Rappresentazione esplicita di argini, alvei fluviali e vegetazione ripariale nei modelli idraulici bidimensionali basati su dati lidar ad alta risoluzione

Accurate representation of river morphology and riparian vegetation is essential for understanding and predicting river dynamics, with direct applications in flood risk assessment, hydraulic design, and ecological restoration. Even though high-resolution lidar data are increasingly available, their full potential is often not exploited in two-dimensional hydraulic models, which still fail to reproduce key geomorphic and vegetative features, such as levees, thalwegs, and vegetation, thereby reducing simulation accuracy. This thesis introduces an integrated methodology to describe riverbed and levee topography using Digital Terrain Models (DTMs) and to incorporate riparian vegetation from Digital Surface Models (DSMs). Primary and secondary thalwegs, as well as levee ridges, are extracted through the LANDMARK algorithm, then simplified by pruning and smoothing under a prescribed elevation tolerance. The resulting unstructured meshes preserve the morphological constraints of riverbeds and comply with HEC-RAS 2D mesh requirements. Quantitative metrics are developed to assess topographic accuracy and computational efficiency, enabling the identification of optimal mesh configurations for hydraulic modeling. To simulate vegetation-induced flow resistance, tree trunks are explicitly represented as octagonal impervious elements, while canopies are modeled as equivalent flow resistance. Trunk geometry is estimated from canopy dimensions using allometric relationships derived from DSM data. Geomorphological and vegetation information are then merged through the WOODLAND algorithm to generate comprehensive unstructured meshes based on Voronoi diagrams. The methodology is applied to a 35 km reach of the Secchia River and a 15 km reach of the Po River (Northern Italy). Results demonstrate that topography and vegetation can be fully and explicitly represented within hydrodynamic models. For the Secchia River, riparian vegetation accounts for 48–59% of total flow resistance, increases spatial variability of flow velocity, and that selective thinning can enhance peak flow conveyance by up to 80%. These findings underscore the crucial importance of explicitly representing river morphology and riparian vegetation to enhance the predictive accuracy of 2D hydraulic models. The proposed framework advances the integration of biogeomorphological processes into hydraulic simulations, provides practical tools for flood risk management and river restoration, and supports the development of fully automated, terrain-informed modeling approaches in fluvial and environmental sciences.

Una rappresentazione accurata della morfologia fluviale e della vegetazione ripariale è fondamentale per comprendere e prevedere i fenomeni di trasporto fluviale, con applicazioni dirette nella valutazione del rischio idraulico, nella progettazione di opere fluviali e nella pianificazione di interventi di riqualificazione ecologica. Nonostante la crescente disponibilità di dati lidar ad alta risoluzione, il loro pieno potenziale è spesso sottoutilizzato nei modelli idraulici bidimensionali, che faticano a riprodurre con dettaglio elementi morfologici e vegetazionali chiave come argini, alvei e coperture arboree, riducendo così l’accuratezza delle simulazioni. La tesi propone una metodologia integrata per rappresentare esplicitamente la topografia fluviale e la vegetazione ripariale all’interno di modelli idrodinamici 2D. La topografia dell’alveo e degli argini è descritta a partire da Modelli Digitali del Terreno (DTM), mentre le caratteristiche della vegetazione sono ricavate da Modelli Digitali di Superficie (DSM). Le principali strutture morfologiche, quali thalweg primari e secondari e creste arginali, sono identificate tramite l’algoritmo LANDMARK e semplificate mediante operazioni di pruning e smoothing secondo una tolleranza altimetrica prestabilita. Le mesh non strutturate generate preservano i vincoli morfologici e rispettano i requisiti di discretizzazione del software HEC-RAS 2D. Sono stati inoltre sviluppati indicatori quantitativi per valutare l’accuratezza topografica e l’efficienza computazionale, consentendo di individuare le configurazioni di mesh ottimali per la modellazione idraulica. La resistenza al flusso indotta dalla vegetazione è simulata rappresentando i tronchi come elementi ottagonali impermeabili e le chiome come una resistenza equivalente al flusso, combinata con la resistenza della superficie del terreno. Le dimensioni dei tronchi sono stimate a partire da quelle delle chiome tramite relazioni allometriche derivanti dai dati DSM. Le informazioni morfologiche e vegetazionali vengono integrate mediante l’algoritmo WOODLAND, che genera mesh non strutturate basate su diagrammi di Voronoi. La metodologia è stata applicata a un tratto di 35 km del fiume Secchia e a un tratto di 15 km del fiume Po, entrambi in Italia settentrionale. I risultati mostrano che la rappresentazione esplicita della morfologia e della vegetazione migliora significativamente la capacità predittiva dei modelli idrodinamici. Nel caso del fiume Secchia, la vegetazione ripariale contribuisce per il 48–59% alla resistenza totale al flusso, aumenta la variabilità spaziale della velocità e, tramite interventi di diradamento selettivo, può incrementare la capacità di deflusso di picco fino all’80%. Complessivamente, il metodo proposto rappresenta un avanzamento significativo nell’integrazione dei processi biogeomorfologici all’interno dei modelli idraulici, fornendo strumenti utili per la gestione del rischio idraulico, la progettazione di interventi di riqualificazione fluviale e lo sviluppo di approcci di modellazione automatizzati basati su dati topografici ad alta risoluzione.