Mappatura del rischio di inondazione per rottura arginale da sormonto e sifonamento: un approccio probabilistico

With the present thesis, the purpose is to investigate the topic of flood hazard mapping caused by the rupture of river levees. A probabilistic approach is adopted, based on the simulation of numerous scenarios with single and multiple levee breaches, capable of estimating the probability associated with each of these scenarios using levee fragility curves. The proposed model, originally introduced by Lazzarin et al. (2025) for the sole mechanism of levee failure due to overtopping, has here been implemented and extended to include the piping mechanism, through the development of joint fragility curves. In the initial phase, a review of the technical and scientific literature is carried out regarding the meaning and use of the concepts of hazard and risk, their application in the hydraulic field, as well as the necessity of adopting probabilistic approaches that account for the uncertainty of the variables and processes involved. The focus then shifts to levee fragility curves, tools that allow the probability of failure of a structure to be linked to the value of the load. Two main mechanisms of levee collapse are examined in detail: overtopping and piping. Particular attention is given to a correct probabilistic derivation of the joint fragility curve, which makes it possible to consider within the probabilistic model the possibility of levee failure due to both mechanisms. The probabilistic method is then applied to the case study of the Adige River between Bronzolo and Lavis, in Trentino-Alto Adige, Italy. Flood hydrographs characterized by different return periods are identified for the upstream section, and a two-dimensional finite-element hydrodynamic model is then applied, capable of simulating the processes of flood propagation within the riverbed, levee breaches, and flooding of the surrounding areas. The different flooding scenarios obtained are subjected to a probabilistic analysis, which, through the use of joint levee fragility curves and the calculation of conditional probabilities, allows each scenario to be assigned the corresponding probability of occurrence. Hazard maps are therefore produced for the case study, for different return periods and different water depths. The results highlight that the probability associated with specific flooding scenarios is reduced compared to traditional deterministic approaches. Furthermore, the work shows how the introduction of the piping failure mechanism, in addition to overtopping, leads to significant changes in the levee fragility curves, and therefore in the hazard values associated with different points of the territory, which would otherwise be underestimated. A sensitivity analysis is also conducted to investigate the influence of some parameters on the probability of levee failure due to piping. Finally, the applicability of a strategy aimed at reducing the number of simulations required for the probabilistic assessment of flood events is evaluated, through the introduction of probability thresholds. While the introduction the thresholds modifies the results in a conservative direction, the choice of relatively high threshold values entails a progressive and significant loss of consistency with reality.

Con il presente lavoro di tesi si intende affrontare il tema della mappatura della pericolosità di alluvione dovuta all’esondazione di fiumi arginati. Viene adottato un approccio probabilistico basato sulla simulazione di numerosi scenari con rotte arginali singole e multiple, in grado di stimare la probabilità associata a ciascuno di questi scenari mediante l’utilizzo di curve di fragilità arginale. Il suddetto modello, originariamente proposto da Lazzarin et al. (2025) per il solo meccanismo di rottura arginale generato dal sormonto degli argini, è stato qui implementato ed esteso anche al meccanismo di piping, mediante lo sviluppo di curve di fragilità congiunte. Nella fase iniziale, viene svolta una analisi della letteratura tecnico-scientifica riguardante il significato e l’uso dei concetti di pericolosità e rischio, la loro applicazione in ambito idraulico, nonché la necessità di adottare approcci probabilistici che tengano in considerazione l’aleatorietà delle variabili e dei processi in gioco. Viene successivamente approfondito il tema delle curve di fragilità arginali, strumenti che consentono di legare la probabilità di fallimento di un’opera al valore assunto dalla sollecitazione. In particolare, vengono considerati in dettaglio i due principali meccanismi di collasso arginale, ovvero il sormonto e il piping. Particolare attenzione viene riservata a una corretta derivazione probabilistica della curva di fragilità congiunta, che consente di considerare nel modello probabilistico la possibilità di rottura degli argini dovuta ad entrambi i meccanismi. Si procede poi applicando il metodo probabilistico al caso studio del tratto di fiume Adige compreso tra Bronzolo e Lavis, in Trentino-Alto Adige. Vengono individuati idrogrammi di piena caratterizzati da diversi tempi di ritorno per la sezione di monte e viene poi predisposto e applicato un modello idrodinamico bidimensionale agli elementi finiti, in grado di simulare contestualmente i processi di propagazione della piena all’interno dell’alveo, di formazione delle rotte arginali e di allagamento delle aree esterne. I differenti scenari di allagamento così ottenuti sono oggetto della successiva analisi probabilistica che, mediante l’impiego delle curve di fragilità arginale congiunte e il calcolo delle probabilità condizionate, permette di assegnare a ciascuno scenario la relativa probabilità di accadimento. Sono perciò prodotte mappe di pericolosità per il caso studio per diversi valori di tempo di ritorno e per diversi valori di tirante. I risultati evidenziano innanzitutto che la probabilità associata a specifici scenari di allagamento si riduce rispetto agli approcci deterministici tradizionali. Inoltre, il lavoro mostra come l’introduzione del meccanismo di rottura degli argini per piping, in aggiunta a quello per sormonto, comporti variazioni significative nelle curve di fragilità arginali, e quindi nei valori di pericolosità associati ai vari punti del territorio, che ne risulterebbero altrimenti sottostimati. Viene poi condotta un’analisi di sensibilità che permette di evidenziare l’influenza di alcuni parametri chiave sulla probabilità di rottura degli argini per sifonamento. Infine, si valuta l’applicabilità di una strategia volta a ridurre il numero di simulazioni necessarie all’inquadramento probabilistico del fenomeno di allagamento mediante l’introduzione di soglie di probabilità. Se, da una parte, l’introduzione della soglia modifica i risultati a favore di sicurezza rispetto alla metodologia completa, d’altra parte, la scelta di valori soglia relativamente elevati comporta una progressiva e importante la perdita di coerenza degli stessi con la realtà.