Difesa idraulica delle aree di pianura dalle piene al limite della prevedibilità: asta medio inferiore del Fiume Po

La Tesi si occupa dello studio della gestione delle piene al limite della prevedibilità nel tratto medio inferiore del Fiume Po attraverso una laminazione controllata in Fascia C, in linea con le linee strategiche dell'AdB-Po. A tal fine è stato realizzato un modello numerico idraulico quasi-bidimensionale del tratto studiato del Fiume con il software HEC-RAS, comprendente le Fasce A, B e C, calibrato per un tempo di ritorno di 500 anni. Sono state condotte delle simulazioni sotto l'ipotesi di argini erodibili con conseguente formazione di brecce nei punti soggetti a tracimazione (situazione attuale), e sotto l'ipotesi di argini inerodibili (teorico intervento di rivestimento e consolidamento dei tratti arginali interessati da sormonto); attraverso il confronto dei risultati si è dimostrata l'utilità della laminazione controllata in Fascia C e l'auspicabilità di nuovi studi volti all'individuazione di aree poco sensibili in cui convogliare i volumi idrici esondati.

Asta medio inferiore del fiume Po: modello matematico per la valutazione delle condizioni di pericolosità idraulica delle aree di pianura

La presente dissertazione illustra lo studio, svolto in ambito di Tesi di Laurea Specialistica, della difesa delle aree di pianura prospicienti il tratto medio inferiore del Fiume Po dalle cosiddette piene al limite della prevedibilità, ovvero quelle aventi intensità al di sopra della quale le procedure di stima statistica perdono di significato a causa della mancanza di eventi osservati confrontabili (Majone, Tomirotti, 2006). In questo contesto si è definito come evento di piena al limite della prevedibiltà un evento con tempo di ritorno pari a cinquecento anni. Lo studio ha necessariamente preso in considerazione e riprodotto attraverso una schematizzazione concettuale le esondazioni all'esterno delle arginature maestre che si verificherebbero in conseguenza ad un evento estremo, quale quello preso in esame, nei comparti idraulici prospicienti l'asta fluviale. Detti comparti sono costituiti dalle zone di pianura latistanti l’asta fluviale, classificate dall'Autorità di Bacino come Fascia C e suddivise in base alla presenza degli affluenti principali del fiume Po e delle principali infrastrutture viarie e ferroviarie situate in tale fascia. Il presente studio persegue l’obiettivo di analizzare alcune politiche di intervento per la mitigazione del rischio alluvionale alternative al sovralzo e ringrosso arginale e ricade all'interno delle linee strategiche individuate dall' AdB-Po per la mitigazione del rischio residuale, ossia quello che permane anche in presenza di opere di difesa progettate e verificate con riferimento ad un ben preciso tempo di ritorno (nel caso in esame Trit = 200 anni). Questa linea di intervento si traduce praticamente individuando sul territorio aree meno "sensibili", in virtù del minor valore o dell'inferiore vulnerabilità dei beni in esse presenti, e dunque adatte ad accogliere i volumi di piena esondabili in occasione di quegli eventi di piena incompatibili con i presidi idraulici preesistenti, le sopra richiamate piene al limite della prevedibilità. L'esondazione controllata dei volumi di piena in tali aree avrebbe infatti il fine di tutelare le aree di maggior pregio, interessate da centri abitati, infrastrutture e beni di vario tipo; tale controllo è da considerarsi auspicabile in quanto sedici milioni di persone abitano la zona del bacino del Po e qui sono concentrati il 55% del patrimonio zootecnico italiano, il 35% della produzione agricola e il 37% delle industrie le quali però sostengono il 46% dei posti di lavoro (fonte AdB-Po). Per questi motivi il Po e il suo bacino sono da considerare come zone nevralgiche per l’intera economia