Leonardo Schippa

Bed evolution numerical model for rapidly varying flow in natural streams

A numerical model suitable for the reproduction of bed evolution in natural alluvial rivers and in channels of complex geometry is presented. It is based on a conservative formulation of one-dimensional shallow water equations, which includes an original treatment of the momentum equation source term. The proposed model has already been cross referenced with several test cases and experimental data found in the literature for fixed beds. In this study, however, the focus is on mobile bottom beds. The selected test cases are representative of some of the characteristic bed configurations that often occur in natural streams, and, therefore, are suitable for verifying the versatility of the model and its potential usefulness in the treatment of alluvial rivers. The MacCormack explicit finite difference scheme has been adopted for the numerical implementation. The liquid and solid phases are then solved by means of a semi-coupled procedure. A variety of bed evolution mechanisms and different water regime conditions are investigated in order to verify the model response in the cases of erosion, deposition and bed morphology evolution. The results show a good correspondence with the experimental data. Furthermore, the proposed model shows a notable numerical stability even when applied to test cases that are particularly difficult under the numerical computational profile, where the relative model of the standard formulation of the conservative balance equations shows evident numerical instability.

Analytical treatment of source terms for complex channel geometry

Starting from the classical conservative form of the shallow water equations, the source term of the momentum balance equation was modified to increase computational stability. This was achieved by replacing the term representing the local bed slope by an alternative expression of the pressure effect due to cross-section irregularities in non-prismatic channels. The resulting mathematical model turns out to be particularly suitable for complex channel and natural river geometries, and also improves the computational stability for complicated flow conditions. The explicit finite difference MacCormack scheme was adopted for numerical implementation. The model was thoroughly tested using a set of numerical test cases involving various channel geometries and a wide range of flow conditions. The same simulations were compared also with the classical model and with other schemes. Finally, a real flood event on the Italian river Reno was simulated, to confirm the model suitability for natural channels.

On the control of riverbed incision induced by run‐of‐river power plant

Water resource management (WRM) through dams or reservoirs is worldwide necessary to support key human-related activities, ranging from hydropower production to water allocation and flood risk mitigation. Designing of reservoir operations aims primarily to fulfill the main purpose (or purposes) for which the structure has been built. However, it is well known that reservoirs strongly influence river geomorphic processes, causing sediment deficits downstream, altering water, and sediment fluxes, leading to riverbed incision and causing infrastructure instability and ecological degradation. We propose a framework that, by combining physically based modeling, surrogate modeling techniques, and multiobjective (MO) optimization, allows to include fluvial geomorphology into MO optimization whose main objectives are the maximization of hydropower revenue and the minimization of riverbed degradation. The case study is a run-of-the-river power plant on the River Po (Italy). A 1-D mobile-bed hydro-morphological model simulated the riverbed evolution over a 10 year horizon for alternatives operation rules of the power plant. The knowledge provided by such a physically based model is integrated into a MO optimization routine via surrogate modeling using the response surface methodology. Hence, this framework overcomes the high computational costs that so far hindered the integration of river geomorphology into WRM. We provided numerical proof that river morphologic processes and hydropower production are indeed in conflict but that the conflict may be mitigated with appropriate control strategies.

Previsione delle caratteristiche dinamiche di una colata di progetto

PIETRO; Passadore, Giulia; Garbin, Silvia; B., Matticchio; F., Visentin; I., Brunet; R., Lago; F., Facco; Botter, Gianluca; Carniello, Luca. ELETTRONICO. (2016), pp. 1119-1122. ((Intervento presentato al convegno Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche tenutosi a Bologna nel Settembre 2016. Original Citation: Un sistema modellistico integrato per la previsione in tempo reale delle piene del Muson dei Sassi (Pd)La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Universita di Bologna, si e svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale e tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessita delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre piu profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunita tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si e posta come punto d’incontro della comunita tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si e svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi piu caratteristici e belli della citta ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attivita di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Universita di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-societa: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa piu sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastita e la diversita delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessita delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunita Scientifica Italiana e dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoche uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilita di stesura in inglese e stata concessa con l’auspicio di portare la visibilita del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale e dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume.

The sphere drag rheometer: A new instrument for analysing mud and debris flow materials

The present study focused on novel rheometrical tool for the determination of the rheological behavior of large particle mixtures with particular interest in the application to granular materials involving in fast landslides as mud and debris flows. The main goal is the development of the Sphere Drag Rheometer (SDR), a home-made large-scale rheometer that allow to estimate the rheological properties of these mixtures considering particles up to 50 mm grain size. The SDR is composed of a sphere rigidly joined to a support that moves at constant velocity into the mixture. Compared to standard rheometer, the SDR uses much higher volume of mixtures of wider grain size distribution next to that in situ. Several pyroclastic soils collected from the source area of debris flows occurred in Campania region (Southern Italy) were analyzed. The paper reports the experimental results on fine particles mixtures, large particle mixtures, and their comparison. The experimental results on fine mixture are compared with those obtained by conventional rheometrical tools reported in previous papers.