II Centro La.R.A. (Laboratorio di Ricerca sulle Acque) nasce nel 2014 per coordinare e integrare ricerche complesse che investono aspetti quantitativi e qualitativi legati ai carpi idrici naturali superficiali e sotterranei ed al ciclo idrico integrate mettendo a sistema le competenze e le attrezzature di due laboratori con una spiccata capacita operativa di pieno campo.
Il Laboratorio supporta le pubbliche amministrazioni a livello regionale o locale per la rivalutazione del rischio idraulico con particolare riferimento alle aree urbane e peri-urbane. Il Centro si specializza nel settore della modellazione idraulica avanzata per la valutazione dell’impatto delle alluvioni nei contesti urbanizzati. In questo ambito, l’analisi di pericolosità idraulica deve tenere conto dell’effetto combinato dei tiranti idrici e dell’energia cinetica della corrente in un dominio molto complesso in cui particolari condizioni di rischio possono derivare dagli elementi che costituiscono il tessuto e l’arredo urbano.
I ricercatori del Centro La.R.A., oltre ad aver supportato la Regione Sicilia per la stesura del Piano di Gestione del Rischio Alluvioni attualmente vigente, proseguono la collaborazione con gli enti locali ed il governo regionale per l’aggiornamento del Piano e la particolarizzazione dello stesso nelle aree densamente popolate.
Le attività svolte dal Centro La.RA spaziano dallo sviluppo di sensoristica avanzata per la gestione del servizio idrico e per ii monitoraggio ambientale, al monitoraggio e prevenzione dei processi di inquinamento dei carpi idrici naturali, allo sviluppo di analisi sulla pericolosità e sul rischio idraulico valutando l’impatto del cambiamento climatico e le condizioni di vulnerabilità di diversi possibili elementi esposti agli eventi alluvionali, al monitoraggio e modellazione delle dinamiche costiere per mitigare gli effetti dei processi erosivi. Integrando le professionalità dei laboratori di Idraulica Ambientale e di Ingegneria Sanitaria Ambientale, ii Centro è in grado sviluppare numerosi servizi ad elevata complessità tecnica a supporto delle Pubbliche Amministrazioni, degli Enti Territoriali, dei Gestori del Servizio Idrico Integrate, delle Autorità di Control lo e Gestione di specifici servizi (ARPA, Autorità di Bacino, Autorità di Distretto Portuale, ecc.) in tutte quelle circostanze in cui la salvaguardia ambientale delle acque e della salute pubblica devono integrarsi con le necessita di sviluppo economico e fruizione dei territori.
Il Laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale (LISA) opera nei campi delle analisi (chimiche, fisiche, microbiologiche, ambientali) e dei servizi di ingegneria applicati alle problematiche d’impresa.
Il Laboratorio di Idraulica Ambientale (LIA) ha tra i principali obiettivi quello di fornire un valido strumento per le quotidiane attività di didattica, ricerca e di consulenza verso terzi, enti pubblici e privati, nell’ambito dell’Ingegneria delle acque: Idraulica Ambientale, Idraulica Costiera, Costruzioni Idrauliche e Idrologia.