italiana e una delle aree europee con la più alta concentrazione di popolazione, industrie e attività commerciali. Dal punto di vista economico, l’area è strategica per il Paese garantendo un PIL che copre il 40% di quello nazionale, grazie alla presenza di grandi industrie e di una quota rilevante di piccole e medie imprese, nonché d’attività agricole e zootecniche diffuse. Il punto di partenza è stato il modello numerico quasi-bidimensionale precedentemente sviluppato dal DISTART nel 2008 con il software HEC-RAS, la cui schematizzazione geometrica copriva unicamente l'alveo del Fiume (Fasce A e B secondo la denominazione adottata dall'AdB-Po) e le cui condizioni iniziali e al contorno rispecchiavano un evento con tempo di ritorno pari a duecento anni. Si è proceduto dunque alla definizione di nuove sollecitazioni di progetto, volte a riprodurre nelle sezioni strumentate del Po gli idrogrammi sintetici con tempo di ritorno di cinquecento anni messi a punto dal D.I.I.A.R. (Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale e del Rilevamento, DIIAR, 2001) del Politecnico di Milano. Il modello stesso è stato poi aggiornato e considerevolmente modificato. Il risultato consiste in un nuovo modello matematico idraulico di tipo quasi-bidimensionale che, attraverso una schematizzazione concettuale, riproduce il comportamento idraulico in occasione di eventi di piena al limite della prevedibilità per tutte e tre le Fasce Fluviali considerate nel Piano stralcio per l’Assetto Idrogeologico redatto dall'AdB-Po (Fasce A, B C, v. PAI, 1999). I diversi comparti idraulici in cui può essere suddivisa la Fascia C sono stati inseriti nel modello e geometricamente descritti in termini di curve di riempimento, ricavate a partire dal DTM del Bacino del Po attraverso opportune elaborazioni in ambiente GIS (Geographic Information System). Una volta predisposto il modello sono state condotte due tipologie di simulazioni. Una prima serie è stata volta alla definizione in maniera iterativa dei punti critici degli argini maestri, ovvero quelli nei quali si prevedeva avvenisse la tracimazione, e alla modellazione in essi della formazione di brecce, decisive per una corretta riproduzione del fenomeno di esondazione all'esterno delle arginature maestre nell'attuale configurazione; bisogna infatti considerare che le arginature maestre vengono comunemente progettate con il solo fine di contenere le portate di piena in alveo, e che dunque un’eventuale tracimazione induce fenomeni erosivi che solitamente portano all'apertura di una breccia nel manufatto (rotta arginale). Un'ulteriore simulazione ha permesso di valutare l'evoluzione del fenomeno sotto l'ipotesi di un intervento di consolidamento degli argini maestri nei tratti critici (interessati dai sormonti) e quindi di rotta arginale impedita. Il confronto dei risultati ottenuti ha evidenziato i benefici associati ad una laminazione controllata dell'evento di piena all'esterno delle arginature. In questo contesto il termine "controllata" è esclusivamente associato al fenomeno di rotta arginale, come detto inibita per lo scenario ipotetico. I benefici di tale controllo si hanno in termini di volumi, di portate esondate e di tiranti attesi nei comparti idraulici. Lo strumento modellistico predisposto nell’ambito della Tesi di Laurea Specialistica si presta ad essere utilizzato a supporto dell’identificazione su ampia scala delle zone della Fascia C meno “sensibili”, in quanto meno vulnerabili ai fenomeni di allagamento. Questo ulteriore passaggio costituisce il punto di partenza per delineare le strategie ottimali di laminazione controllata in Fascia C degli eventi al limite della prevedibilità al fine della riduzione del rischio idraulico nelle aree di pianura prospicienti il Po, aspetto che verrà affrontato in sviluppi successivi del presente lavoro.

