Appunti di Costruzioni idrauliche

Costruzioni idrauliche

Capitolo 1 - Idrologia applicata

• Deflussi dei corsi d'acqua: misura dei deflussi, scala delle portate, stramazzi, metodi chimici-colorimetrici, ultrasuoni, e delle principali elaborazioni delle misure: curve di durata delle portate, curva di concentrazione, curva di utilizzazione.
• Stima della portata al colmo di progetto dei corsi d’acqua: metodologie di analisi di frequenza delle piene, in base ai determinati dati. Tecniche di analisi regionale, si usano in assenza di dati.
• Modellistica matematica delle piene: fiumi, reti urbane, bonifiche. Modelli afflussi-deflussi. Sistemi lineari e stazionari, idrogramma unitario di piena.
• Stima dei volumi e degli idrogrammi di piena: analisi di frequenza dei volumi di piena. Determinazione dell'idrogramma di progetto a partire dall'analisi delle precipitazioni.

L’idrologia è la scienza o l’insieme delle conoscenze che studia l’acqua sul nostro pianeta e tutti gli spostamenti e trasformazioni che può subire. In particolare, l’idrologia cerca di prevedere:

• La distribuzione spaziale e temporale dell’acqua, dove, quando e in che modo si manifesta.
• La sua circolazione, nelle diverse fasi: solida, liquida, vapore e nei diversi ambienti.
• La sua disponibilità, quantità disponibile nelle varie zone e in che tempi.
• Le sue proprietà fisiche e chimiche, e le relazioni con l’ambiente, comprese quelle con gli organismi viventi.

Il ciclo idrologico

Sono rappresentati una serie di fenomeni tipici del ciclo dell’acqua:

• Precipitazione: il numero 100 rappresenta il valore associato ad essa e in base ad esso sono stati scalati tutti gli altri valori per avere uno schema di semplice lettura. La precipitazione può cadere sia sulla superficie terrestre sia sugli oceani, e vi è una grande differenza perché se cade in mare, l’acqua è già contenuta nel suo “recipiente”, mentre se cade sulla terra l’acqua viene riportata in mare dopo svariate vicende.
• Evapotraspirazione: un processo che avviene tramite la fornitura di energia da parte del sole, il quale consente di far evaporare l’acqua nell’atmosfera fornendo calore latente di evaporazione.

• Evaporazione: se c’è un ingresso, precipitazione, dell’acqua nella terra ci deve essere per forza anche un’uscita, cioè l’evaporazione, che rappresenta una sola parte del fenomeno complessivo. Si può notare come l’evaporazione dagli oceani/mari risulta circa 4 volte maggiore di quella dalle terre emerse, ciò è dovuto dalla differenza di grandezza delle due superfici, 70% di acqua e 30% di terra, e dalla presenza di maggior umidità, vapore acqueo.
• Traspirazione: è l’altra parte di questo fenomeno dovuta al processo naturale delle piante. Esse assorbono grande quantità d’acqua dal terreno tramite le radici che utilizzano per le loro funzioni vitali, e poi tramite l’apparato fogliare parte di quest’acqua viene ceduta sotto forma di vapore in atmosfera.

Nelle terre emerse si considera sempre il fenomeno complessivo poiché i due singoli non possono essere scissi facilmente, mentre in uno specchio d’acqua si considera solo l’evaporazione.

Una piccola parte della precipitazione si deposita sulla superficie fogliare della vegetazione presente chiamata “Intercettazione”, mentre un’altra quantità si infiltra nel suolo se esso non è completamente saturo e in tal caso si parla di “Infiltrazione”, fino al raggiungimento della falda acquifera poiché sotto di essa il terreno è sempre saturo, quindi le leggi della filtrazione variano in base alle diverse situazioni.

Una volta che l’acqua ha raggiunto la falda, essa tende ad alzarsi ed alimenta i corsi d’acqua “Deflusso Sotterraneo” o “Scorrimento Sotterraneo”. Invece, la parte d’acqua della falda freatica che non si infiltra si muove sulla superficie impermeabile nella direzione della massima pendenza, lungo il versante in assenza di ostacoli, e questo fenomeno si chiama “Ruscellamento o Scorrimento superficiale” ed ha la funzione di alimentare piante in prossimità oppure corsi d’acqua fino a defluire in oceani e mari.

In situazioni montane, ghiacciai, neve, si trasforma in flussi di “Deflusso Superficiale” e come prima va ad alimentare i corsi d’acqua.

