Software per l'Ingegneria Idraulica: Applicazioni e Modellazione

L'insegnamento dell'ingegneria idraulica richiede la conoscenza dei concetti base e l'utilizzo di software specifici per la modellazione di reti di drenaggio urbano, distribuzione idrica e corsi d'acqua bidimensionali. È fondamentale comprendere le potenzialità, i limiti e le approssimazioni derivanti dall'applicazione di modelli numerici a casi reali.

Al termine del corso, lo studente deve essere in grado di identificare i parametri e i componenti chiave dei sistemi idraulici, applicare modelli numerici appropriati per la verifica delle infrastrutture, analizzare i risultati dei software e gestire le problematiche della modellazione numerica. Inoltre, è essenziale acquisire familiarità con la terminologia tecnica in inglese utilizzata dai software.

Lo studente deve possedere gli strumenti per applicare in modo critico e autonomo i software a problemi reali, valutare le elaborazioni prodotte da terzi e presentare i risultati dei modelli numerici in modo chiaro, utilizzando testi, tabelle e grafici. Non sono richieste propedeuticità specifiche, ma è utile avere conoscenze di idraulica e idrologia, nonché familiarità con computer e programmi come Microsoft Word ed Excel.

L'insegnamento risponde alla crescente domanda di modelli numerici nell'ingegneria idraulica. In particolare, si analizzeranno software a distribuzione gratuita, ampiamente utilizzati negli studi professionali nazionali e internazionali.

Software Specifici e Loro Applicazioni

1. SWMM (Storm Water Management Model)

Il software SWWM sviluppato dall’Environmental Protection Agency (EPA) statunitense è utilizzato per l'analisi e il dimensionamento dei sistemi di fognatura e drenaggio urbano, con particolare attenzione ai dispositivi di laminazione delle portate e alle tecniche di intervento a basso impatto LID (Low Impact Development). Si farà anche cenno alle stazioni di pompaggio.

2. EPANET

Il software EPANET sviluppato dall’EPA statunitense viene utilizzato per il dimensionamento e la verifica di reti idriche in pressione (acquedotti, impianti di irrigazione, impianti antincendio). Alla simulazione idraulica delle condotte in pressione saranno affiancati gli aspetti legati alla qualità modellando nel contempo l’età dell’acqua in tutta la rete. Si affronteranno i problemi di gestione della rete introducendo regole di controllo più o meno complesse dei componenti che la costituiscono.

In EPANET le reti, che possono anche avere una topologia complessa, vengono rappresentate come un insieme di tratti e di nodi. Il software simula sia il moto idraulico che la qualità delle acque all’interno delle condotte, calcolando le grandezze caratteristiche in ogni singolo tratto e nodo. la progettazione e dimensionamento di nuove reti di distribuzione idrica (ad es., rete potabile.

3. HEC-RAS 2D

Si introdurrà il recente software HEC-RAS 2D sviluppato dallo United States Army Corps of Engineers (USACE) e sempre più utilizzato negli studi professionali. La modellazione 2D, oltre a descrivere la dinamica fluviale, risulta particolarmente utile nella simulazione di scenari di allagamento e nella definizione delle aree inondabili. HEC-RAS (River Analysis System) è un software per lo studio idraulico dei sistemi fluviali.

È progettato per simulare il moto dell'acqua in corsi d’acqua naturali o canali artificiali e fornisce un insieme completo di strumenti per l'analisi e la previsione del moto delle correnti a pelo libero. Consente inoltre di modellare fenomeni idraulici complessi, come la propagazione delle piene, il trasporto solido, e i fenomeni di inondazione. In HEC-RAS è possibile effettuare simulazioni in diversi regimi di moto, tra cui il moto uniforme, moto permanente e moto vario. La modellazione del moto, nelle versioni di HEC-RAS attuali (6.x) può essere realizzata con una schematizzazione sia monodimensionale (1D) sia bidimensionale (2D).

In parole povere è in grado di simulare il flusso idraulico all'interno di un determinato alveo, oppure su una intera piana alluvionale a seguito di una esondazione, di cui sono stati precedentemente definiti dal modellatore i parametri morfo metrici ed i coefficienti d'attrito, oltre che la presenza di eventuali opere idrauliche (costruzione del modello geometrico). Avremo così informazioni molto precise, di carattere tempo-spaziale, sulle quote del tirante idrico, che ci consentiranno una verifica delle sezioni d'alveo e/o della luce di eventuali opere idrauliche, e sulle velocità del flusso, in modo da poter verificare la possibilità di erosione del letto e delle sponde. HEC-RAS ci consente inoltre di realizzare modelli di trasporto solido e modelli di temperatura e/o qualità dell'acqua.

