Costruzioni idrauliche - Parte 1

COSTRUZIONI IDRAULICHE

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 (∆).

Intensità di pioggia media i [mm/h]: 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).

La linea continua rappresenta la curva cumulata, cioè l’altezza di pioggia caduta dall’inizio dell’evento

(la pendenza ci rappresenta l’intensità di pioggia)

STRUMENTI PER LA MISURAZIONE DELLA PIOGIA

• Pluviometri: misurano solo la quantità di pioggia

1. Pluviometro totalizzatore

• Pluviografi: misurano anche l’intensità di pioggia. La registrazione su carta, tipica degli

strumenti più datati, è stata sostituita da registrazione su supporti magnetici.

2. Pluviografo a sifone, il grafico ottenuto va traslato

3. Pluviografo a bascula, il grafico ottenuto va traslato nel primo intervallo e traslato e

ruotato nel secondo.

ISPRA: istituto superiore della ricerca ambientale 1

MONITORAGGIO AMBIENTALE

Attività:

• 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.

Enti preposti:

• 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.

• 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

Pubblicati da SIMN nel passato, da ARPA-SIM oggi. Si compongono da due parti:

Prima parte:

• 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.

-

Seconda parte: (dati relativi ai corsi d’acqua)

• 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). 2

LA SUDDIVISIONE DEL TERRITORIO NAZIONALE IN DISTRETTI IDROGRAFICI

Commissione De Marchi, 1970: La difesa del suolo, la gestione della risorsa idrica devono essere

pianificate non per ambiti amministrativi ma per bacini idrografici.

La legge 183/1989 recepisce e individua il bacino idrografico come “l'unità fisica inscindibile” su cui

implementare azioni per la difesa del suolo e la tutela e valorizzazione delle risorse idrica; questa legge,

quindi, istituisce le Autorità di Bacino. (non per la realizzazione delle dighe ma solo per

l’amministrazione)

Autorità di Bacino: Organismo partecipato da Stato e

Regioni; agisce sul bacino idrografico, indipendentemente

dalle suddivisioni amministrative.

Legge 152/2006: Riorganizza le AdB in 7 Distretti idrografici

(in funzione dal 2017)

L’Autorità di Bacino Distrettuale elabora e approva il Piano di

bacino distrettuale nonché i programmi di intervento.

Il Piano di bacino si può articolare in stralci, fra cui:

• Piano di gestione del distretto idrografico (PdG),

previsto dalla Direttiva 2000/60/CE.

Gestire la risorsa idrica

-

• Piano di gestione del rischio di alluvioni (PGRA),

previsto dalla Direttiva 2007/60/CE

BACINO IDROGRAFICO (O IMBRIFERO)

È la porzione di territorio tale per cui ogni goccia di acqua che cade all’interno del bacino contribuisce

al deflusso nella sezione di chiusura.

La linea di confine del bacino si chiama linea spartiacque perché sostanzialmente spartisce (separa)

il bacino da quello che sta fuori.

CALCOLO DELLA PIOGGIA AREALE

In ogni punto piove in modo diverso, quindi come faccio a capire quanto piove all’interno del bacino?

Considerando i vari pluviografi distribuiti all’interno e in prossimità del bacino potrei fare:

• Media aritmetica (ma varrebbe solo se si fosse una distribuzione omogena, quindi non corretta);

• Media pesata:

ℎ̅ ∑

= ∙ ℎ

=1

Esistono vari metodi per calcolare i pesi delle stazioni:

1. Metodo dei poligoni di thiessen (o topoieti)

2. Metodo della distanza quadratica inversa

3. Metodo delle isoiete 3

MISURAZIONE DELLE PORTATE

• MISURE DIRETTE:

Si misura direttamente il volume d’acqua attraversato in un intervallo di tempo. Possibile solo in

alcuni pasi particolari.

• MISURE INDIRETTE:

Attraverso la definizione della scala delle portate (Si assume che per una data sezione di un

corso d’acqua esista una relazione biunivoca tra portate e livelli). È necessario quindi:

Misurazione del livello idrometrico.

- Misurazione di alcuni valori di portata, ottenuti dalla misurazione della velocità o

- attraverso metodi chimici.

MISURAZIONE DELLA VELOCITÀ DELLA CORRENTE IDRICA

Con mulinello

• Con galleggiante (metodo dei 2 cronometri) (velocità superficiale)

• Con ultrasuoni

• Con sensori radar (velocità superficiale)

•

Con mulinello

Formato da:

• equipaggio mobile, investito dalla corrente ruota (n° di giri è funzione della velocità della

corrente);

• contatore, utilizzato per contare il numero di giri nel tempo (es. chiusura di un contatto

elettrico).

Le misure di velocità si possono effettuare in 4 modi diversi:

1. a guado

Sono riservate ai casi di profondità limitate (< 0.5 m) e di velocità della corrente modeste (< 2

m/s).

2. da ponte

La sezione bagnata è divisa in N segmenti verticali e si misurano le velocità lungo le verticali.

Si effettuano quando per esempio il fiume è troppo largo per poter effettuare una misura a

guado.

3. da teleferica

Si utilizzano dei supporti ai mulinelli:

• Pesci (zavorre sospese a cavo: sono masse metalliche piuttosto grosse, affusolate per

offrire la più bassa resistenza idrodinamica possibile, di lunghezza dell’ordine del metro

e di peso compreso fra 5 e 150 kg)

• Pertiche (aste graduate per permettono di fissare la distanza del mulinello dal fondo).

4. da natante

Con barca 4

MISURAZIONE DEL LIVELLO IDROMETRICO

Gli strumenti utilizzati sono: gli idrometri (o limnimetro per i laghi) per la misurazione puntuale del

livello d’acqua; gli idrometrografi per la misurazione in continuo.