I primi strati di terreno sono più permeabili degli strati sottostanti, naturalmente se non si ha un unico strato omogeneo fino alla falda, perché soggetti a coltivazioni, a movimentazioni ed esplorati dalle radici della vegetazione. In questi strati, prime decine di centimetri, si ha un “Deflusso Endodermico”, a differenza degli strati più profondi e impermeabili che invece sono soggetti a “Deflusso Ipodermico”.

I valori relativi alle diverse forme di trasporto sono volumi espressi in percentuale del volume di precipitazione annuale sulle terre emerse, in media 720 mm/anno.

Bilancio idrologico a scala planetaria

Andando a fare un bilancio idrologico semplificato calcolando i flussi in millimetri e facendo attenzione a considerare il contributo delle terre emerse, 30%, e degli oceani e mari, 70%, sui quali piove di più e di conseguenza anche l’evaporazione sarà maggiore in base all’elevata disponibilità del vapore acqueo.

• Precipitazione = 0.7 * 1120 mm + 0.3 * 720 mm = 1000 mm.
• Evaporazione = 0.3 * 410 mm + 0.7 * 1250 mm = 1000 mm.

Nell’anno medio la quantità d’acqua in entrata è uguale alla quantità in uscita. Però andando a fare un bilancio relativo alle terre emerse si nota che entrano 720 mm in un anno, mentre come flusso uscente si ha 410 mm l’anno. In più si ha un contributo di bilanciamento pari a 310 mm che è il deflusso superficiale dell’acqua che dalle terre emerse arriva agli oceani.

Poi guardando il bilancio relativo agli oceani e mari, si ha in entrata 1120 mm e ne escono 1250 mm in media all’anno. Anche qui c’è uno sbilancio di flussi che però viene coperto dai deflussi dei corsi d’acqua apportati in mare, prima erano in uscita, ora sono in entrata, e il contributo si calcola: 310*(30/70) = 130 mm. Questa componente fa sì che l’ingresso in entrata è uguale a quello in uscita.

Se fosse diverso, quindi se avessimo una precipitazione maggiore dell’evaporazione significa che c’è un accumulo d’acqua, mentre se avremo un’evaporazione maggiore delle precipitazioni avremo una tendenza progressiva alla siccità.

Tipologie di precipitazioni

1. Cicloniche, frontali: sono associate alla presenza di fronti caldi o freddi, cioè masse d’aria con diverse caratteristiche, tipicamente caratterizzate da una rilevante estensione spaziale.
2. Orografiche: associate alla presenza di rilievi montuosi. Il flusso d’aria si dirige verso un rilievo che rappresenta un ostacolo e dunque sarà costretto a salire incontrando masse d’aria più fredde. Di conseguenza la massa d’aria si raffredda, e il contenuto d’acqua in una massa d’aria diminuisce al diminuire della temperatura, perciò, parte dell’umidità contenuta in essa si condensa e ricade al suolo.
3. Convettive: sono legate a forti riscaldamenti di masse d’aria vicino al suolo, l’aria si scalda e sale, salendo si raffredda e si condensa, creando così delle precipitazioni brevi e intense, temporali, e hanno un’estensione limitata, tipiche dei mesi estivi e si verificano in zone interne o in quelle con più umidità, vicino al mare.
4. Di contatto: la massa d’aria viene a contatto con superfici fredde, per esempio la vegetazione al suolo, con conseguente formazione di rugiada, brina.

In generale la temperatura diminuisce secondo il gradiente termico atmosferico medio, ovvero di 0.6°- 1°C ogni 100 m. Questa è la ragione per cui in montagna fa più freddo.

Altezza e intensità di precipitazione

Altezza di precipitazione h[mm]: il valore dell’altezza d’acqua piovana che si accumula su una superficie piana ed impermeabile, senza ostacoli, in un determinato periodo di tempo, durata, Δt.

Intensità di pioggia media i[mm/h]: è il rapporto tra l’altezza di pioggia, h, e l’intervallo di tempo, Δt, in cui viene misurata, unità di misura mm/h o mm/giorno o mm/anno.

i = h/Δt, es.: h = 240 mm; Δt = 2 giorni; i = 5 mm/h.

Ietogramma: rappresentazione mediante istogramma dell’andamento dell’intensità di precipitazione nel tempo, intervalli di tempo di durata fissata.

Esempio, caso reale: ietogramma dell’altezza di pioggia caduta ad Attigliano in 5 minuti. Si può passare alla realizzazione del grafico basato sull’intensità di pioggia semplicemente cambiando la scala: 5 mm * 12 → 60 mm/h, 8 mm * 12 → 96 mm/h, 10 mm * 12 → 120 mm/h, e così via.

