Appunti di Costruzioni idrauliche

Costruzioni idrauliche sbobina 1

Idrologia

L’idrologia è l’insieme delle conoscenze che studia l’acqua sul nostro pianeta (in tutte le trasformazioni e spostamenti che può subire).

In particolare, ci interessa studiare, capire e (in qualche modo) prevedere:

• La distribuzione spaziale e temporale dell’acqua, ovvero: dove, in che modo e in che periodo si manifesta;
• La sua circolazione (nelle diverse fasi: solida (neve, ghiaccio, brina, rugiada), liquida (acqua), vapore (acqua presente in atmosfera) e nei diversi ambienti (terrestre o atmosferico));
• La sua disponibilità (zone e tempi di disponibilità);
• Le sue proprietà fisiche e chimiche, e le relazioni con l’ambiente, comprese quelle con gli organismi viventi.

Nella seguente immagine è presente una schematizzazione del ciclo idrologico in cui sono rappresentati i vari fenomeni che lo compongono.

La precipitazione in natura può cadere sia sulla superficie terrestre che sui mari/oceani con effetti molto diversi in quanto la precipitazione che avviene:

• In mari/oceani cade nel suo “recipiente finale”.
• Sulla superficie terrestre subisce una serie di fenomeni prima di arrivare agli oceani/mari/laghi.

La precipitazione è un ingresso di acqua, mentre l’evaporazione è un flusso che dalla superficie terrestre si dirige verso l’atmosfera; l’uscita complessiva prende il nome di evapotraspirazione.

Nella figura sopra la precipitazione che avviene sulla superficie terrestre ha un valore pari a 100, mentre quella che avviene sugli oceani e mari ha un valore pari a 396.

L’evaporazione dalle terre emerse ha un valore pari a 68, mentre dagli oceani ha un valore pari a 428.

Il deflusso superficiale ha un valore pari a 31, ovvero 1/3 della precipitazione viene recapitata ai corsi d’acqua/oceani/mari.

Possiamo notare che la precipitazione sulla superficie terrestre è minore rispetto a quella che avviene sugli oceani in quanto:

1. Superficie occupata dagli oceani è maggiore rispetto alla terra emersa;
2. Disponibilità di vapore acqueo è maggiore rispetto alla terra emersa.

Il volume di precipitazione annuale sulle terre emerse è di circa 119000 km³/anno; 720 mm/anno.

Non tutta la precipitazione arriva al suolo, una parte di questa si accumula sulla superficie fogliare delle piante (intercettazione da parte della vegetazione, quantità piccola), quella che arriva al suolo:

• Una parte si infiltra nel suolo per gravità e tende ad andare nel sottosuolo fino a raggiungere la falda idrica (tende a rialzarsi alimentando i corsi d’acqua), deflusso o scorrimento sotterraneo;
• La parte d’acqua che non si infiltra scorre sulla superficie del suolo lungo la direzione di massima pendenza, fenomeno chiamato scorrimento o ruscellamento superficiale, finendo per alimentare il corso d’acqua (nella figura è un lago).

La precipitazione può avvenire anche in forma solida (neve).

Nelle zone in cui la superficie della falda incontra il terreno abbiamo la formazione di sorgenti (e il deflusso sotterraneo si può trasformare in deflusso superficiale).

Può accadere che gli strati superiori di terreno (circa 10 cm) siano più permeabili di quelli sottostanti (per via delle radici, coltivazioni ecc.); questo permette di avere un deflusso d’acqua chiamato deflusso ipodermico (a volte non si distingue dal deflusso sotterraneo).

L’acqua si può accumulare anche in zone di ampiezza limitata chiamate depressioni superficiali (in ambito urbano: pozzanghere).

Bilancio idrologico a scala planetaria

Il 70% del pianeta è occupato da oceani/mari, il 30% è occupato da terre emerse.

Sulle terre emerse piovono in media 720 mm di pioggia all’anno e ne evaporano circa 410 mm, il flusso in ingresso e in uscita non è uguale in quanto si ha una differenza di 310 mm che va verso gli oceani/mari.

Sui mari piovono in media 1120 mm di pioggia all’anno e ne evaporano circa 1250 mm, il flusso in ingresso e in uscita non è uguale in quanto si ha una differenza di 130 mm che possiamo recuperare dal contributo dei deflussi dalle terre emerse (310 mm che dalle terre emerse fluiscono verso oceani/mari = 0,3 · 310 / 0,7 = 130 mm).