Il Laboratorio è attivo dal 2014 ed il coordinamento scientifico è stato, recentemente, confermato con D.P. n°246/2019. Il Laboratorio gestendo attività complesse, che prevedono l’integrazione di attività di studio, di monitoraggio di pieno campo e di ricerca applicata, segue il Regolamento d’Ateneo concernente le attività scientifiche e formative in collaborazione con terzi o in conto terzi e le attività assimilate
Il Laboratorio svolge le proprie attività attraverso il coordinamento con le risorse degli altri laboratori del settore delle acque e attraverso un proprio organigramma:
I recenti studi internazionali, i rapporti dell’IPCC e la Direttiva Europea Alluvioni 2007/60 evidenziano che l’analisi del rischio idraulico deve essere effettuata tenendo in considerazione l’impatto che il cambiamento climatico può avere nel medio e nel lungo termine sulla frequenza e sulla magnitudo degli allagamenti. In ambiente urbano, il problema è ancora più rilevante per la ridotta scala temporale degli eventi meteorici che possono determinare lo sviluppo e la propagazione degli allagamenti e per l’effetto combinato dell’urbanizzazione. Il consumo di suolo, con la progressiva impermeabilizzazione delle superfici e l’aumento dei deflussi superficiali può determinare un’amplificazione dell’impatto del cambiamento climatico facendo sì che sistemi di drenaggio già al limite della propria capacità idraulica vengano rapidamente saturati anche in corrispondenza di eventi meteorici non eccezionali. L’approccio integrato è basato sull’analisi dei dati di pioggia di massima intensità e fissata durata abbinata con la valutazione del consumo di suolo sulla base di indagini storico – cartografiche che consentono la perimetrazione e la qualificazione delle aree progressivamente urbanizzate nel tempo. Questa analisi consente sia di definire l’aumento dell’esposizione al rischio idraulico (dovuta alla costruzione di insediamenti in aree potenzialmente allagabili) sia di valutare l’aumento dei deflussi meteorici dovuti all’impermeabilizzazione del territorio. L’analisi consente anche di poter programmare interventi di mitigazione anche in relazione all’evoluzione urbanistica dell’area e di modificare i criteri progettuali dei sistemi di drenaggio urbano in relazione alla necessaria limitazione dei deflussi.
La stima della pericolosità idraulica in ambiente urbano è caratterizzata da alcune significative difficoltà connesse con la necessità di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale. In considerazione del fatto che una parte degli allagamenti sono causati dai deflussi meteorici che si originano e si propagano in ambiente urbano e che i tempi di corrivazione sono generalmente molto brevi, è necessario possedere dati pluviometrici ed idrometrici da un numero significativo di sensori sparsi sul territorio ed è necessario possedere dati ad alta risoluzione sulla topografia dell’area potenzialmente allagabile e sul sistema drenante superficiale e sotterraneo presente nell’area. Questa grande quantità di dati deve essere poi elaborata da modelli numerici, almeno bi-dimensionali, che siano in grado di rappresentare la complessità dei fenomeni idraulici che si sviluppano nelle aree densamente urbanizzate. Comunemente, non tutti i dati richiesti sono effettivamente disponibili e, talvolta, l’area da analizzare è troppo ampia e complessa per l’utilizzo di modelli dettagliati che richiedono lunghi tempi computazionali e notevoli risorse di calcolo. Oltre all’analisi preliminare dei dati idrologici per la stima delle portate di piena ed alla predisposizione dei modelli numerici per la propagazione degli allagamenti e per la stima della pericolosità, devono essere predisposte opportune analisi di incertezza che siano in grado di stabilire il livello di affidabilità dell’analisi, di suggerire quali informazioni è necessario migliorare per aumentare l’affidabilità della stima, di verificare quali interventi di mitigazione risultano più efficaci e più robusti per la riduzione della pericolosità e del rischio. Queste analisi sono state svolte con approcci sia con approcci Bayesiani sia con approcci non formali in modo da fornire uno strumento che vada progressivamente migliorando indipendentemente dal livello conoscitivo disponibile. Questo consente di applicare l’analisi di pericolosità anche in casi in cui sono disponibili solo pochi dati con la prospettiva di ottenere una prima valutazione di massima e successivi aggiornamenti attraverso il potenziamento della base di dati disponibili.
Recentemente il Laboratorio di affiliato al Consorzio Fabre (https://www.consorziofabre.it/it/homepage) per il supporto agli enti gestori nella verifica della viabilità di rilevanza nazionale.
In ambiente urbano, una delle principali difficoltà nella valutazione del rischio idraulico è legata alla valutazione del danno atteso in considerazione della notevole densità di beni mobili ed immobili che possono essere danneggiati dagli eventi alluvionali. In queste condizioni, è opportuno effettuare un’analisi dei beni esposti all’allagamento attraverso un’indagine statistica (sulla base di dati storici sulla valutazione dei danni effettivamente causati sugli edifici e sui beni mobili, come autovetture, arredamenti, ecc.) abbinata con un’analisi di tipo induttivo che valuta i meccanismi che possono determinare il danno suddividendo i beni esposti in classi di esposizione e vulnerabilità. L’abbinamento delle due tipologie di analisi consente di predisporre un modello di danno atteso che consente di valutare l’esborso economico connesso con il verificarsi di eventi alluvionali con diversi tempi di ritorno e, allo stesso tempo, consente di valutare i vantaggi determinati dalla predisposizione di un opportuno sistema di interventi di mitigazione.