Quindi considerando il picco di 4.8 mm di altezza di pioggia corrispondono a 55,4 mm/h.

Invece se sono interessato a sapere quanto ha piovuto dall’inizio dell’evento, basta sommare le piogge cadute dall’istante iniziale a quello che sto considerando. Il fenomeno studiato si chiama altezza di pioggia cumulativa ed è rappresentata dalla curva cumulativa nera. Se il tratto di curva è orizzontale vuol dire che in quel periodo non ci sono state precipitazioni, mentre maggiore sarà la pendenza maggiore è la quantità d’acqua caduta.

Se lo strumento non permette una risoluzione di 5 minuti ma di 10 o 15 minuti otteniamo un nuovo grafico in cui spariscono i picchi più importanti. Quindi è importante impostare la risoluzione dello strumento in base all’obiettivo finale.

Misura delle precipitazioni

• Pluviometro totalizzatore: recipiente cilindrico con bocca tarata al cui interno è collocato un imbuto raccoglitore, misura puntuale. Diametro di 35.7 cm e con un’area di 0.1 m², per cui ogni litro di acqua raccolta corrisponde a 10 mm di altezza di precipitazione. Questi misuratori sono un po’ desueti perché la misurazione deve essere eseguita manualmente e quindi richiede manodopera, però sono importanti per la loro storia, e sono stati sostituiti dai pluviografi.
• Pluviografo: sono strumenti digitali che rendono disponibile una rappresentazione grafica e digitale dei dati, o le informazioni utili per poterla ricreare. Questi sono costituiti da un sensore che misura l’altezza di pioggia caduta in funzione del tempo e da un apparato di registrazione che può essere un foglio di carta o generalmente un supporto magnetico. Può essere di 2 tipi:

• Pluviografo a sifone: è costituito da un imbuto di raccolta versa in un recipiente R, anch’esso di raccolta, in cui è presente un galleggiante, G, che man mano che il recipiente si riempie sale. Quindi il dispositivo registra le variazioni del galleggiante posto al suo interno e trascrive tramite un pennino P su un foglio che si trova su un tamburo rotante T che ruota a velocità nota e costante. Quando il pennino arriva alla massima altezza sarà necessario svuotare il recipiente tramite lo svuotamento del sifone, e il galleggiante torna sulla base. La curva totale della registrazione è quella rossa che si costruisce traslando i vari picchi, cioè l’intervallo di tempo tra il riempimento e lo svuotamento del recipiente.
• Pluviografo a bascula, tipping bucket: è costituito da un imbuto di dimensioni normalizzate, che versa in un sistema di due vaschette basculanti che possono ruotare attorno ad un punto di cerniera. In un certo istante si trova sotto il getto la vaschetta di sx e nel frattempo che questa si riempie l’altra si svuota e così il baricentro della massa liquida si sposta finché non si ha un ribaltamento attorno alla cerniera e si viene a trovare sotto il getto la vaschetta di dx. La capacità delle vaschette è nota ed è piccola e ogni ribaltamento corrisponde a 0,2 mm di pioggia. Questi ribaltamenti vengono registrati in forma cartacea o magnetica restituendo un tracciato. Quando non piove il pennino scrive in orizzontale, i numeri rappresentano l’intervallo di tempo, ovvero le ore mentre ogni tacca rappresenta la capacità delle vaschette, in questo modo è facile capire l’intensità delle precipitazioni.

Piovosità annuale sul territorio nazionale

Sulle terre emerse piovono 720 mm in media all’anno, mentre in Italia piove di più rispetto ad altri paesi, precipitazione media annuale 990 mm, per via della maggior disponibilità d’acqua ma anche per la presenza di molte zone montuose visto che uno dei caratteri distintivi generali della piovosità è che questa aumenta con la quota.

Sapendo che l’Italia ha una superficie di 330.000 km² di terre emerse e considerando la precipitazione media, possiamo calcolare l’afflusso meteorico medio annuo 330.000*0.9=300.000 m³/anno.

È utile comparare questa quantità con il fabbisogno complessivo nazionale stimato in 50 milioni di m³/anno tenendo conto di tutti gli usi, agricolo, industriale, potabile, e possiamo affermare che c’è una differenza ampia per cui non si hanno problemi a livello di quantità ma di disponibilità spaziale, cioè sarebbe fantastico avere una distribuzione omogenea ma così non è.

