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Tutorial
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\ No newline at end of file |
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Il flusso di lavoro generale per utilizzare la libreria di eventi ai fini dei calcoli di progetto, ed in particolare alla costruzione di uno o più ietogrammi spazio-temporali di progetto, si sostanzia nei due seguenti passi fondamentali (vedi schema sottostante):
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- Il primo passo riguarda l’estrazione, dalla libreria complessiva di eventi, di un numero limitato di elementi, sulla base della loro migliore corrispondenza alle caratteristiche del contesto progettuale:
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\-- estensione e posizione del bacino idrografico; ciascun evento in libreria è caratterizzato da un’estensione della propria ‘impronta principale’ (area di precipitazione intensa contigua), e da una zona idroclimatica.
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\-- Tempo di ritorno nominale di riferimento normativo per la progettazione e tempi di ritorno aggiuntivi per l’analisi di rischio; ciascun evento in libreria è caratterizzato da un proprio evento di ritorno, stimato secondo la metodologia dettagliata più avanti.
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- Il secondo passo riguarda la trasformazione degli eventi scelti in termini di:
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\-- Riposizionamento (traslazione rigida) in maniera da far sostanzialmente coincidere la parte più intensa dell’evento con il baricentro del bacino
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\-- Rimodulazione dell’intensità di pioggia dell’evento in maniera da trovare una corrispondenza esatta con il livello di affidabilità (combinazione di tempo di ritorno e vita attesa dell’opera) richiesto dal progetto; **tale rimodulazione può anche comprendere eventuali incrementi che tengono conto trend (in aumento) legati ai cambiamenti climatici**.
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I metodi per l'implementazione di tali passi sono dettagliati più avanti, dopo avere meglio specificato consistenza e caratteristiche della libreria di eventi.
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## 2.2 Consistenza della libreria di eventi
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Gli eventi di pioggia sono ricostruiti a partire dalle serie di dati pluviometrici raccolti dal SIR Toscana, che riportano valori di precipitazione cumulata registrati ad intervalli di **15 minuti** in **273 stazioni** tra il 1999 e il 2024. Ciascun record di pioggia è di conseguenza associato ad una coordinata temporale e alle due coordinate spaziali relative alla stazione, espresse secondo l’EPSG 3003.
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La metodologia utilizzata per l'identificazione e la caratterizzazione di singoli eventi di pioggia, utilizzabili ai fini della progettazione, è dettagliata in [Appendice B](./Costruzione-degli-eventi-di-progetto)
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## 2.3 Utilizzo della Libreria degli Eventi con Approccio _Statistical What If_
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L'approccio **Statistical What If** risolve la principale limitazione del tradizionale metodo _what if_ (il tempo di ritorno non specificabile) combinando la verosimiglianza idrometeorologica degli eventi misurati con la rigorosa specificazione probabilistica di progetto.
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La **Libreria degli Eventi**, composta da un vasto catalogo di eventi pluviometrici ricostruiti, **organizzati per zone meteorologiche di pertinenza (Sezione 2.2)**, fornisce la base fisica per la modellazione. L'applicazione di un evento-scenario tratto da questa libreria al bacino idrografico di interesse si articola in due fasi operative distinte e concatenate:
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### 1. Traslazione
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L'evento, selezionato tra quelli della zona meteo pertinente al bacino in esame, viene riposizionato rigidamente senza alterarne la sua struttura spaziale, tramite una semplice traslazione delle coordinate finalizzata a portare il baricentro dello scroscio principale nelle coordinate $`X`$ e $`Y`$ desiderate.
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L'entità dello spostamento del baricentro ($`\Delta x, \Delta y`$) vale dunque:
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```math
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\Delta x = x_{desiderato} - x_{Gp}
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```
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```math
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\Delta y = y_{desiderato} - y_{Gp}
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```
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### 2. Adattamento del Tempo di Ritorno
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Le intensità di pioggia dell'evento vengono rimodulate in modo omogeneo per adattarle al **Tempo di Ritorno ($`\mathbf{T_R}`$) di progetto** desiderato.
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Per eseguire l'adattamento al $`T_R`$ desiderato, si sfrutta una **relazione empirica log-lineare** che lega la variazione percentuale dei parametri di intensità ($`\Delta I`$) alla conseguente variazione del Tempo di Ritorno, calcolata nello spazio logaritmico.