L’esperienza decennale del laboratorio nell’analisi dei sistemi di depurazione e della qualità dei corpi idrici naturali si è manifestata in numerose attività di ricerca che hanno riguardato acquiferi costieri ed acque interne di notevole complessità.
Le attività del Laboratorio si sono orientate verso la caratterizzazione delle matrici solide e liquide alla ricerca di contaminazione e nello sviluppo di complessi programmi di monitoraggio.
In particolare, in aree costiere, l’obiettivo generale delle ricerche è stato l’individuazione di soluzioni efficaci e verificabili per il miglioramento qualitativo delle aree naturali o antropizzate e la riduzione del derivante impatto sull’ambiente marino. In particolare l’obiettivo generale così individuato si è trasformato nel raggiungimento di due obiettivi specifici che riguardano rispettivamente i sedimenti e le acque contaminate ad elevata salinità, parte delle quali derivanti dal processo stesso di trattamento dei sedimenti.
Il laboratorio utilizza principalmente le risorse strumentali dei laboratori LIA e LISA, integrandole nelle singole attività di ricerca applicata o di monitoraggio di pieno campo. Tra le proprie attività, Il La.R.A. sviluppa sensori ed attrezzature sulla base di propri brevetti e progetti.
HI98494 è un misuratore multiparametro portatile a tenuta stagna, che monitora fino a 12 diversi parametri per la qualità dell’acqua. La sonda multisensore è dotata di microprocessore e consente la misurazione di parametri chiave, tra cui pH, redox, conducibilità, ossigeno disciolto e temperatura. La sonda trasmette le letture digitalmente allo strumento, che consente di visualizzare e salvare i dati. I dati registrati nello strumento possono essere trasferiti tramite Bluetooth® a un dispositivo in cui è installata l’app gratuita Hanna Lab. HI98494 viene fornito con tutti gli accessori necessari, in in una robusta valigetta per il trasporto e l’uso sul campo.
Il laboratorio ha sviluppato e brevettato una propria linea di sensori flottanti a basso costo.
The system was developed to be a general-purpose platform to track contamination in sewers.
Il sistema è stato sviluppato per essere una piattaforma generica per monitorare la contaminazione nelle reti fognarie o nei canali naturali.
Il disco è progettato per galleggiare sulla superficie dell’acqua ed è disponibile in due misure con diametro pari a 8 cm e con diametro pari a 18 cm. Il disco flottante contiene una scheda di acquisizione (attualmente basata su Raspberry Pi4 ma è possibile una configurazione Arduino più economica), pacco batteria, sistema di localizzazione inerziale (accelerometri X-Y e sensore giroscopio elettronico). I dati sono memorizzati in una scheda MicroSD e un modulo WiFi può essere implementato per trasmettere dati in tempo reale e correggere i dati di localizzazione inerziale con un algoritmo di attenuazione del segnale WiFi.
La configurazione di base può essere completata con diversi sensori a seconda dell’applicazione che vorremmo eseguire. In questa prima versione, progettata per tracciare le infiltrazioni fognarie, i sensori sono:
Possono essere implementati diversi altri sensori:
Il kit Atlas Scientific Micro-ORP Probe viene fornito con tutto il necessario per creare un sistema di monitoraggio microfluidico del potenziale di ossido-riduzione. Questo kit semplifica l’acquisizione di letture calibrate e ad alta precisione da una sonda micro-ORP. La sonda Atlas Scientific Micro-ORP è stata progettata per la microfluidica e altre piccole applicazioni. Poiché la sonda è così piccola, è stato necessario costruirla come una sonda ORP a mezza cella. Una sonda a ½ cella funziona proprio come una normale sonda ORP, ma è composta da due pezzi separati, l’elettrodo di lavoro e l’elettrodo di riferimento. La scheda di connessione in dotazione unisce le due metà in una, proprio come una normale sonda ORP.
