Dynamic Flood Routing in Sediment-Affected Reservoirs Using Satellite- Derived Area-Elevation Curves: A Case Study of Golestan Dam, Iran

Le dighe sono tra gli tentativi più ambiziosi dell'umanità di domare i fiumi, agendo come enormi spugne che assorbono improvvise ondate d'acqua per proteggere le città e le fattorie a valle. Per farlo in sicurezza, gli ingegneri si affidano a una comprensione fondamentale della forma della diga: quanto spazio è disponibile per contenere l'acqua a una determinata altezza. Questa relazione, nota come curva area-elevazione, viene solitamente mappata quando la diga viene costruita per la prima volta, basandosi sulla valle pulita e vuota che è stata progettata per riempire. Per decenni, la pratica standard nella sicurezza contro le inondazioni è stata quella di assumere che questa forma non cambi mai. La logica è semplice: se sai quanta acqua ci sta in un secchio, puoi prevedere esattamente quanto traboccherà quando un temporale colpisce. Tuttavia, questa ipotesi ignora una forza lenta e implacabile che rimodella ogni bacino nel tempo: il sedimento. I fiumi trasportano sabbia, limo e fango, e quando rallentano entrando in un bacino, questo materiale si deposita sul fondo. Nel corso di anni e decenni, questo accumulo innalza il fondo del bacino, riducendo efficacemente le dimensioni del "secchio" e alterandone la forma, spesso in modi difficili da vedere dalla superficie.

In uno studio recente focalizzato sulla diga di Golestan, nel nord dell'Iran, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di testare cosa accade quando smettiamo di assumere che il secchio mantenga la stessa dimensione. Il team, guidato da ingegneri dell'Università delle Scienze Agricole e delle Risorse Naturali di Gorgan e dell'Università Sultan Qaboos, ha investigato come il progressivo riempimento del bacino con i sedimenti cambi il comportamento delle piene. Hanno scelto la diga di Golestan perché si trova in una regione soggetta a piogge intense e alluvioni lampo, rendendo la previsione accurata delle inondazioni una questione di pubblica sicurezza. La diga, completata nel 1999, era stata originariamente progettata per contenere un volume specifico di acqua, ma entro il 2015, i rilievi idrografici — essenzialmente mappe subacquee del fondo del bacino — hanno rivelato un cambiamento drammatico. Il sedimento aveva innalzato il fondo del bacino di oltre cinque metri e ridotto la capacità totale di stoccaggio al livello dello sfioratore di quasi il 40 percento. Ciò significava che il bacino era significativamente più superficiale e conteneva meno acqua rispetto ai progetti originali.

Per capire come questo cambiamento fisico influenzi la sicurezza contro le inondazioni, i ricercatori si sono rivolti a uno strumento moderno che evita la necessità di costosi e infrequenti rilievi subacquei: l'immagine satellitare. Utilizzando Google Earth Engine, un potente sistema basato su cloud che elabora enormi quantità di dati, il team ha analizzato più di 100 immagini catturate dai satelliti Sentinel-2 tra il 2015 e il 2025. Questi satelliti scattano foto della Terra ogni pochi giorni con una risoluzione abbastanza nitida da vedere dettagli grandi come una singola automobile. Applicando una specifica tecnica di analisi del colore che distingue l'acqua dalla terra, i ricercatori sono stati in grado di tracciare l'esatto contorno della superficie del bacino a diversi livelli d'acqua. Ciò ha permesso loro di ricostruire la forma attuale del bacino, creando una nuova mappa aggiornata di quanta acqua entra in possesso a ogni altezza, aggiornando efficacemente le dimensioni del "secchio" in base a ciò che i satelliti hanno effettivamente visto, piuttosto che su ciò che era stato disegnato su carta venticinque anni fa.