Enti preposti al monitoraggio ambientale

In Italia le attività di monitoraggio ambientale consistono in:

• Rilevamento, validazione e pubblicazione di dati ambientali.
• Studio delle risorse idriche e delle portate di piena.
• Delimitazione dei bacini idrografici e rilievo dei corsi d’acqua.

Per la misurazione delle quantità di precipitazioni non è possibile andare a misurare direttamente sul luogo e sapere con precisione l’entità di esse, ma si fa prima a reperire dei dati storici.

In passato attorno al 1910 venne istituito il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale, SIMN, alle dirette dipendenze della Presidenza del Consiglio dei ministri, che ha operato fino agli anni ‘70.

Era presente un’articolazione territoriale divisa in Compartimenti, per un totale di 10 Uffici Compartimentali, non suddivisione regionale ma seguono le delimitazioni dei bacini idrografici, oltre a 4 Uffici per le Regioni Autonome, Bolzano, Trento, Cagliari e Palermo.

Poi dal 2000 ad oggi, il monitoraggio passò a diretta competenza delle regioni attraverso ARPA, Agenzia Regionale Prevenzione e Ambiente, deputate alla vigilanza e controllo ambientale in sede locale. Il coordinamento centrale è svolto dall’APAT - Agenzia per la Protezione dell'Ambiente e per i servizi Tecnici.

Esempio regione Emilia-Romagna: rete che raccoglie complessivamente 500 pluviometri/pluviografi/idrografi. Complessivamente la copertura del territorio regionale può considerarsi molto buona per quanto riguarda le piogge e le portate.

Annali idrologici

Sono le principali fonti dei dati e sono divisi in due parti, la parte prima riguarda la precipitazione, Pluviometria: totali della pioggia giornalieri, mensili e annuali, e le temperature, Termometria: massima e minima temperatura per ogni giorno e valori medi estremi delle temperature mensili, ma anche altre grandezze di tipo meteorologico, pressione, umidità, nebulosità, vento al suolo. La parte seconda riguarda i deflussi dell’acqua, riportando dati relativi ai corsi d’acqua, agli afflussi meteorici sui bacini e all’Idrometria.

Il bacino idrografico o imbrifero

Si immagini di avere un corso d’acqua e di interessarsi ad una certa sezione S-S. I deflussi di tale sezione saranno prodotti, in particolare per quanto riguarda le piene, dalle piogge che si verificano in una porzione di territorio a monte di tale sezione, che prende il nome di Bacino Idrografico.

Il Bacino Idrografico sarà sempre associato ad una certa sezione di un corso d’acqua ed è necessario individuare la porzione di territorio che sta a monte della sezione S-S e che tramite le curve idrografiche, curve di livello, porta le acque piovane nella sezione. Questo viene fatto solitamente mediante l’uso di carte topografiche di una scala opportuna, che forniscono una rappresentazione con curve di livello dell’altimetria del territorio. A partire dalla sezione S-S si individua la sezione fluviale e dai suoi estremi si mandano le perpendicolari alle curve di livello, individuando la direzione della massima pendenza perpendicolare alle curve di livello; proseguendo in questo modo si identifica il cosiddetto Bacino Idrografico.

Si definisce Bacino Idrografico la porzione di terreno tale per cui preso un punto qualsiasi all’interno del bacino, la goccia d’acqua piovana che cade in quel punto compirà un certo percorso arrivando sempre nella sezione S-S indipendentemente dalla posizione del punto scelta; così come qualsiasi goccia d’acqua piovana che cade in un qualsiasi punto esterno al Bacino non passerà mai nella suddetta sezione, non contribuendo quindi al deflusso. La linea che delimita il Bacino si chiama “Linea Spartiacque” perché effettivamente spartisce le acque piovane tra il bacino e quello che sta fuori.

Parlando di precipitazioni, se si vuole calcolare la portata che passa attraverso la sezione di chiusura S-S, si deve valutare quello che piove all’interno del bacino idrografico, però la precipitazione che avviene nei vari punti è caratterizzata da una variabilità spaziale e temporale; cioè la pioggia caduta in un certo lasso di tempo in due punti diversi sarà sempre diversa, così come se ci si fissa in un punto si ha una variabilità nel tempo perché la pioggia caduta in un determinato intervallo di tempo è diversa da quella caduta in un altro intervallo di tempo.

Il calcolo della pioggia areale. La pioggia va sempre associata ad un intervallo di tempo, Δt, che deve essere sempre specificato.