Indagine sperimentale e modellistica sul comportamento idraulico dei Blue Roof

The thesis presents the results of experimental and modeling investigations aimed at analyzing the hydrological and hydraulic behavior of rooftop installations for sustainable urban drainage, specifically Blue Roofs (BR). Three different types of BR were installed on the rooftop of one of the buildings at the University Citadel of Catania (Sicily, Italy). The three full-scale installations occupy three distinct sections of the terrace. These sections are adjacent but hydraulically separated and equipped with independent drainage systems. The three types of BR are: a modular BR with tray modules, a BR based on the use of synthetic grass, and a BR made with marble pebbles. Adjacent to the three BR installation sections, a portion of the terrace was left unchanged and used as a reference section for comparison. The monitoring of the pilot installations (2021-2022) allowed for the recording of rainfall event characteristics and the response of the four sections in terms of surface runoff. This enabled the evaluation and comparison of the retention and detention efficiencies of the three types of BR, also in comparison to the traditional terrace. The analysis results highlighted that the terrace equipped with tray modules provides the best performance in terms of retention (53%) and detention (67%). The performance of the BR equipped with synthetic grass, in terms of retention and detention, is 31% and 51% respectively, while that of the section equipped with pebbles is 24% and 21%. The thesis also discusses the limitations of the obtained results and the potential for improving the efficiency of the different BR solutions. Additionally, the thesis proposes two different models for simulating the hydrological and hydraulic behavior of the three BR technologies. The first, simpler model is based on the conceptual model of a linear reservoir, while the second uses the nonlinear reservoir model and was implemented using the free and open-source software EPA-SWMM. Calibration parameters for the models, such as surface roughness and hydrological losses (initial loss and runoff coefficient), were estimated through field experimental investigations. The initial moisture condition of the different sections, required by the SWMM software for BR modeling, was considered only qualitatively by determining whether to consider the terrace sections as "dry" or "not dry" based on field inspections near the rainfall event. The modeling results show a good ability of both models to reproduce the hydrological behavior of the BR during precipitation events

La tesi presenta il risultato di indagini sperimentali e modellistiche volte ad analizzare il comportamento idrologico e idraulico di installazioni a tetto per il drenaggio urbano sostenibile di tipo Blue Roofs (BR). Tre diverse tipologie di BR sono state installate sulla copertura a terrazza di uno degli edifici della Cittadella Universitaria di Catania (Sicilia, Italia). Le tre installazioni a scala reale occupano tre distinte falde della terrazza. Le falde risultano confinanti ma idraulicamente separate e, inoltre, sono dotate di sistemi di drenaggio autonomi. Le tre tipologie di BR sono rispettivamente: un BR di tipo modulare con moduli a vaschetta, un BR basato sull’uso di prato sintetico e, infine, un BR realizzato con ciottoli di marmo. Adiacente alle tre falde di installazione dei tre BR, una porzione di terrazza è stata lasciata invariata e utilizzata come falda di riferimento per consentire il confronto. Il monitoraggio delle installazioni pilota (biennio 2021-2022) ha consentito di registrare, per una serie di eventi di pioggia, le caratteristiche dell’evento pluviometrico e la risposta delle quattro falde in termini di deflusso superficiale. Ciò ha consentito di valutare e confrontare le efficienze di ritenzione e detenzione delle tre tipologie di BR, anche rispetto a quelle della terrazza tradizionale. I risultati dell'analisi hanno evidenziato come la terrazza equipaggiata con i moduli a vaschetta fornisca le migliori prestazioni in termini di ritenzione (53%) e di detenzione (67%). Le prestazioni del BR attrezzato con prato sintetico, in termini di ritenzione e di detenzione, sono del 31% e del 51% rispettivamente, mentre quelle della falda attrezzata con i ciottoli del 24% e del 21%. La tesi discute anche i limiti dei risultati ottenuti e il potenziale di miglioramento dell'efficienza delle diverse soluzioni BR. La tesi inoltre propone due diversi modelli per la simulazione del comportamento idrologico e idraulico delle tre tecnologie BR. Il primo, più semplice, è basato sul modello concettuale dell’invaso lineare mentre il secondo utilizza il modello dell’invaso non lineare ed è stato implementato utilizzato il software free e open source EPA-SWMM. I parametri di calibrazione dei modelli come la scabrezza delle superfici e le perdite idrologiche (perdita iniziale e coefficiente di deflusso) sono stati stimati tramite indagini sperimentali in campo. La condizione iniziale di umidità delle diverse falde, richiesta dal software SWMM per la modellazione dei BR, è stata considerata solo in termini qualitativi stabilendo di volta in volta, tramite sopralluoghi in campo in prossimità dell’evento di pioggia, se considerare le porzioni di terrazza “asciutte” o “non asciutte”. I risultati della modellazione mostrano una buona capacità di entrambi i modelli di riprodurre il comportamento idrologico dei BR durante gli eventi di precipitazione.