Il team ha poi inserito queste due diverse versioni della forma del bacino in un modello informatico progettato per simulare il routing delle piene, ovvero il processo di tracciamento di come un'onda di piena si muove attraverso e fuori da una diga. Hanno eseguito simulazioni per quattro diversi tipi di tempeste, che vanno da un evento comune con tempo di ritorno di 25 anni a un'inondazione rara e catastrofica con tempo di ritorno di 200 anni. In ogni scenario, hanno testato due condizioni: una in cui il bacino era vuoto e pronto a raccogliere l'acqua, e un'altra in cui era già pieno. I risultati hanno rivelato una differenza netta tra la vecchia visione statica della diga e la nuova realtà dinamica. Quando i ricercatori hanno utilizzato la forma aggiornata e riempita di sedimenti del bacino, le simulazioni hanno mostrato che la diga avrebbe rilasciato molta più acqua durante una piena rispetto a quanto precedentemente calcolato. Per una massiccia inondazione di 200 anni, il modello aggiornato ha previsto che la diga avrebbe rilasciato circa 12 milioni di metri cubi di acqua in più rispetto al vecchio modello. Si tratta di un volume d'acqua equivalente a riempire circa quattromila piscine olimpioniche.

Le implicazioni di questa acqua extra sono profonde per chiunque viva a valle. Lo studio ha rilevato che la perdita di spazio di stoccaggio dovuta al sedimento significa che il bacino non può trattenere tanta parte del picco di piena quanto gli ingegneri credevano un tempo. Nelle simulazioni, il flusso di picco d'acqua che scorre fuori dalla diga era più alto, e il volume totale dell'onda di piena era maggiore quando veniva considerato il sedimento. Questo effetto è stato più drammatico quando il bacino partiva da vuoto, una condizione in cui ci si aspetterebbe che la diga prestasse le sue migliori prestazioni. Anche in questo scenario ideale, il bacino ostruito dai sedimenti aveva meno spazio per assorbire l'urto della piena, portando a un rilascio di acqua più rapido e violento. I ricercatori hanno anche osservato che il livello dell'acqua all'interno del bacino saliva più in alto del previsto nei modelli aggiornati, avvicinando l'acqua alla sommità del muro della diga. Per una diga in terra come quella di Golestan, dove la struttura è composta da terreno e roccia compattati, avere il livello dell'acqua troppo vicino alla cresta può rappresentare un serio rischio per la sicurezza.

Lo studio ha inoltre evidenziato un difetto sottile ma importante nel modo in cui misuriamo tradizionalmente i bacini. Quando i ricercatori hanno confrontato le loro mappe derivate dai satelliti con il rilievo subacqueo del 2015, hanno scoperto che i due metodi concordavano bene nell'intervallo medio dei livelli d'acqua, ma divergevano significativamente agli estremi. A livelli d'acqua molto bassi, i satelliti hanno rilevato piccole sacche d'acqua in depressioni poco profonde che il rilievo subacqueo aveva mancato, probabilmente perché le imbarcazioni del rilievo non potevano navigare in quelle aree basse e piene di sedimenti. Al livello massimo, vicino allo sfioratore, il rilievo subacqueo sembrava fare affidamento su stime lineari che non corrispondevano alla complessa realtà curva del bacino. Ciò suggerisce che i rilievi tradizionali, pur essendo preziosi, possono talvolta mancare i dettagli fini della reale geometria di un bacino, specialmente quando questa cambia nel tempo. L'approccio satellitare, al contrario, cattura la superficie dell'acqua effettiva così come esiste in un dato giorno, offrendo un'immagine più realistica della capacità attuale del bacino.

In definitiva, la ricerca dimostra che affidarsi al progetto originale di una diga non è più sufficiente per gestire i rischi di inondazione in un ambiente che cambia. Il sedimento che si accumula nei bacini non è solo un fastidio che riduce l'accumulo d'acqua; esso altera fondamentalmente il comportamento idraulico dell'intero sistema. Ignorando questi cambiamenti, ingegneri e funzionari della sicurezza potrebbero sottostimare il pericolo di un'inondazione, credendo che la diga possa trattenere più acqua di quanta ne possa realmente contenere. Lo studio propone che l'uso di immagini satellitari per aggiornare regolarmente la forma dei bacini offra un modo pratico ed economico per mantenere accurati i modelli di inondazione. Invece di aspettare decenni per un nuovo rilievo subacqueo, le autorità possono utilizzare il flusso costante di dati satellitari per vedere come il bacino si sta evolvendo e regolare i propri piani di sicurezza di conseguenza. Per la diga di Golestan e per tantissime altre in tutto il mondo, questo passaggio da una visione statica del passato a una visione dinamica del presente potrebbe fare la differenza tra un'inondazione gestita e un disastro.