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Vittorio Di Federico

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ICAR/01 IDRAULICA

Temi di ricerca

Parole chiave: idraulica ambientale analisi di rischio probabilistica correnti di gravità espansione in caos polinomiale mezzi fratturati acque sotterranee sistemi di distribuzione idrica e fognaria approccio stocastico eterogeneità fluidi non-Newtoniani mezzi porosi meccanica dei fluidi

1)    Idrologia e idraulica sotterranea:

 1a) Riduzione dei modelli e quantificazione dell'incertezza;

 1b) Caratterizzazione dell'eterogeneità, effetto scala, flusso e trasporto in mezzi porosi e fratturati;

 1c) Filtrazione non-Darciana, (moti alla Forchheimer e non-Newtoniani) in mezzi porosi e fratturati;

 1d) Trasporto di calore nel sottosuolo e apparati geotermici;

 1e) Intrusione del cuneo salino;

 1f) Analisi probabilistica di rischio (PRA).

2)   Meccanica dei Fluidi e Idraulica Ambientale:

 2a) Flusso a superficie libera di fluidi non-Newtoniani, debris flow e iperconcentrazioni.

 2b) Correnti di densità e gravità geofisiche, viscose e inerziali;

 2c) Idraulica fluviale e morfodinamica.

 3)    Idraulica urbana:

 3a)  Analisi di dati di fallanza delle condotte idriche;

 3b) Analisi di affidabilità delle reti idriche e di drenaggio;

 3c) Analisi del ciclo di vita (LCA) di componenti e reti idriche;

 3d) Sistemi di supporto decisionale (DSS) applicati alle reti idriche;

 3e) Gestione basata sul rischio degli asset infrastrutturali delle reti idrauliche.



1) Idrologia e idraulica sotterranea :

1a) Riduzione dei modelli e quantificazione dell'incertezza. Vengono esaminate le equazioni differenziali stocastiche alla base del comportamento di sistemi ambientali complessi, e le tecniche per la riduzione della complessità dei modelli (modelli surrogati). In presenza di incertezza, il comportamento dei sistemi è studiato mediante Analisi di Sensitività (GSA), adottando metodi di Espansione in Caos Polinomiale (PCE) efficaci dal punto di vista computazionale.

1b) Caratterizzazione dell'eterogeneità, effetto scala, flusso e trasporto in mezzi porosi e fratturati. L'eterogeneità dei mezzi porosi naturali (geologici) è esaminata con metodi geostatistici. L'effetto scala della conduttività idraulica e della dispersività longitudinale sono investigate entro un quadro teorico unitario di rappresentazione della logconduttività idraulica come un campo frattale stocastico. Tale quadro di riferimento consente la soluzione di problemi stocastici di moto e trasporto con metodologie standard. Diversi problemi dell'Idraulica Sotterranea dei mezzi eterogenei (flussi uniformi e radiali verso pozzi, trasporto di soluti, condizionamento dei risultati con misure di campo) sono riesaminati alla luce di tale teoria. Le metodologie sono analitiche e numeriche (metodo alle piccole perturbazioni, Monte Carlo, metodo dei momenti).

1c) Filtrazione non-Darciana, (moti alla Forchheimer e non-Newtoniani) in mezzi porosi e fratturati. Il flusso e trasporto in mezzi porosi e fratturati è studiato nel caso di relazione nonlineare tra flusso e gradiente di pressione, dovuta o al superamento della soglia di linearità del moto alla Darcy, o alla natura non-Newtoniana del fluido. La ricerca mira ad una comprensione di dettaglio dei fenomeni di flusso e trasporto alla scala di poro e della singola frattura, e alla messa a punto di metodologie semplificate e di parametri rappresentativi alle scale maggiori.

1d) Trasporto di calore nel sottosuolo e apparati geotermici. L'efficienza termica di geometrie innovative per gli scambiatori di calore impiegati nei circuiti geotermici superficiali è investigate risolvendo numericamente i transitori di flusso e trasporto nel terreno con modelli analitici e numerici. Il fine è l'ottimizzazione della forma dello scambiatore, la minimizzazione dell'inquinamento termico del suolo, e la valutazione degli effetti dell'incertezza nei parametri sulla risposta dei modelli.

1e) Intrusione del cuneo salino. L'influenza dell'incertezza parametrica sull'intrusione salina in aquiferi costieri freatici o confinati viene investigata mediante il ri-esame di soluzioni analitiche esistenti dal punto di vista dell'analisi di rischio. La sensitività dei modelli a parametri aleatori in ingresso viene valutata con la tecnica dell'espansione in caos polinomiale, per valutare la probabilità di diversi eventi indesiderati (ad esempio la contaminazione di pozzi o aree sensibili costiere). Tecniche “data-driven”, che utilizzano modelli statistici regressive o autoregressivi, sono impiegate nei casi reali in cui i modelli analitici non sono applicabili; ad esempio l'aquifero freatico costiero della Regione Emilia-Romagna.