Precipitazione: 0,7 · 1120 + 0,3 · 720 = 1000.

Evaporazione: 0,3 · 410 + 0,7 · 1250 = 1000.

Tipologie di precipitazioni

1. Cicloniche (o frontali): dovute alla convergenza di masse d’aria di temperatura diversa in aree a bassa pressione, generalmente con il sollevamento di quelle più calde ad opera di quelle più fredde. Riguardano un’ampissima zona e sono fenomeni facilmente prevedibili;
2. Orografiche: dovute alla presenza di rilievi montuosi nella direzione del vento che costringe l’aria a salire a quote maggiori;
3. Convettive: dovute al riscaldamento dell’aria vicino al suolo (convezione), sono tipiche dei climi caldi, caratterizzate da una forte intensità e concentrate nello spazio (tipicamente estive);
4. Di contatto: la condensazione avviene per contatto (rugiada, brina).

Gradiente termico atmosferico medio 0.6°÷1°C ogni 100 m.

Caratterizzazione della pioggia

La pioggia si caratterizza tramite:

• Altezza di precipitazione h [mm]: il valore dell’altezza d’acqua piovana che si accumula su una superficie piana ed impermeabile in un assegnato periodo di tempo (∆t).
• Intensità di pioggia media i [mm/h]: i = h / ∆t. Esempio: h = 240 mm; ∆t = 2 giorni; i = 5 mm/h.
• Ietogramma: è una rappresentazione, normalmente data in forma di istogramma, che ci fornisce l’andamento dell’intensità di precipitazione nel tempo (intervalli di tempo di durata fissata).

L’altezza di pioggia cumulata ci dà l’altezza di pioggia caduta dall’inizio dell’evento.

Strumenti per la misura della pioggia

Gli strumenti utilizzati per la misura della pioggia sono:

Pluviometro totalizzatore

Recipiente cilindrico di diametro standardizzato di 35.7 cm e area A = 0.1 m²; ad ogni litro di acqua raccolta corrisponde a 10 mm di altezza di precipitazione. Questo strumento consente di avere una misura puntuale e richiede una lettura manuale.

Pluviografi

I pluviografi, a differenza dei pluviometri, sono degli strumenti registratori ovvero rendono disponibile una rappresentazione grafica dell’andamento della precipitazione. La registrazione su carta, tipica degli strumenti più datati, è stata sostituita da registrazione su supporti magnetici.

I principali tipi di pluviografi sono:

Pluviografo a sifone di raccolta

La pioggia intercettata dall’imbuto a sinistra viene versata in un recipiente di raccolta R, il grado di raccolta di questo recipiente viene apprezzato da un galleggiante G, il livello del galleggiante viene registrato tramite un pennino P su un tamburo rotante T (che ruota a velocità costante nota) su cui è disposto un supporto cartaceo.

Man mano che piove il pennino P si sposta verso l’alto finché non raggiunge l’estremità superiore del supporto cartaceo; a questo punto è necessario svuotare il recipiente R, il che avviene tramite un sifone S.

Quando il sifone si innesca e svuota il recipiente R, il galleggiante G si abbassa riportando il pennino sull’estremità inferiore del supporto cartaceo (sul supporto cartaceo possiamo notare dei tratti verticali che ci indicano che il recipiente R è stato svuotato, il galleggiante si è abbassato e di conseguenza il pennino ha descritto un tratto verticale riposizionandosi sull’estremità inferiore del supporto cartaceo).

Traslando i vari tratti e mettendoli in successione si ottiene la cumulata di pioggia (curva rossa).

Pluviografo a bascula

Il pluviografo a bascula è costituito da un imbuto (di dimensioni normalizzate) che versa la pioggia in due vaschette basculanti attorno ad una cerniera (vedi figura).

Man mano che si riempie la vaschetta di sinistra si svuota quella di destra, e viceversa.

Ogni ribaltamento delle vaschette, viene misurato tramite dei contatti, corrisponde a 2 mm di pioggia e vengono registrati su supporti cartacei o magnetici.

Sulle ascisse abbiamo le ore, ogni tacca orizzontale vale 2 mm di pioggia, quando non piove il pennino traccia delle linee orizzontali (non si sposta dalla sua posizione).

Piovosità annuale sul territorio nazionale

La precipitazione media annuale in Italia è di 990 mm (nel resto del pianeta 720 mm all’anno).

