Experimental and numerical analyses about the efficiency of flow through devices for the sediment controll in urban runoff

As land is developed, the impervious surfaces that are created increase the amount of runoff during rainfall events, disrupting the natural hydrologic cycle, with an increment in volume of runoff and in pollutant loadings. Pollutants deposited or derived from an activity on the land surface will likely end up in stormwater runoff in some concentration, such as nutrients, sediment, heavy metals, hydrocarbons, gasoline additives, pathogens, deicers, herbicides and pesticides. Several of these pollutants are particulate-bound, so it appears clear that sediment removal can provide significant water-quality improvements and it appears to be important the knowledge of the ability of stromwater treatment devices to retain particulate matter. For this reason three different units which remove sediments have been tested through laboratory. In particular a roadside gully pot has been tested under steady hydraulic conditions, varying the characteristics of the influent solids (diameter, particle size distribution and specific gravity). The efficiency in terms of particles retained has been evaluated as a function of influent flow rate and particles characteristics; results have been compared to efficiency evaluated applying an overflow rate model. Furthermore the role of particles settling velocity in efficiency determination has been investigated. After the experimental runs on the gully pot, a standard full-scale model of an hydrodynamic separator (HS) has been tested under unsteady influent flow rate condition, and constant solid concentration at the input. The results presented in this study illustrate that particle separation efficiency of the unit is predominately influenced by operating flow rate, which strongly affects the particles and hydraulic residence time of the system. The efficiency data have been compared to results obtained from a modified overflow rate model; moreover the residence time distribution has been experimentally determined through tracer analyses for several steady flow rates. Finally three testing experiments have been performed for two different configurations of a full-scale model of a clarifier (linear and crenulated) under unsteady influent flow rate condition, and constant solid concentration at the input. The results illustrate that particle separation efficiency of the unit is predominately influenced by the configuration of the unit itself. Turbidity measures have been used to compare turbidity with the suspended sediments concentration, in order to find a correlation between these two values, which can allow to have a measure of the sediments concentration simply installing a turbidity probe.

Validazione in torrenti appenninici monitorati di un modello fisicamente basato per la stima del deflusso solido sospeso

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.

Abbandono del territorio e dissesto idrogeologico in Appennino bolognese: analisi delle dinamiche e degli interventi di gestione idraulico-forestale

The abandonment of less productive fields and agro-forest activities has occured in the last decades, interesting large mountain areas in all mediterranean basin. Until the fifties, agricultural practices dealt mainly with soil surface and surface runoff control systems. However, the apparent sustainability of soil use results often in contrast with historical documents, witnessing heavy hydrogeological instability, in naturally fragile areas. The research focused on the dynamics and effects of post-coltural land abandonment in a critical mountain area of the Reno River. The Reno River rappresents a typical Tuscan-Emilian Apennines Watershed where soil erosion occurs under very different conditions depending on interactions between land use, climate, geomorphology and lithology. Landslides are largely rappresented, due to the diffusion of clay hill slopes. Recent researches suggest that climatic variability will increase as a consequence of global climate change, resulting in greater frequency and intensity of extreme weather events, which could increase rates of erosion, landslides reactivations and diffusion of calanchive basins. As far as hill slopes are concerned, instability is today basically due to intrinsic factors, as the Apennine range is a rather young formation, in geological terms, and is mainly formed by sedimentary rocks with high occurrence of clays. Therefore landslides and rockfalls are very frequent, while surface soil erosion is generally low and anyway concentrated in the low Apennine, where intensive farming is still economically worth. The study, supported by GIS use, analyses the main fisical characteristics of the area and the historical changes of land use, and focalizes the dynamics of spontaneous reafforestation. Futhermore, the research studies the results of soil bioengineering and surface water control solutions for the restablishment of landslides occured in the last period. Infact soil bioengineering has been recently used in different situations in order to consolidate slopes and hillsides and prevent erosion; when applied, it gave good results, both in terms of engineering efficiency and vegetational development, expecially if combined with a good hydraulic control, thus proving to be an actual alternative to other techniques with heavier environmental impacts. Research into the specific site features and the use of proper plant species is vital to the success of bioengineering works.

Dimensionamento di invasi per il controllo dei deflussi nei bacini urbanizzati

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.

