, concorrono attivamente in numerosi aspetti operativi: l'incremento della stabilità del dato e la limitazione delle oscillazioni dello
stesso consentono, da una parte, di poter prescindere sia pure parzialmente dalle risultanze delle scale numeriche delle portate, dipendenti a loro
volta dalla bontà delle misure in situ ma, per loro natura, affette da una intrinseca imprecisione strutturale e dall'altra di poterne migliorare
l'efficienza.
Inoltre, le finalità di Protezione Civile richiedono una approfondita conoscenza dei volumi d'acqua coinvolti nei fenomeni di deflusso
superficiale, in modo da indirizzare il processo decisionale nella più efficace direzione di tutela della pubblica e privata incolumità.
Il calcolo dei bilanci idrologici ed idrogeologici richiede, infine, la stima più precisa possibile delle quantità di risorsa in gioco nei bacini di
riferimento.
I precedenti principi teorici hanno quindi guidato la scelta della localizzazione dell'installazione dei misuratori di velocità, abbinate alle
specificità di ogni singola realtà locale. La centralità del fiume Tevere ha determinato l'esigenza di incrementare la strumentazione ad esso
dedicata: i misuratori di Stimigliano, Ponte del Grillo, e Foro Italico arricchiscono il bagaglio informativo disponibile per l'asta fluviale, ed al
contempo, agiscono nella risoluzione di particolari imprecisioni. Più nel dettaglio, la stazione di Ponte del Grillo non dispone di una scala di
deflusso sufficientemente affidabile, stante l'impossibilità dell'ottenimento di misure di portata in situ indipendenti dal trasporto solido ed alla
difficoltà di una realistica ricostruzione della sezione batimetrica. La stazione di Stimigliano è sensibilmente influenzata dall'andamento
meandriforme del corso d'acqua e dall'estensione bidimensionale delle aree golenali nonché dal rallentamento della corrente di deflusso.
L'installazione della stazione del Foro Italico ha permesso di fissare un punto di monitoraggio immediatamente a valle della confluenza del fiume
Aniene, il quale, accoppiato con l'installazione della stazione di Ponte Mammolo, fornisce una chiara stima del contributo dell'Aniene nella città
di Roma. Gli aspetti peculiari del corso d'acqua del Liri, in particolare nel suo transito nel centro della città di Sora, hanno determinato la
necessità di acquisire informazioni idrauliche più precise ed hanno condotto all'installazione del misuratore situato a Sora. Da questo punto di
vista, la necessità di integrare tale informazione con una sezione di controllo dello stesso fiume in corrispondenza dell'ingresso nel territorio
regionale, ha portato all'installazione dello strumento sul ponte di Madonna della Pace. La funzione dello strumento di Ceccano non si limita
unicamente a fornire una misura attendibile del fiume Sacco, ma anche nel risolvere le incertezze sulla correttezza dell'insieme delle scale di
deflusso elaborate lungo il corso del fiume stesso derivanti anche dalla presenza di numerosi sbarramenti e opere trasversali che inevitabilmente
producono la bacinizzazione dei deflussi. Per le stazioni di Pontinia sul fiume Sisto nella pianura pontina, di Terria, sul fiume Velino nella piana
di Rieti e di Cassino sul fiume Rapido, l'installazione dei misuratori radar trae motivo dalla necessità di ridurre le incertezze connesse al deflusso
ai fini delle attività di supporto alla decisione in materia di Protezione Civile.
Risultati
La rete di monitoraggio dei livelli e delle portate del reticolo idrografico a mezzo di sistemi radar, del quale si è dotato il Centro Funzionale
Regionale del Lazio, consente la misura affidabile delle portate dei corsi d’acqua geograficamente distribuiti nel territorio e di inviare i dati con
cadenza di quindici minuti alla centrale di controllo per l’elaborazione di allarmi, statistiche e report storici. Il sistema complessivo ha l’obiettivo
fondamentale di consentire lo svolgimento di attività e procedure complesse di supporto nella mitigazione del rischio e di permettere la massima
condivisione delle informazioni tra tutti i soggetti che svolgono attività di monitoraggio e prevenzione. Nell’utilizzo continuativo del sistema si è
avuta dimostrazione dell’accuratezza delle misure anche attraverso verifiche puntuali a campo avvenute in siti e regimi idraulici differenti.
In allegato vengono descritti, per la stazione del Tevere al Foro Italico, i due eventi massimi di piena misurati dalla stazione negli anni 20142015. Nello specifico vengono rappresentati i dati di portata relativi all’acquisizione dei sistemi radar in continuo, confrontati con i dati di portata
ottenuti con il metodo tradizionale basato sulla definizione della scala di deflusso evidenziando in tal modo i requisiti di stabilità ed affidabilità
del dato radar.
E’ stato inoltre verificato che in alcuni siti (Liri a Madonna della Pace) l’incremento della velocità del corso d’acqua monitorato può costituire un
valido precursore (in media due ore prima) per il preannuncio di piena.