Analisi della sicurezza arginale in presenza di variabilità idroclimatica e processi di bioerosione da mammiferi: approccio Monte Carlo

The reliability of earthen levees is progressively undermined by the cumulative impacts of climate-induced hydrological extremes and biological degradation processes. Bioerosion from burrowing mammals like crested porcupines (Hystrix cristata), European badgers (Meles meles), and red foxes (Vulpes vulpes) can lower levee cross-sectional resistance in some places and change the way water seeps through the levee, making it more likely to fail during floods. Standard deterministic safety assessments seldom account for the intrinsic stochasticity and interconnectedness of hydro-bio-geomorphic interactions. This study develops a probabilistic Monte Carlo framework to quantify levee failure probability arising from the joint influence of hydraulic loading and mammal-induced bioerosion, while explicitly propagating epistemic uncertainties in key system parameters. The uncertain parameters include the catchment-scale runoff coefficient and flow velocity, which control the inflow hydrograph, and initial reservoir storage, which determines antecedent hydraulic head conditions. The framework is demonstrated for two representative levee systems in northern Italy: the Secchia River levee and the Panaro Reservoir embankment. For each site, synthetic design hydrographs were generated for representative return periods (5- and 50-year floods for the Secchia, and 100- and 1000-year events for the Panaro). Seepage processes were simulated using the two-dimensional Richards equation, allowing derivation of isoprobability phreatic surfaces corresponding to selected exceedance probabilities (20th, 50th, 80th, and 100th). A load–resistance reliability formulation was then applied, where the hydraulic load represents the transient pore pressure and hydraulic gradient imposed by flood stages, and the resistance is characterized by the effective levee width remaining unaltered by burrow networks. Results indicate that the Secchia levee exhibits higher vulnerability, with failure probabilities concentrated near the crest and toe zones where seepage gradients are most sensitive to bioerosion-induced heterogeneity. The Panaro levee, by contrast, shows a more diffuse risk distribution due to reservoir-level control. Increasing the return period of an event only moderately raises the overall failure probability. This suggests that there are nonlinear hydrologic-biologic feedbacks at work, not a direct relationship with the size of the event. Global sensitivity analysis shows that the peak flood stage is the main source of uncertainty in the Secchia system. In the spillway-limited Panaro system, event timing and drawdown rate are the main sources of risk. The suggested integrated probabilistic framework improves levee reliability analysis by taking into account hydroclimatic variability, biological disturbance, and parametric uncertainty all at once. This method gives a quantitative, risk-informed basis for adapting flood defenses to changing ecological and climatic conditions. It could also work for other biogeomorphically active fluvial and reservoir systems.

La sicurezza degli argini in terra è progressivamente compromessa dagli effetti combinati dovuti agli eventi idrologici estremi indotti dal cambiamento climatico e dai processi di degradazione biologica. La bioerosione causata da mammiferi fossori come l’istrice (Hystrix cristata), il tasso europeo (Meles meles) e la volpe rossa (Vulpes vulpes) può ridurre localmente la resistenza trasversale dell’argine e alterare il percorso di filtrazione dell’acqua attraverso la struttura, aumentando il rischio di cedimento durante le piene. Le valutazioni di sicurezza deterministiche standard raramente considerano l’intrinseca natura stocastica e l’interconnessione delle interazioni idro-bio-geomorfiche. Questo studio sviluppa un quadro probabilistico basato su simulazioni Monte Carlo per quantificare la probabilità di collasso di un argine derivante dall’influenza congiunta del carico idraulico e della bioerosione indotta dai mammiferi, propagando esplicitamente le incertezze epistemiche nei principali parametri del sistema. I parametri incerti includono il coefficiente di deflusso a scala di bacino e la velocità di flusso, che controllano l’idrogramma in ingresso, nonché l’immagazzinamento iniziale del serbatoio, che definisce le condizioni del carico idraulico preesistente. Il quadro metodologico è stato applicato a due sistemi arginali rappresentativi situati in Italia settentrionale: l’argine del fiume Secchia e l’argine della cassa di espansione del fiume Panaro. Per ciascun sito sono stati generati idrogrammi di progetto sintetici corrispondenti a periodi di ritorno rappresentativi (piene di 5 e 50 anni per il Secchia, e di 100 e 1000 anni per il Panaro). I processi di filtrazione sono stati modellati mediante l’equazione bidimensionale di Richards, permettendo di ottenere superfici freatiche isoprobabilistiche corrispondenti a specifiche probabilità di superamento (20°, 50°, 80° e 100° percentile). E' stata quindi applicata una formulazione di sicurezza basata sulla resistenza al carico, in cui la forzante idraulica è rappresentata dalla pressione interstiziale e dal gradiente idraulico transitorio indotti dalle piene, mentre la resistenza è caratterizzata dalla larghezza effettiva dell’argine non compromessa dalle reti di tane. I risultati indicano che l’argine del Secchia presenta una vulnerabilità più elevata, con probabilità di cedimento concentrate nelle zone di sommità e di piede, dove i gradienti di filtrazione risultano più sensibili all’eterogeneità indotta dalla bioerosione. L’argine del Panaro, al contrario, presenta una distribuzione del rischio più uniforme, favorita dal controllo del livello del bacino. L’aumento del periodo di ritorno dell’evento comporta soltanto un incremento moderato della probabilità complessiva di cedimento, indicando l’esistenza di feedback idrologico-biologici non lineari, piuttosto che una relazione diretta con la magnitudo dell’evento. L’analisi di sensibilità globale evidenzia che il livello di piena massimo costituisce la principale fonte di incertezza per il sistema del Secchia, mentre nel sistema del Panaro, la cui gestione è vincolata dallo sfioratore, i fattori dominanti sono la tempistica dell’evento e la velocità di abbassamento del livello idrico. Il quadro probabilistico integrato proposto migliora l’analisi di sicurezza degli argini considerando simultaneamente la variabilità idroclimatica, le alterazioni biologiche e l’incertezza dei parametri. Questo approccio fornisce una base quantitativa e orientata al rischio per l’adattamento delle difese idrauliche alle mutevoli condizioni ecologiche e climatiche, e può essere esteso ad altri sistemi fluviali e ai serbatoi soggetti a dinamiche bio-geomorfiche attive.