Advanced two-dimensional river modelling : hazard maps for the Guisa and Nirone rivers in the context of flood risk management planning

Nowadays, the frequency of flood events and the associated risk in urban areas are progressively increasing and stimulating major concern at a global scale. Indeed, such events can lead to significant short- and long-term economic, social and environmental negative consequences. Therefore, with the present predictions of worsening future scenarios, it is of paramount importance to pursue integrated flood risk management methods which encompass flood modelling. In Europe, after the publication of the EU Floods Directive (2007/60/EC), each Member State has to identify Areas of Potential Significant Flood Risk (APSFR) and, for each of them, prepare Flood Risk Management Plans (FRMPs), which must be also updated every 6 years. In this context, this thesis contributes to producing flood hazard maps; these maps depict the spatial distribution of both the water depth and velocity for scenarios with prescribed probability, and are an important preliminary step in the preparation of a FRMP. This work is focused on two rivers included in the APSFR “North of Milan”: the Guisa and Nirone, which are two small-medium sized watercourses characterized by a total length of, respectively, about 23 and 8 km and an average width of the riverbed of 4 m. The hazard maps have been produced employing unsteady, two-dimensional hydrodynamic modelling, with a spatial detail sufficient to resolve the flow distribution around individual buildings (that are numerous in the strongly urbanized area northern to Milan). The maps have been produced according to three different probabilities of occurrence, corresponding to return periods equal to 10, 100 and 500 years. Use has been made of geometric data (digital terrain model and a number of surveyed transverse sections), land cover data, building footprint, and hydrological data (available hydrographs and peak flow rates). The maps produced in this thesis represent a significant update of those released in 2019 by the Autorità di Bacino Distrettuale del fiume Po (AdBPo), which resulted from the application of one-dimensional and zero-dimensional approaches. The hydrodynamic modelling has been performed using HEC-RAS. Therefore, a detailed analysis of some of the major critical aspects of the two-dimensional modelling with this software has been carried out. Specifically, careful consideration has been given to the sensitivity of the results due to the roughness parameterization, the computational time step for different sets of equations used, and the creation of the computational mesh. Based on the outcome of the sensitivity analysis, it has been possible to conclude that the methods used for the production of the updated hazard maps have been adequate for the purpose.

Al giorno d'oggi, la frequenza degli eventi alluvionali e il conseguente rischio nelle aree urbane stanno progressivamente aumentando e stimolano una grande preoccupazione a livello globale. Infatti, tali eventi possono portare a significative conseguenze negative, sia a breve che a lungo termine, a livello economico, sociale e ambientale. Pertanto, viste anche le attuali previsioni di peggioramento degli scenari futuri, è di fondamentale importanza perseguire metodi integrati di gestione del rischio di alluvione che comprendano la modellazione delle esondazioni. In Europa, a seguito della pubblicazione della Direttiva Alluvioni UE (2007/60/CE), ogni Stato membro deve identificare le aree a potenziale rischio significativo di alluvione (Areas of Potential Significant Flood Risk - APSFR) e, per ognuna di esse, preparare i piani di gestione del rischio di alluvione (Flood Risk Management Plans - FRMP), che devono essere aggiornati ogni 6 anni. A tale proposito, questa tesi contribuisce alla produzione di mappe di pericolosità da alluvione; queste mappe raffigurano la distribuzione spaziale sia della profondità che della velocità dell'acqua per scenari con prestabilite probabilità, e sono un importante passo preliminare nella preparazione di un FRMP. Questo lavoro è focalizzato su due fiumi inclusi nell'APSFR "Nord di Milano": il Guisa e il Nirone, che sono due corsi d'acqua di dimensioni medio-piccole caratterizzati da una lunghezza totale, rispettivamente, di circa 23 e 8 km e da una larghezza media dell'alveo di 4 m. Le mappe di pericolosità sono state prodotte utilizzando una modellazione idrodinamica a moto vario bidimensionale, con un dettaglio spaziale sufficiente a risolvere la distribuzione del flusso intorno ai singoli edifici (che sono numerosi nell'area fortemente urbanizzata a nord di Milano). Le mappe sono state prodotte secondo tre diverse probabilità di accadimento, corrispondenti a tempi di ritorno pari a 10, 100 e 500 anni. Sono stati utilizzati dati geometrici (modello digitale del terreno e un certo numero di sezioni trasversali rilevate), dati di copertura del suolo, impronta degli edifici e dati idrologici (idrogrammi disponibili e portate di picco). Le mappe prodotte in questa tesi rappresentano un significativo aggiornamento di quelle rilasciate nel 2019 dall'Autorità di Bacino Distrettuale del fiume Po (AdBPo), che derivavano dall'applicazione di approcci monodimensionali e zero dimensionali. La modellazione idrodinamica è stata eseguita utilizzando HEC-RAS. Pertanto, è stata condotta un'analisi dettagliata di alcuni dei principali aspetti critici della modellazione bidimensionale con questo software. In particolare, è stata presa in considerazione la sensibilità dei risultati dovuta alla parametrizzazione della scabrezza, al passo temporale di calcolo per i diversi insiemi di equazioni utilizzati e alla creazione della maglia di calcolo. Sulla base dei risultati dell'analisi di sensibilità, è stato possibile concludere che i metodi utilizzati per la produzione delle mappe di pericolosità aggiornate sono stati adeguati allo scopo.