In Italia piove di più rispetto alla media in quanto essendo una penisola (quindi circondata da mare) si ha una grande quantità di vapore acqueo, inoltre si ha una grande presenza di catene montuose (la precipitazione aumenta con la quota).

L’Italia ha una superficie di 330000 km².

Moltiplicando la superficie per la precipitazione media annuale otteniamo che l’afflusso meteorico medio annuo è pari a 300 miliardi di m³ di pioggia.

Il fabbisogno complessivo nazionale stimato è di circa 50 miliardi di m³/anno.

Purtroppo, quest’acqua non è disponibile in modo uniforme e nei tempi in cui ci piacerebbe fosse disponibile, perciò si rendono necessarie opere di controllo e stoccaggio dell’acqua.

È necessario considerare che su 300 miliardi di m³ di pioggia:

• 133 miliardi sono destinati all’evapotraspirazione e alla traspirazione (non utilizzabili per il fabbisogno idrico);
• 155 miliardi sono destinati ai deflussi superficiali (utilizzabili in parte per il fabbisogno idrico);
• 12 miliardi sono destinati ai deflussi profondi (non utilizzabili per il fabbisogno idrico).

Monitoraggio ambientale - Enti preposti

Le attività di monitoraggio ambientale si occupano:

1. Del rilevamento, validazione e pubblicazione di dati ambientali;
2. Dello studio delle risorse idriche e delle portate di piena;
3. Della delimitazione dei bacini idrografici e rilievo dei corsi d’acqua.

In passato, fu istituito intorno al 1910 il Servizio Idrografico Italiano sotto la dipendenza del Ministero dei lavori pubblici (non esiste più).

Dagli anni ’80 l’ente che si occupava di queste attività di monitoraggio era il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN) alle dirette dipendenze della Presidenza del Consiglio dei Ministri.

Dal 2000 l’ente preposto è l’ARPA (Agenzia Regionale Prevenzione e Ambiente).

In passato: il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN) aveva diviso l’Italia in Uffici compartimentali (vedi figura).

Articolazione territoriale comprendente:

• Direzione Centrale;
• 10 Uffici Compartimentali;
• 4 Uffici per le Regioni Autonome (Bolzano, Trento, Cagliari e Palermo).

Rete che raccoglie complessivamente 500 pluviometri/pluviografi.

Oggi: Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale (ARPA). La Legge 61 del 1994 (conversione del DL 496/93) istituisce le “Agenzie Regionali” deputate alla vigilanza e controllo ambientale in sede locale.

Coordinamento centrale: APAT - Agenzia per la Protezione dell’Ambiente e per i servizi Tecnici.

Annali idrologici

Pubblicazioni fondamentali del SIMN sono gli Annali Idrologici; le edizioni più recenti si compongono di due parti (oggi editi dalle ARPA e SIM): parte prima e parte seconda.

La parte prima degli Annali si riferisce alla termometria, alla pluviometria e alla meteorologia e contiene i seguenti elementi:

• Termometria: massime e minime temperature giornaliere; valori medi estremi delle temperature mensili;
• Pluviometria: totali giornalieri (di pioggia), mensili ed annuali;
• Precipitazioni massime di un periodo di 1, 3, 6, 12, 24 ore consecutive (curve di possibilità climatica);
• Massime precipitazioni dell’anno per 1, 2, 3, 4 e 5 giorni consecutivi;
• Precipitazioni di notevole intensità e breve durata;
• Manto nevoso;
• Meteorologia: pressione atmosferica; umidità relativa; nebulosità; vento al suolo.

La parte seconda degli Annali si riferisce prevalentemente ai deflussi dei corsi d’acqua e riporta dati relativi a:

• Afflussi meteorici sui bacini (la pioggia totale che cade dentro il bacino);
• Idrometria;
• Portate e bilanci idrologici;
• Freatimetria (informazioni sulle acque freatiche);
• Trasporto torbido (informazioni piuttosto scarne).

Bacino idrografico

Le portate (deflusso) in una certa sezione S-S di un corso d’acqua sono prodotte, in particolare le piene, dalle piogge che si verificano in una porzione di territorio che si trova a monte della sezione e che attraverso il reticolo idrografico porta le acque piovane nella sezione stessa.

Questa porzione di territorio, che contribuisce al deflusso nella sezione di chiusura di un corso d’acqua, si definisce bacino idrografico o imbrifero (portatore d’acqua). Quindi il bacino idrografico è sempre associato ad una sezione di un corso d’acqua.