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Il **Coefficiente di Sensibilità Log-Lineare ($`\mathbf{K}`$)** viene calibrato sul catalogo di eventi mediante analisi di regressione della sensibilità. Per ogni evento di calibrazione ($`i`$), si calcola:
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`K_{i} = \frac{\log_{10}(T_{R, \text{plus}}) - \log_{10}(T_{R, \text{minus}})}{\Delta I_{\text{totale}}}`
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dove $`T_{R, \text{plus}}`$ e $`T_{R, \text{minus}}`$ sono i Tempi di Ritorno risultanti dall'aumento e dalla diminuzione del $`20\%`$ dei parametri di intensità (vedi Appendice B per i dettagli), e $`\Delta I_{\text{totale}}`$ è pari a $`0.40`$. Il valore finale di $`K`$ è quindi assunto pari alla **mediana** dei coefficienti $`K_{i}`$ calcolati sugli eventi con **TR > 1 anno**, per garantire la massima robustezza statistica, e vale 3.83.
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Di conseguenza, l'**incremento/decremento relativo dell'intensità ($`\mathbf{\Delta I}`$)** da applicare all'evento-scenario per portarlo dal suo $`\mathbf{T_{R, evento}}`$ al $`\mathbf{T_{R, desiderato}}`$ è dato da:
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`\Delta I = \frac{1}{3.83} \times \log_{10} \left( \frac{T_{R, desiderato}}{T_{R, evento}} \right) = \frac{1}{8.82} \times \ln \left( \frac{T_{R, desiderato}}{T_{R, evento}} \right)`
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Il valore $`\Delta I`$ (espresso in forma decimale) viene applicato in modo omogeneo a tutti i _pixel_ di intensità dell'evento-scenario, garantendo che le distribuzioni spaziali e temporali ricostruite rimangano inalterate.
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## 2.4 Esempio di utilizzo della libreria degli eventi (bacino del Torrente Bardena a Fornaci)
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Questa sezione mostra, passo per passo, come utilizzare un evento della **libreria degli eventi** per costruire uno scenario pluviometrico di progetto e impiegarlo in una catena di modellazione idrologica/idraulica (nel seguito: trasformazione afflussi–deflussi e stima dell’idrogramma alla sezione di chiusura).
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L’esempio è pensato per essere replicabile dagli utilizzatori della libreria, cambiando:
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- bacino (geometria e parametri idrologici),
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- evento (ID evento in libreria),
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- parametri di progetto (vita utile (T_v), tempo di ritorno nominale (T\_{r,p})).
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### 2.4.1 File disponibili per ciascun evento
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Per ciascun evento della libreria sono disponibili i seguenti file:
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- `Id_data_multiband_rainfall.tif`\
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Raster **multibanda** con la pioggia **cumulata** a intervalli di 15 minuti per tutta la durata dell’evento.\
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Ogni banda rappresenta un passo temporale.
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- `Id_data_cumulated_rainfall.tif`\
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Raster della pioggia **cumulata totale** sull’intero evento (somma delle bande del multiband).
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- `Id_data_event_records.csv`\
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Tabella con tutti i record pluviometrici utilizzati per ricostruire l’evento (timestamp, intensità/cumulata, posizione e codice pluviometro).
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- `Id_data_mean_intensity_timeseries.png`\
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Andamento temporale dell’**intensità media** (mm/h) dell’evento.
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- `Id_data_sub_event_intensity_timeseries.png`\
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Andamento temporale dell’**intensità media** (mm/h) dello **scroscio principale**.
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In questo tutorial si utilizza il raster multibanda, perché consente di mantenere la struttura spazio–temporale dell’evento e di applicare in modo semplice sia **riscalamenti** delle intensità sia **traslazioni** spaziali.
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### 2.4.2 Correzione delle intensità per T_r di progetto e cambiamento climatico ((\\Delta I))
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Per utilizzare un evento di libreria come **evento di progetto**, è necessario applicare una correzione alle intensità di pioggia in funzione di:
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- tempo di ritorno nominale dell’evento in libreria (T\_{r,e}),
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- tempo di ritorno nominale di progetto (T\_{r,p}),
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- vita utile dell’opera (T_v),
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- trend climatico medio assunto per la regione (ipotesi semplificata descritta nella guida).