Evidenze micropaleontologiche e sedimentologiche di cicli deposizionali e climatici circa millenari nei Depositi Tardoquaternari della Piana dell'Arno e del Delta del Po

A multidisciplinary study was carried out on the Late Quaternary-Holocene subsurface deposits of two Mediterranean coastal areas: Arno coastal plain (Northern Tyrrhenian Sea) and Modern Po Delta (Northern Adriatic Sea). Detailed facies analyses, including sedimentological and micropalaeontological (benthic foraminifers and ostracods) investigations, were performed on nine continuously-cored boreholes of variable depth (ca. from 30 meters to100 meters). Six cores were located in the Arno coastal plain and three cores in the Modern Po Delta. To provide an accurate chronological framework, twenty-four organic-rich samples were collected along the fossil successions for radiocarbon dating (AMS 14C). In order to reconstruct the depositional and palaeoenvironmental evolution of the study areas, core data were combined with selected well logs, provided by local companies, along several stratigraphic sections. These sections revealed the presence of a transgressive-regressive (T-R) sequence, composing of continental, coastal and shallow-marine deposits dated to the Late Pleistocene-Holocene period, beneath the Arno coastal plain and the Modern Po Delta. Above the alluvial deposits attributed to the last glacial period, the post-glacial transgressive succession (TST) consists of back-barrier, transgressive barrier and inner shelf deposits. Peak of transgression (MFS) took place around the Late-Middle Holocene transition and was identified by subtle micropalaeontological indicators within undifferentiated fine-grained deposits. Upward a thick prograding succession (HST) records the turnaround to regressive conditions that led to a rapid delta progradation in both study areas. Particularly, the outbuilding of modern-age Po Delta coincides with mud-belt formation during the late HST (ca. 600 cal yr BP), as evidenced by a fossil microfauna similar to the foraminiferal assemblage observed in the present Northern Adriatic mud-belt. A complex interaction between allocyclic and autocyclic factors controlled facies evolution during the highstand period. The presence of local parameters and the absence of a predominant factor prevent from discerning or quantifying consequences of the complex relationships between climate and deltaic evolution. On the contrary transgressive sedimentation seems to be mainly controlled by two allocyclic key factors, sea-level rise and climate variability, that minimized the effects of local parameters on coastal palaeoenvironments. TST depositional architecture recorded in both study areas reflects a well-known millennial-scale variability of sea-level rising trend and climate during the Late glacial-Holocene period. Repeated phases of backswamp development and infilling by crevasse processes (parasequences) were recorded in the subsurface of Modern Po Delta during the early stages of transgression (ca. 11,000-9,500 cal yr BP). In the Arno coastal plain the presence of a deep-incised valley system, probably formed at OSI 3/2 transition, led to the development of a thick (ca. 35-40 m) transgressive succession composed of coastal plain, bay-head delta and estuarine deposits dated to the Last glacial-Early Holocene period. Within the transgressive valley fill sequence, high-resolution facies analyses allowed the identification and lateral tracing of three parasequences of millennial duration. The parasequences, ca. 8-12 meters thick, are bounded by flooding surfaces and show a typical internal shallowing-upward trend evidenced by subtle micropalaeontological investigations. The vertical stacking pattern of parasequences shows a close affinity with the step-like sea-level rising trend occurred between 14,000-8,000 cal years BP. Episodes of rapid sea-level rise and subsequent stillstand phases were paralleled by changes in climatic conditions, as suggested by pollen analyses performed on a core drilled in the proximal section of the Arno palaeovalley (pollen analyses performed by Dr. Marianna Ricci Lucchi). Rapid shifts to warmer climate conditions accompanied episodes of rapid sea-level rise, in contrast stillstand phases occurred during temporary colder climate conditions. For the first time the palaeoclimatic signature of high frequency depositional cycles is clearly documented. Moreover, two of the three "regressive" pulsations, recorded at the top of parasequences by episodes of partial estuary infilling in the proximal and central portions of Arno palaeovalley, may be correlated with the most important cold events of the post-glacial period: Younger Dryas and 8,200 cal yr BP event. The stratigraphic and palaeoclimatic data of Arno coastal plain and Po Delta were compared with those reported for the most important deltaic and coastal systems in the worldwide literature. The depositional architecture of transgressive successions reflects the strong influence of millennial-scale eustatic and climatic variability on worldwide coastal sedimentation during the Late glacial-Holocene period (ca. 14,000-7,000 cal yr BP). The most complete and accurate record of high-frequency eustatic and climatic events are usually found within the transgressive succession of very high accommodation settings, such as incised-valley systems where exceptionally thick packages of Late glacial-Early Holocene deposits are preserved.

Uso di misure idrometriche satellitari per la calibrazione dei modelli numerico-idraulici: il caso del fiume Po

Questo lavoro di tesi tratta l'utilizzo di misure idrometriche satellitari in combinazione con le misure idrometriche tradizionali per la calibrazione dei modelli numerico-idraulici. Il presente elaborato riguarda la calibrazione di un complesso modello idraulico del Fiume Po implementato in HEC-RAS. Il caso di studio è un tratto del Fiume Po lungo circa 131 km, che va dalla sezione relativa alla stazione idrometrica di Borgoforte e termina all'incile del Po di Goro. Le Analisi numeriche svolte si suddividono in tre gruppi, il primo sfrutta l'impiego di soli dati idrometrici tradizionali, il secondo l'impiego di soli dati idrometrici satellitari e il terzo l'impiego di entrambe le tipologie di dati idrometrici.