Esso si identifica tracciando le perpendicolari alle curve di livello a partire dagli estremi della sezione fluviale; poi, da ciascuno dei due punti d’incontro delle prime perpendicolari con le prime curve di livello, si traccia una seconda perpendicolare, sempre individuando quelle che sono le presumibili direzioni della massima pendenza ortogonale alle curve di livello; e così via, continuando a tracciare le perpendicolari a tutte le curve di livello, si identifica il bacino idrografico (fig. sopra).

Questa operazione tradizionalmente si faceva manualmente partendo da una CTR (Carta Tecnica Regionale) di opportuna scala (se devo andare a disegnare il bacino del Po non vado su una scala al 10 mila o al 5 mila perché sennò mi servirebbe tutta la stanza per fare il disegno, vado su una scala che può essere il 100 mila o di più; mentre, se devo andare a disegnare il bacino scolante relativo ad un piccolo corso d’acqua, vado sulla CTR di massima risoluzione possibile, normalmente quella al 5 mila).

Oggi questo tipo di operazione è agevolata dalla disponibilità di modelli digitali del terreno che individuano una rappresentazione delle quote del terreno su un grigliato, ovvero una maglia regolare secata secondo certi formati digitali; identificando un certo punto da cui passa il nostro corso d’acqua, ci sono degli algoritmi che girano sotto dei software GIS, QGIS ad esempio, che ci consentono di identificare, in una serie di passi successivi, il bacino scolante a monte.

Quindi tutto questo si può ottenere a partire da un modello digitale del terreno. Chiaramente è sempre opportuno verificare il risultato finale confrontando, ad esempio, una mappatura della grafica in formato digitale con il risultato del contorno del bacino che ci fornisce l’algoritmo.

Quindi il bacino idrografico che abbiamo così identificato è tale per cui, preso un punto qualunque all’interno del bacino, la goccia d’acqua che cade in quel punto segue un percorso che passa per la rete idrografica e arriva alla sezione di chiusura.

Mentre la goccia d’acqua che cade in un punto all’esterno del bacino idrografico seguirà percorsi diversi, esterni a quelli del bacino in esame, e quindi non contribuirà al deflusso nella sezione S-S.

La linea di confine del bacino si chiama linea spartiacque perché sostanzialmente spartisce (separa) il bacino da quello che sta fuori.

Quando parliamo di precipitazione, se vogliamo calcolare la portata, o il deflusso, che passa attraverso la sezione di chiusura in un certo tempo ci interessa quello che succede dentro il bacino e non fuori.

Le precipitazioni che avvengono all’interno del bacino idrografico sono caratterizzate da:

• Una variabilità spaziale (in due punti diversi, nello stesso intervallino di tempo, avrò un’intensità di pioggia diversa);
• E una variabilità temporale (per esempio la pioggia caduta ieri dalle 5 alle 5.05 era diversa da quella caduta tra le 5.05 e le 5.10, così come quella caduta tra le 5 e le 6 era diversa da quella caduta tra le 6 e le 7).

Esempio: bacino del Tevere

Esempio (fig. a sx): Bacino del Tevere, di competenza della regione Umbria.

Si nota in questa rappresentazione un evento piuttosto importante avvenuto nel novembre 2012.

I triangolini celesti sulla mappa rappresentano la posizione delle stazioni pluviometriche e i numeri indicati rappresentano il totale di pioggia di questo evento.

Sono rappresentate delle curve di livello in gradazione di colori, che rappresentano linee di egual pioggia: linee isoiete (ovvero curve caratterizzate da un identico valore di pioggia).

La scala cromatica ci dice che l’assenza di pioggia corrisponde al bianco (e in fig non ne vediamo); poi la pioggia comincia con una scala del blu, più il blu è scuro e maggiore è la precipitazione; ed infine si passa ad una scala del rosso, con valori di pioggia ancora più alti.

Adesso, consideriamo 3 stazioni (Todi, Orvieto città, Orvieto scalo). Sono riportati in fig. i pluviogrammi per questi tre pluviometri.

La scala dei tempi è la stessa (scansioni di mezzora), la scala delle ordinate è stata resa uguale per rendere confrontabili immediatamente i pluviogrammi.

Si nota la forte differenza tra Todi dove abbiamo i valori più bassi dell’intensità di pioggia, massimo circa