Il calcolo accurato della domanda di ossigeno è abbastanza difficile. Una volta eseguiti tutti i calcoli matematici, sono necessarie centinaia di test di titolazione chimica per confermare che le letture siano corrette su tutta la scala. Il circuito Atlas Scientific EZO-DO ti offre un D.O. letture in Mg/L e saturazione percentuale. Utilizzando le sue funzioni di compensazione di temperatura, salinità e pressione, puoi essere certo che le letture siano corrette, indipendentemente da dove ti trovi.
Lo spettrometro Ocean Optics STS appartiene ad una famiglia di strumenti compatti, economici e con risultati altamente riproducibili (da unità a unità), ideali per essere incorporati in dispositivi OEM. STS include il rivelatore lineare ELIS1024 in un ingombro inferiore al banco ottico quadrato di 50 mm (2”), oltre a tutti i circuiti necessari per il funzionamento dello spettrometro. L’STS fornisce un’analisi spettrale completa con bassa luce parassita, elevato rapporto segnale-rumore e risoluzione ottica di ~1,5 nm (FWHM) ed è particolarmente utile per applicazioni ad alta intensità come la caratterizzazione dei LED e le misure di assorbimento/trasmissione/riflessione.
Il laboratorio ha brevettato e testato un proprio prototipo di pluviometro avanzato.
Il prototipo del dispositivo di pluviometro è costituito da un contenitore a bocca tarata secondo standard WMO. L’area orizzontale del contenitore ha forma quadrata, di lato 0.1 m ed area pari a 0.01 m2. Un sensore di livello di tipo capacitivo è integrato nel contenitore è consente la stima delle altezze di pioggia con risoluzione inferiore a 0.05 mm e delle intensità di pioggia con sensibilità pari a 0.01 mm/h. L’intensità di pioggia massima registrabile è superiore a 1000 mm/h e la risoluzione temporale è pari a 1 sec. La bocca del contenitore è corredata con due coppie di sensori laser, ciascuno in grado di generare un fascio laser con risoluzione pari a 2500 punti per metro, posti su due piani orizzontali sfalsati di 5 cm. Ciascun sensore laser è in grado di identificare le dimensioni e la numerosità delle gocce di pioggia. La presenza di due sensori distanziati verticalmente di 5 cm consente di misurare la velocità delle gocce di pioggia consentendo di stimare l’energia cinetica per via diretta. Il contenitore è corredato da una valvola motorizzata di vuotamento. La valvola è controllata da un temporizzatore e dal misuratore di livello presente nel contenitore stesso: se il livello non varia per un tempo fissato dall’operatore al momento dell’installazione dello strumento, la valvola si apre producendo il vuotamento del contenitore che risulta quindi pronto per un successivo evento meteorico.
Lo strumento è interfacciato con un sensore GPS e con un modem GPRS per consentire la programmazione remota dello strumento ed il trasferimento automatico dei dati.
Dotto, C.B.S., Mannina, G., Kleidorfer, M., Vezzaro, L., Henrichs, M., McCarthy, D.T., Freni, G., Rauch, W., Deletic, A.
Comparison of different uncertainty techniques in urban stormwater quantity and quality modelling
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Deletic, A., Dotto, C.B.S., McCarthy, D.T., Kleidorfer, M., Freni, G., Mannina, G., Uhl, M., Henrichs, M., Fletcher, T.D., Rauch, W., Bertrand-Krajewski, J.L., Tait, S.
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Identifiability analysis for receiving water body quality modelling
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Freni, G., Mannina, G., Viviani, G.
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Uncertainty in water quality modelling: The applicability of Variance Decomposition Approach
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Aronica, G., Freni, G., Oliveri, E.
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Liuzzo, L., Bono, E., Sammartano, V., Freni, G.