Chemistry of aerosol particles and fog droplets during fall-winter season in the Po Valley

Air quality represents a key issue in the so-called pollution “hot spots”: environments in which anthropogenic sources are concentrated and dispersion of pollutants is limited. One of these environments, the Po Valley, normally experiences exceedances of PM10 and PM2.5 concentration limits, especially in winter when the ventilation of the lower layers of the atmosphere is reduced. This thesis provides a highlight of the chemical properties of particulate matter and fog droplets in the Po Valley during the cold season, when fog occurrence is very frequent. Fog-particles interactions were investigated with the aim to determine their impact on the regional air quality. Size-segregated aerosol samples were collected in Bologna, urban site, and San Pietro Capofiume (SPC), rural site, during two campaigns (November 2011; February 2013) in the frame of Supersito project. The comparison between particles size-distribution and chemical composition in both sites showed the relevant contribution of the regional background and secondary processes in determining the Po Valley aerosol concentration. Occurrence of fog in November 2011 campaign in SPC allowed to investigate the role of fog formation and fog chemistry in the formation, processing and deposition of PM10. Nucleation scavenging was investigated with relation to the size and the chemical composition of particles. We found that PM1 concentration is reduced up to 60% because of fog scavenging. Furthermore, aqueous-phase secondary aerosol formation mechanisms were investigated through time-resolved measurements. In SPC fog samples have been systematically collected and analysed since the nineties; a 20 years long database has been assembled. This thesis reports for the first time the results of this long time series of measurements, showing a decrease of sulphate and nitrate concentration and an increase of pH that reached values close to neutrality. A detailed discussion about the occurred changes in fog water composition over two decades is presented.

Origin and variability of PM10 and atmospheric radiotracers at the WMO-GAW station of Mt. Cimone (1998-2011) and in the central Po Valley

Particulate matter is one of the main atmospheric pollutants, with a great chemical-environmental relevance. Improving knowledge of the sources of particulate matter and of their apportionment is needed to handle and fulfill the legislation regarding this pollutant, to support further development of air policy as well as air pollution management. Various instruments have been used to understand the sources of particulate matter and atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), hosting a global WMO-GAW station. Thanks to its characteristics, this location is suitable investigate the regional and long-range transport of polluted air masses on the background Southern-Europe free-troposphere. In particular, PM10 data sampled at the station in the period 1998-2011 were analyzed in the framework of the main meteorological and territorial features. A receptor model based on back trajectories was applied to study the source regions of particulate matter. Simultaneous measurements of atmospheric radionuclides Pb-210 and Be-7 acquired together with PM10 have also been analysed to acquire a better understanding of vertical and horizontal transports able to affect atmospheric composition. Seasonal variations of atmospheric radiotracers have been studied both analysing the long-term time series acquired at the measurement site as well as by means of a state-of-the-art global 3-D chemistry and transport model. Advection patterns characterizing the circulation at the site have been identified by means of clusters of back-trajectories. Finally, the results of a source apportionment study of particulate matter carried on in a midsize town of the Po Valley (actually recognised as one of the most polluted European regions) are reported. An approach exploiting different techniques, and in particular different kinds of models, successfully achieved a characterization of the processes/sources of particulate matter at the two sites, and of atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone.

Paleosol-based stratigraphy of late Quaternary deposits from the Po basin, between Bologna and the Po river (Northern Italy)

Stratigraphic studies carried out over the last decades in Italy and elsewhere testify a growing interest in Quaternary deposits and in the influence of climate change on their architecture. The subsurface of the Po Plain, in its topmost portion, is made up of alluvial deposits organized in depositional cycles at different scales. This PhD thesis provides millennial-scale stratigraphic reconstruction of the Late Pleistocene-Holocene deposits beneath the southern Po Plain, based on basin-scale correlation of laterally-extensive buried soil horizons. Far from the aim of characterizing palaeosols from a mineralogical and geochemical point of view, we focused on the physical and stratigraphic significance of these horizons. In the Bologna urban area, which hosts an abundance of stratigraphic data, the correlation between seventeen continuously-cored boreholes led to the identification of five vertically-stacked palaeosol-bounded sequences within the 14C time window. In a wide portion of the alluvial plain north of Bologna, far away from the Apenninic margin and from the Po River, where subsurface stratigraphic architecture is dominated by markedly lenticular sediment bodies, palaeosols revealed to be the only stratigraphic marker of remarkable lateral continuity. These horizons are characterized by peculiar resistance values, which make them easily identifiable via pocket penetration tests. Palaeosols reveal specific geometric relationships with the associated alluvial facies associations, allowing reliable estimates of soil development as a function of alluvial dynamics. With the aid of sixty new radiocarbon dates, a reliable age attribution and likely time intervals of exposure were assigned to each palaeosol. Vertically-stacked palaeosols delimitate short-term depositional cycles, likely related to the major episodes of climatic change of the last 40 ky. Through integration of stratigraphic data with 750 archaeological reports from the Bologna area, the impact of human settlements on depositional and pedogenic processes during the late Holocene was investigated.