Urban Flood Prediction through GIS-Based Dual-Coupled Hydraulic Models

Propagation of pluvial floods in urban areas, occurring with return time periods of few years, can be well solved using dual models accounting for the mutual relationship between the water level in the streets and the discharges inside the sewer pipes. The extended WEC-flood model (EWEC), based on the use of unstructured triangular meshes and a diffusive formulation of the momentum equations in both the 2D and the 1D lower domains, is presented along with its novelty, limits, and advantages. The model is then applied to a small computational domain in the Palermo area, where only some 'hard' data given by one rain gauge has been used for calibration and validation, along with other 'soft' data like yes/no surcharge observations and water depths available from photos and interviews. Model input data are mainly geometrical parameters, and calibration parameters are restricted only to average Manning coefficients. In the test case a very good validation has been obtained of three historical events using the EWEC model, with only one average Manning coefficient calibrated using other two historical events

Discharge estimation combining flow routing and occasional measurements of velocity

A new procedure is proposed for estimating river discharge hydrographs during flood events, using only water level data at a single gauged site, as well as 1-D shallow water modelling and occasional maximum surface flow velocity measurements. One-dimensional diffusive hydraulic model is used for routing the recorded stage hydrograph in the channel reach considering zero-diffusion downstream boundary condition. Based on synthetic tests concerning a broad prismatic channel, the “suitable” reach length is chosen in order to minimize the effect of the approximated downstream boundary condition on the estimation of the upstream discharge hydrograph. The Manning’s roughness coefficient is calibrated by using occasional instantaneous surface velocity measurements during the rising limb of flood that are used to estimate instantaneous discharges by adopting, in the flow area, a two-dimensional velocity distribution model. Several historical events recorded in three gauged sites along the upper Tiber River, wherein reliable rating curves are available, have been used for the validation. The outcomes of the analysis can be summarized as follows: (1) the criterion adopted for selecting the “suitable” channel length based on synthetic test studies has proved to be reliable for field applications to three gauged sites. Indeed, for each event a downstream reach length not more than 500m is found to be sufficient, for a good performances of the hydraulic model, thereby enabling the drastic reduction of river cross-sections data; (2) the procedure for Manning’s roughness coefficient calibration allowed for high performance in discharge estimation just considering the observed water levels and occasional measurements of maximum surface flow velocity during the Correspondence to: G. Corato ([email protected]) rising limb of flood. Indeed, errors in the peak discharge magnitude, for the optimal calibration, were found not exceeding 5% for all events observed in the three investigated gauged sections, while the Nash-Sutcliffe efficiency was, on average, greater than 0.95. Therefore, the proposed procedure well lend itself to be applied for: (1) the extrapolation of rating curve over the field of velocity measurements (2) discharge estimations in different cross sections during the same flood event using occasional surface flow velocity measures carried out, for instance, by hand-held radar sensors

Progettazione di una cassa d’espansione e determinazione della riduzione del rischio idraulico con modellazione 2D

Nell’articolo si studia l’effetto di una cassa d’espansione posta a monte di un’area fluviale soggetta a rischio idraulico. Lo strumento utilizzato è un software bidimensionale sviluppato per simulare la propagazione delle piene fluviali. Il dominio di calcolo è rappresentato da una mesh triangolare non strutturata con una maggiore densità di elementi all’interno dell’alveo e nelle zone immediatamente limitrofe. Per facilitare gli accumuli temporanei di parte dei volumi di piena, si ipotizza la costruzione di un restringimento dell’alveo per mezzo di due pareti verticali che avvicinano le sponde fluviali. Durante la piena, il passaggio per lo stato critico nel restringimento provoca un rigurgito a monte, e quindi un agevole riempimento della cassa d’espansione. La perimetrazione di tale cassa è definita con la costruzione di un rilevato arginale di adeguata altezza. Per meglio simulare il rigurgito a monte della strozzatura, si introduce una scabrezza equivalente negli elementi della strozzatura, per riprodurre le perdite di carico nel restringimento e nel successivo risalto idraulico, malgrado l’ipotesi diffusiva utilizzata nel software di calcolo. La conoscenza delle aree allagate in due eventi di piena storici e dei due relativi idrogrammi di piena, ha consentito la determinazione del coefficiente di Manning quale misura della scabrezza in alveo e fuori alveo. Mediante l’applicazione del modello proposto è possibile validare sia il posizionamento degli argini a monte del restringimento per il contenimento della piena, sia la riduzione delle aree di valle soggette a rischio idraulico