Calibrazione di modelli idrologici con algoritmi multiobiettivo

Traditional procedures for rainfall-runoff model calibration are generally based on the fit of the individual values of simulated and observed hydrographs. It is used here an alternative option that is carried out by matching, in the optimisation process, a set of statistics of the river flow. Such approach has the additional, significant advantage to allow also a straightforward regional calibration of the model parameters, based on the regionalisation of the selected statistics. The minimisation of the set of objective functions is carried out by using the AMALGAM algorithm, leading to the identification of behavioural parameter sets. The procedure is applied to a set of river basins located in central Italy: the basins are treated alternatively as gauged and ungauged and, as a term of comparison, the results obtained with a traditional time-domain calibration is also presented. The results show that a suitable choice of the statistics to be optimised leads to interesting results in real world case studies as far as the reproduction of the different flow regimes is concerned.

Variabilità spaziale dei parametri di modelli afflussi-deflussi

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Mappatura dell'impervious e consumo di suolo tramite analisi di change detection in telerilevamento

Il telerilevamento rappresenta un efficace strumento per il monitoraggio dell’ambiente e del territorio, grazie alla disponibilità di sensori che riprendono con cadenza temporale fissa porzioni della superficie terrestre. Le immagini multi/iperspettrali acquisite sono in grado di fornire informazioni per differenti campi di applicazione. In questo studio è stato affrontato il tema del consumo di suolo che rappresenta un’importante sfida per una corretta gestione del territorio, poiché direttamente connesso con i fenomeni del runoff urbano, della frammentazione ecosistemica e con la sottrazione di importanti territori agricoli. Ancora non esiste una definizione unica, ed anche una metodologia di misura, del consumo di suolo; in questo studio è stato definito come tale quello che provoca impermeabilizzazione del terreno. L’area scelta è quella della Provincia di Bologna che si estende per 3.702 km2 ed è caratterizzata a nord dalla Pianura Padana e a sud dalla catena appenninica; secondo i dati forniti dall’ISTAT, nel periodo 2001-2011 è stata la quarta provincia in Italia con più consumo di suolo. Tramite classificazione pixel-based è stata fatta una mappatura del fenomeno per cinque immagini Landsat. Anche se a media risoluzione, e quindi non in grado di mappare tutti i dettagli, esse sono particolarmente idonee per aree estese come quella scelta ed inoltre garantiscono una più ampia copertura temporale. Il periodo considerato va dal 1987 al 2013 e, tramite procedure di change detection applicate alle mappe prodotte, si è cercato di quantificare il fenomeno, confrontarlo con i dati esistenti e analizzare la sua distribuzione spaziale.

Tetti verdi: Analisi sperimentale e Modellazione numerica

I tetti verdi rappresentano, sempre più frequentemente, una tecnologia idonea alla mitigazione alle problematiche connesse all’ urbanizzazione, tuttavia la conoscenza delle prestazioni dei GR estensivi in clima sub-Mediterraneo è ancora limitata. La presente ricerca è supportata da 15 mesi di analisi sperimentali su due GR situati presso la Scuola di Ingegneria di Bologna. Inizialmente vengono comparate, tra loro e rispetto a una superficie di riferimento (RR), le prestazioni idrologiche ed energetiche dei due GR, caratterizzati da vegetazione a Sedum (SR) e a erbe native perenni (NR). Entrambi riducono i volumi defluiti e le temperature superficiali. Il NR si dimostra migliore del SR sia in campo idrologico che termico, la fisiologia della vegetazione del NR determina l'apertura diurna degli stomi e conseguentemente una maggiore evapotraspirazione (ET). Successivamente si sono studiate la variazioni giornaliere di umidità nel substrato del SR riscontrando che la loro ampiezza è influenzata dalla temperatura, dall’umidità iniziale e dalla fase vegetativa. Queste sono state simulate mediante un modello idrologico basato sull'equazione di bilancio idrico e su due modelli convenzionali per la stima della ET potenziale combinati con una funzione di estrazione dell’ umidità dal suolo. Sono stati proposti dei coefficienti di correzione, ottenuti per calibrazione, per considerare le differenze tra la coltura di riferimento e le colture nei GR durante le fasi di crescita. Infine, con l’ausilio di un modello implementato in SWMM 5.1. 007 utilizzando il modulo Low Impact Development (LID) durante simulazioni in continuo (12 mesi) si sono valutate le prestazioni in termini di ritenzione dei plot SR e RR. Il modello, calibrato e validato, mostra di essere in grado di riprodurre in modo soddisfacente i volumi defluiti dai due plot. Il modello, a seguito di una dettagliata calibrazione, potrebbe supportare Ingegneri e Amministrazioni nella valutazioni dei vantaggi derivanti dall'utilizzo dei GR.