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La derivazione completa (equazione implicita e approssimazione esplicita) è riportata in: https://gitlab.cfr.toscana.it/menorischio/menorischio-progettazione/-/wikis/guida/Sezione1_4.md
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Nel seguito si usa direttamente la forma pratica (approssimata) per la Toscana:
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\[ \\Delta I = \\frac{1}{8.82} \\left\[ -4.2 + \\log(T_v) + \\log(T\_{r,p}) - \\log(T\_{r,e}) - \\log\\left(1-e^{-0.015,T_v}\\right) \\right\] \]
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dove (\\Delta I) è il fattore di incremento **relativo** (adimensionale) da applicare alle intensità/cumulate.
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**Applicazione pratica sul raster**\
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Se (R) è la cumulata del singolo passo temporale (banda del multiband), la correzione si applica come:
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\[ R^\* = (1+\\Delta I),R \]
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Questa operazione preserva la forma spazio–temporale dell’evento e ne modifica solo la scala delle intensità, coerentemente con l’uso “statistical what-if”.
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### 2.4.3 Caso studio: Torrente Bardena a Fornaci (evento ID 45443)
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Facciamo riferimento al bacino del **Torrente Bardena a Fornaci** (zona meteo B). Come evento-scenario si seleziona l’evento che ha interessato la Toscana tra l’1 e il 4 novembre 2023, presente in libreria con **ID evento 45443**.
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Pur essendo catalogato rispetto al baricentro dello scroscio principale in **zona meteo D**, l’evento ha interessato una porzione molto ampia della regione, con cumulata superiore a 100 mm in più zone meteo.
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**\[Figura 1 \]** Mappa della pioggia cumulata dell’evento (con bacino evidenziato).
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Il tempo di ritorno nominale dell’evento è stimato pari a: \[ T\_{r,e} \\approx 180 \\ \\text{anni} \]
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Assumendo:
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- (T_v = 50) anni (vita utile),
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- (T\_{r,p} = 200) anni (tempo di ritorno nominale di progetto),
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si ottiene: \[ \\Delta I \\approx 0.052 \]
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### 2.4.4 Risultato base (senza traslazioni): idrogramma al colmo
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Applicando la correzione ((1+\\Delta I)) al raster multibanda e assumendo per il bacino un tempo di corrivazione (t_c = 1.1) h, si ottiene l’idrogramma in Figura 2.
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**\[Figura 2 \]** Afflussi e idrogramma alla sezione di riferimento (scenario base).
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Nel caso mostrato, la portata di picco è dell’ordine di: \[ Q\_{\\max} \\approx 37 \\ \\text{m}^3/\\text{s} \]
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### 2.4.5 Traslazioni spaziali dell’evento (analisi di sensibilità)
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Poiché l’evento copre un’area molto ampia e il bacino è relativamente piccolo ((\\sim 3.88 \\ \\text{km}^2)), è utile esplorare anche **traslazioni rigide** dell’evento, mantenendosi entro spostamenti coerenti con la scala del fenomeno e con l’area climatica di riferimento.
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Operativamente, la traslazione del raster (in EPSG:3003) si implementa sommando (\\Delta x) e (\\Delta y), espressi in metri, alle coordinate del raster.
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A titolo esemplificativo, si considera una griglia di traslazioni di **5 km** lungo (X) e (Y) (incluse le diagonali). La Figura 3 mostra gli idrogrammi corrispondenti: anche con spostamenti moderati, la portata di picco può variare in modo significativo.
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**\[Figura 3\]** Famiglia di idrogrammi per una griglia di traslazioni (step 5 km).
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### 2.4.6 Checklist operativa (riassunto)
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1. **Selezionare l’evento** dalla libreria (ID e metadati: zona meteo, (T\_{r,e}), durata, ecc.).
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2. **Calcolare (\\Delta I)** con (T_v), (T\_{r,p}) e (T\_{r,e}) (vedi Sezione 1.4 in guida).
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3. **Scalare le intensità**: moltiplica ogni banda del raster multibanda per ((1+\\Delta I)).
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4. (Opzionale) **Eseguire traslazioni** del raster per analisi di sensibilità.
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5. **Eseguire la modellazione idrologica/idraulica**. |