1f) Analisi probabilistica di rischio (PRA). A valle di una approfondita revisione della esistente letteratura in termini di analisi di rischio applicata ai sistemi naturali (includente metodologie quali “fault tree” e “event tree”), l'obiettivo è pervenire ad una rappresentazione integrata del rischio, comprensiva di: i) analisi del rischio, con identificazione dei fattori di rischio e loro quantificazione; ii) valutazione del rischio; iii) riduzione e controllo del rischio: definizione e implementazione di un processo decisionale e monitoraggio. I metodi individuati, di natura essenzialmente probabilistica, verranno applicati agli acquiferi, con lo scopo di fornire supporto alla pianificazione dei prelievo da risorsa idrica sotterranea e all'analisi e bonifica di siti contaminati, anche in relazione all'interesse recentemente suscitato dal tema del recupero delle grandi aree industriali site all'interno di centri urbani. Più specificamente, per problemi complessi in presenza di un grande numero di variabili affette da incertezza, vengono adottati metodi di analisi di sensitività globale (GSA), affrontati con la tecnica dell'espansione in Caos Polinomiale (PCA).

2) Meccanica dei Fluidi e Idraulica Ambientale:

2a) Flusso a superficie libera di debris flow e iperconcentrazioni. Il moto di fluidi non-Newtoniani viene esaminato con metodologie analitiche e/o numeriche, in regime laminare o turbolento, in diverse condizioni e geometrie, sia in pressione che a pelo libero. Lo studio si propone di analizzare l'impatto delle diverse leggi costitutive caratterizzanti i fluidi sui risultati della modellazione in termini di variabili integrate (ad esempio portata fluida o altezza del pelo libero). La ricerca proposta è funzionale ad una più approfondita conoscenza e rappresentazione di colate detritiche e flusso di fanghi minerari.

2b) Correnti di densità e gravità geofisiche, viscose e inerziali. Numerosi fenomeni rilevanti in applicazioni industriali, geofisica e idraulica ambientale comportano il moto relativo di due fluidi dovuto a differenze di densità. Si approfondisce lo studio di tali fenomeni in diverse geometrie, a pelo libero od entro un mezzo poroso, per fluidi newtoniani e non-newtoniani, caratterizzati da diverse leggi reologiche. Vengono esaminati i diversi possibili regimi di propagazione (inerziale o viscoso), ricercando approcci analitici ovvero soluzioni in forma numerica. Lo sviluppo nel tempo e nello spazio della corrente di densità è esaminato al variare dei parametri reologici del fluido.La validazione sperimentale delle teorie ricavate è perseguita con esperimenti di laboratorio. L'influenza dell'eterogeneità del mezzo è esaminata per le correnti di gravità entro mezzi porosi con approccio deterministico e stocastico.

2c) Idraulica fluviale e morfodinamica. Lo studio riguarda la calibrazione di un modello morfodinamico bidimensionale di un tratto del fiume Po in Italia utilizzando dettagliate della morfologia fluviale e dei flussi idrici e di sedimento derivanti da misure ADCP. Una analisi di sensitività è sviluppata per valutare gli effetti della scabrezza di fondo e della direzione di trasporto del sedimento sul campo di moto simulato e sulla morfologia di fondo.

3) Idraulica urbana:

3a) Analisi di dati di fallanza delle condotte idriche. Si sviluppa una analisi statistica degli eventi di rottura/fallanza/blocco nelle reti di distribuzione idrica e fognarie, con lo scopo di pervenire a formule predittive.

3b) Analisi di affidabilità delle reti idriche e di drenaggio. Per le reti di distribuzione idrica, scopo della ricerca è l'individuazione di nuovi indici di prestazione nodali e globali. Nelle reti fognarie, viene perseguita la descrizione del comportamento idraulico e ambientale della rete di drenaggio nelle condizioni presenti e nei possibili scenari futuri, considerando il declino delle prestazioni nel tempo e l'applicazione di tecnologie riabilitative fattibili.

3c) Analisi del ciclo di vita (LCA) di componenti e reti idriche. La metodologia di Life Cycle Energy Analysis (LCEA) viene applicata alle condotte delle reti di distribuzione idrica, consentendo di individuare gli scenari più vantaggiosi in termini di costo energetico, di scelta del materiale, nonché relativamente alla tecnologia da impiegare e ai possibili scenari di sostituzione. L'obiettivo è quello di fornire uno strumento di supporto decisionale che aggiunga la dimensione del risparmio energetico e della riduzione dell'impatto ambientale a quelle già trattate in letteratura, principalmente legate alla stima dell'affidabilità, del rischio e dei costi. Il ciclo di vita della condotta è suddiviso in tre fasi: fase di fabbricazione, d'uso e di fine vita. Per ciascuna fase è possibile calcolare il consumo energetico associato all'unità funzionale presa come riferimento, mediante l'approccio teorico proposto che modifica risultati di letteratura.

3d) Sistemi di supporto decisionale (DSS) applicati alle reti idriche. Scopo della ricerca è stabilire un quadro razionale per la gestione della manutenzione razionale dei sistemi di distribuzione idrica e di drenaggio urbano, sviluppando prodotti e strumenti intermedi nonché un Sistema di Supporto Decisionale (DSS) che consenta ai tecnici gestori delle reti una gestione effettiva e continua dei sistemi di approvigionamento idrico e fognario con un approccio proattivo.

3e) Gestione basata sul rischio degli asset infrastrutturali delle reti idrauliche. Una gestione sostenibile dei complessivi asset infrastrutturali dei sistemi di distribuzione idrica e di collettamento fognario viene perseguita dal punto di vista della “visione tripla”: aspetti economici, sociali ed ambientali. In questo ambito, vengono sviluppati indicatori di performance per la valutazione della sostenibilità alle diverse scale, calcolati mediante modello di metabolismo urbano, che vede il ciclo idrico integrato come un organismo vivente i cui diversi apparati si scambiano flussi di materia e di energia.