Analysis of spatial and temporal rainfall trends in Sicily during the 1921–2012 period
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Liuzzo, L., Notaro, V., Freni, G.
A reliability analysis of a rainfall harvesting system in Southern Italy
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Freni, G., Maglionico, M., Mannina, G., Viviani, G.
Comparison between a detailed and a simplified integrated model for the assessment of urban drainage environmental impact on an ephemeral river
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Freni, G., Liuzzo, L.
Effectiveness of rainwater harvesting systems for flood reduction in residential urban areas
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Notaro, V., Fontanazza, C.M., Freni, G., Puleo, V.
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Morbidelli, R., García-Marín, A.P., Mamun, A.A., Atiqur, R.M., Ayuso-Muñoz, J.L., Taouti, M.B., Baranowski, P., Bellocchi, G., Sangüesa-Pool, C., Bennett, B., Oyunmunkh, B., Bonaccorso, B., Brocca, L., Caloiero, T., Caporali, E., Caracciolo, D., Casas-Castillo, M.C., G.Catalini, C., Chettih, M., Kamal Chowdhury, A.F.M., Chowdhury, R., Corradini, C., Custò, J., Dari, J., Diodato, N., Doesken, N., Dumitrescu, A., Estévez, J., Flammini, A., Fowler, H.J., Freni, G., Fusto, F., García-Barrón, L., Manea, A., Goenster-Jordan, S., Hinson, S., Kanecka-Geszke, E., Kar, K.K., Kasperska-Wołowicz, W., Krabbi, M., Krzyszczak, J., Llabrés-Brustenga, A., Ledesma, J.L.J., Liu, T., Lompi, M., Marsico, L., Mascaro, G., Moramarco, T., Newman, N., Orzan, A., Pampaloni, M., Pizarro-Tapia, R., Puentes Torres, A., Rashid, M.M., Rodríguez-Solà, R., Manzor, M.S., Siwek, K., Sousa, A., Timbadiya, P.V., Filippos, T., Vilcea, M.G., Viterbo, F., Yoo, C., Zeri, M., Zittis, G., Saltalippi, C.
The history of rainfall data time-resolution in a wide variety of geographical areas
(2020) Journal of Hydrology, 590, art. no. 125258, .
https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-85087518152&doi=10.1016%2fj.jhydrol.2020.125258&partnerID=40&md5=2cfe2805c8d4df82b942340f676ac09e
Il laboratorio La.R.A. offre una serie di servizi per le pubbliche amministrazioni, i gestori di pubblici servizi ed i privati che sono indirizzati alla valutazione idraulica dei manufatti sulla base delle recenti linee guida dell’Autorità di Bacino del Distretto Idrografico della Sicilia. Il Laboratorio possiede il know-how per la delimitazione delle fasce fluviali, per la definizione di eventuali aree di esondazione di piena e per la verifica idraulica delle opere realizzate all’interno delle fasce di pertinenza.
Attraverso la combinazione degli strumenti disponibili presso i laboratori, della possibilità di realizzare sensori specifici per ogni singola applicazione e della capacità di modellazione numerica idraulica, il Laboratorio è in grado di sviluppare piani di monitoraggio e caratterizzazione delle aree costiere con competenze che spaziano dall’idraulica e dall’analisi della cinetica dei sedimenti alla caraterizzazione chimico-fisica e microbiologica delle aree potenzialmente contaminate
Grazie alla lunga esperienza maturata negli anni, il Laboratorio si offre per la risoluzione delle molteplici problematiche connesse con il monitoraggio delle reti, la ricerca delle perdite, la risoluzione di problematiche connesse con la qualità delle acque e con l’attendibilità delle misurazioni tecniche e legali in rete.
Grazie alla disponibilità di micro-componentistica avanzata, il laboratorio è in grado di sviluppare sensori multi-parametrici per applicazioni specifiche oppure di adattare le piattaforme già sviluppate negli anni a specifiche necessità che possano derivare da obiettivi di monitoraggio ambientale, di analisi delle forzanti naturali e climatiche, dalle esigenze di gestione di sistemi idraulici complessi.
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