Un modello idraulico è la semplice definizione matematica del comportamento di un flusso attraverso una data sezione o attraverso un tratto di canale. Sappiamo che un modello idrologico descrive invece le relazioni tra la caduta della pioggia e il suo drenaggio in un dato bacino. Tale informazione si traduce in una curva di deflusso, un idrogramma di piena relativo ad una data sezione di verifica.

Al di la delle definizioni direi che questo software risulta senz'altro uno strumento molto utile nelle operazioni di definizione della valutazione preliminare del rischio idro-geomorfologico ed in particolare a supporto dello studio di pericolosità che ne costituisce un elemento fondamentale. Osservando la produzione cartografica delle diverse autorità di bacino, ad esempio, possiamo imbatterci nelle cartografie relative al PAI, che si riferiscono alla pericolosità da inondazione afferente ad un dato corso d'acqua.

Altri Software

InfoWorks WS Pro: software per la simulazione idraulica delle reti di acquedotto.
Impiantus-IDRAULICO: software con CAD ad oggetti per la progettazione di impianti idrico-sanitari e di scarico delle acque reflue.

Struttura del Corso e Metodologia

Il corso è strutturato in due parti: una teorica e una di esercitazioni che prevede l’utilizzo dei software da parte degli studenti. La parte teorica del corso verrà illustrata mediante lezioni frontali avvalendosi della proiezione di slide; verranno richiamati gli aspetti teorici alla base dei fenomeni modellati.

Per la parte di esercitazioni pratiche condotte dagli studenti ci si avvarrà delle aule informatiche e dell’utilizzo di computer; ove necessario le esercitazioni saranno anticipate da nozione teoriche in cui verranno illustrati i principali componenti dei software che si utilizzano.

Durante il corso verranno richiamati gli aspetti teorici alla base dei fenomeni modellati e saranno illustrati i principali componenti dei software. Al contempo si applicheranno i modelli numerici a casi di studio reali.

Esercitazioni pratiche:

Definizione di una rete acquedottistica in ambiente GIS, importazione della rete in EPANET, dimensionamento di massima della rete, verifica idraulica della rete (con serbatoi, valvole, impianti di pompaggio e regole di gestione e controllo dei componenti).
Modellazione della rete di drenaggio delle acque meteoriche di un comparto assegnato. Modellazione ante-edificazione e post-edificazione nel rispetto del principio dell’invarianza idraulica.
Modellazione bidimensionale di un tratto di corso d’acqua, definizione della mesh computazionale, definizione delle condizioni iniziali e al contorno, pre-processing dei dati e simulazione idraulica.

Verifica dell'Apprendimento

La verifica dell’apprendimento è basata sulla redazione di un progetto e una verifica orale. Il progetto (eventualmente redatto in gruppi di studenti) prevede l’utilizzo di uno dei software oggetto dell’insegnamento e sarà in parte sviluppato con l’aiuto del docente durante le lezioni e poi terminato in autonomia dagli studenti.

La verifica è così pesata: 40% redazione del progetto (corretta analisi dei dati e chiarezza nell’esposizione dei risultati); 60% verifica orale (domande teoriche, discussione del progetto, applicazione delle conoscenze a problemi originali e proprietà di esposizione). Il voto sarà attribuito applicando una scala espressa in trentesimi, dove il minimo per il superamento dell’esame è 18 e il massimo è 30 e lode.

È vivamente consigliata la frequenza del corso.

Rischio Idrogeologico e Modellazione

Il termine rischio idrogeologico è il rapporto tra alcuni fattori come pericolosità, esposizione e vulnerabilità, ossia il rapporto tra la pericolosità di un evento idrogeologico e i danni ambientali potenziali associati (esposizione). Tali fenomeni catastrofici risulterebbero interessare aree decisamente vaste del territorio nazionale.

Costruire un modello vuol dire sviluppare un algoritmo in grado di prevedere gli effetti di un determinato fenomeno. In modo più specifico, il fenomeno studiato consiste nelle caratteristiche fisiche assunte da un flusso idrico prodotto da un determinato evento pluviometrico. In tale contesto dunque i professionisti che si occupano di modellazione del flusso in un bacino, si avvalgono di software dedicati in grado di conferire alla modellazione un grado accettabile di affidabilità dei risultati, in considerazione della notevole complessità delle elaborazioni necessarie.

Materiale Didattico

Copia elettronica delle slides utilizzate durante il corso. Traccia delle esercitazioni svolte nei laboratori informatici. Il materiale sarà messo a disposizione sulla piattaforma didattica on-line “elly.dia.unipr.it”.

Riferimenti Bibliografici

Fondamenti di costruzioni idrauliche, Becciu G., Paoletti A. (2010), Utet Scienze Tecniche.
Storm Water Management Model User's Manual Version 5.1, Rossman L.A. Environmental Protection Agency.
Epanet 2 - Users Manual, Rossman L.A. Environmental Protection Agency.
HEC-RAS River Analysis System, 2D Modeling User’s Manual, Vers. 5 (2016), US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center.

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