A New Cross-Flow Type Turbine for Ultra-Low Head in Streams and Channels

In the last few decades, hydropower production has been moving toward a new paradigm of low and diffused power density production of energy with small and mini-hydro plants, which usually do not require significant water storage. In the case of nominal power lower than 20 kW and ultra-low head H (H < 5 m), Archimedes screw or Kaplan type turbines are usually chosen due to their efficiency, which is higher than 0.85. A new cross-flow type turbine called Ultra-low Power Recovery System (UL-PRS) is proposed and its geometry and design criteria are validated in a wide range of operating conditions through 2D numerical analysis computed using the ANSYS Fluent solver. The new proposed solution is much simpler than the previously mentioned competitors; its outlet flow has a horizontal direction and attains similar efficiency. The costs of the UL-PRS turbine are compared with the costs of one Kaplan and one cross-flow turbine (CFT) in the case study of the main water treatment plant of the city of Palermo in Italy. In this case, the UL-PRS efficiency is estimated using a URANS 3D numerical analysis computed with the CFX solver

Integrazione di metodologie dirette ed indirette per la stima degli idrogrammi di piena in alvei naturali

Le metodologie attualmente disponibili per la misura di pieno campo delle portate possono essere classificate in base al tipo di sensore utilizzato ed al numero delle stazioni idrometriche. Per ognuna delle possibili tipologie vengono presentate le tecniche di analisi più recenti e delineati possibili sviluppi futuri. Viene quindi introdotta una nuova metodologia, basata sull’integrazione di misure dirette ed indirette. Nell’approccio proposto la portata viene calcolata come valore al contorno di monte di un modello di propagazione 1D a cui vengono assegnati i tiranti di monte quale condizione misurata. Il modello viene calibrato attraverso sporadiche misure istantanee di velocità, consentendo di pervenire ad una registrazione continua delle portate mediante l’ausilio delle sole osservazioni dei tiranti in una sola stazione di misura. L’approccio è validato attraverso serie storiche di tiranti e di portate misurate in una stazione idrometrica del Fiume Tevere

Utilizzo di un modello diffusivo 2D di acque basse PER LA simulazione in tempo reale di scenari di inondazioni

I recenti cambiamenti climatici e le sempre più frequenti inondazioni rendono particolarmente attuale l’utilizzo di sistemi di allerta per facilitare l’evacuazione precoce della popolazione e la messa in sicurezza dei beni. I suddetti sistemi sono basati in parte sulla previsione a breve termine delle piogge, in parte sulla stima del processo di trasformazione afflussi-deflussi e della propagazione dell’onda di piena. Nella presente memoria il modello diffusivo MAST 2D ad avanzamento spaziale e temporale già proposto da alcuni degli autori viene ulteriormente migliorato per una più rapida soluzione ed una migliore adattabilità all’uso del calcolo parallelo. Viene introdotta una nuova soluzione semi-analitica della componente convettiva del problema, con una notevole riduzione del corrispondente sforzo computazionale. La componente diffusiva viene discretizzata nello spazio e nel tempo con una procedura classica agli elementi finiti che si traduce, ad ogni passo temporale, in un sistema lineare ben condizionato che può essere risolto efficacemente anche con l’ausilio del calcolo parallelo. Il modello è stato implementato nel sistema di allerta precoce del fiume Genna, in Umbria. Gli idrogrammi di piena previsti a breve termine sulla base delle pioggie misurate sono utilizzati quali condizione al contorno di monte del modello, il cui dominio ricopre la superficie potenzialmente inondabile per tutto il tratto considerato a rischio idraulico. Il tempo di calcolo necessario a simulare accuratamente la propagazione della piena è un decimo della durata dell’idrogramma di piena e ancor più piccolo rispetto all’anticipo delle previsioni di pioggia rispetto al verificarsi dell’inondazione