È importante che la sezione in cui si installa l’idrometro sia stabile.

Molto più utili sono gli idrometrografi (una volta registravano su supporto cartaceo mentre ora su

memorie di massa) ma è sempre opportuno che in prossimità degli strumenti registratori ci sia un’asta

idrometrica (per poter effettuare dei controlli sulle misure effettuate dallo strumento registratore).

• Asta idrometrica: solidamente fissata alla spalla o alle pile di un ponte o ad un muro di

protezione, lunga abbastanza da restare immersa in acqua anche quando il livello è

eccezionalmente basso e visibile anche quando è eccezionalmente alto, la lettura è manuale e

si fa generalmente ad ora fissa.

• Idrometrografo a galleggiante: Uno degli idrometrografi più

utilizzati, è composto da: galleggiante G, filo, contrappeso C,

puleggia, pennino P e supporto cartaceo S.

Il galleggiante si sposta al variare del pelo libero del corso

d’acqua ed è collegato ad un pennino scrivente che traccia un

grafico sul supporto cartaceo posto su un tamburo (rotante a

velocità nota) otteniamo così la registrazione del livello.

Il galleggiante non è posto all’interno della sezione del corso

d’acqua ma in un pozzo laterale messo in comunicazione con

quest’ultimo attraverso delle tubazioni di grande diametro.

• Idrometrografo a ultrasuoni: molto utilizzati.

Questo emette un fascio di ultrasuoni che si propagano in aria e poi vengono riflessi dalla

superficie liquida.

• Profilatore acustico ad effetto doppler: Uno strumento meno utilizzato, in quanto più costoso.

Consiste in un piccolo battello che percorre la sezione agganciato ad una fune tesa tra le due

sponde; quindi, si sposta lungo un percorso prefissato, ed è dotato di un profilatore acustico ad

effetto doppler che consente di rilevare sia la profondità della corrente sia il profilo della velocità

• Idrometrografo con sonde pneumatiche: non molto usato. Le sonde posso essere a bulbo o a

piastra porosa. Attraverso un compressore viene immessa

dell’aria compressa all’interno delle sonde e dei manometri M

misurano la pressione dell’aria immessa nelle sonde dal

compressore. Se aumentiamo gradualmente la pressione

all’interno del circuito, finché non è maggiore rispetto a quella

dell’acqua a profondità vediamo che l’aria all’interno del

ℎ,

circuito riesce ad uscire. A quel punto se abbiamo aumentato

gradualmente la pressione, la pressione che leggiamo sul

manometro è uguale alla pressione dell’acqua a profondità e

ℎ

possiamo calcolarci h. 5

DETERMINAZIONE DELLA SCALA DELLE PORTATE

I valori di portata si determinano sulla base della geometria della sezione liquida e dei valori di velocità



misurati in corrispondenza delle verticali baricentriche dei diversi segmenti verticali (se il tirante 1 m,

si effettua una sola misura di velocità ad un’altezza di 0.6 volte il tirante, altrimenti un numero adeguato

tale da avere variazioni 10m, norma ISO 748 1997).

Come realizzare la curva delle portate:

• Traccio delle verticali che si infittiscono sempre di più in prossimità delle sponde

• Trovo le velocità in più punti della verticale realizzando un diagramma:

à

̅

=

• Misuro la distanza di ogni verticale dalle sponde e la profondità.

• Trovo q e Q

i ( − )

+1 −1 norma iso almeno 12-15 misure di q

→

=

̅ i

2

∑

=

• Costruisco la scala delle portate utilizzando i valori di Q trovati (ascissa) e i valori di h misurati

(ordinata) e realizzo una curva:

Eq. curva =

→

 

e si trovano con l’interpolazione migliore che rappresenta la curva.

I valori di Q si possono calcolare fino ad un certo punto, poiché valori alti

di Q rappresentano spesso valori di piena.

Per equazioni di questo tipo è spesso utilizzato un grafico logaritmico in modo da avere una curva più

semplice (cioè, retta). 6

CURVA DELLE DURATE

Date le misure di portata possiamo costruire un grafico che ci descrive l’andamento delle portate nel

tempo, ovvero l’andamento continuo di Q(t), questo grafico è chiamato idrogramma.

Le curve di durata delle portate (CD) sintetizzano in

maniera efficace il regime di frequenza dei deflussi,

rappresentando graficamente la durata complessiva per la

quale un dato valore di portata fluviale è uguagliato o

superato nell’arco temporale di riferimento (es: anno).

È una rappresentazione sintetica che non contiene tutta

l’informazione dell’idrogramma di partenza ma ne sintetizza alcuni aspetti salienti che ci possono

interessare.

Rappresentazioni:

• Con durata adimensionata: (tempo: da 0 ad 1) i valori letti di durata rappresentano la

probabilità di superamento di una determinata portata

• Con durata 365 giorni: (tempo: da 0 a 365) i valori letti rappresentano quante volte (giorni) si

verifica una determinata portata (rappresentazione più usuale)

L’area che sta sotto la curva rappresenta il volume defluito:

Questo integrale definisce un’area uguale all’area creata dal rettangolo formato da durata e Q medio

()

∫

Quindi 0

= =

Per confrontare due curve di due corsi d’acqua di caratteristiche diverse utilizzo delle curve delle

durate adimensionate, con l’asse delle ascisse che va da 0 a 1 e con l’ordinata Q/Q med

A cosa mi serve la curva delle durate?

Derivazione dei corsi d’acqua

1 con regolazione dei deflussi: grazie alla presenza della diga riusciamo ad alterare il regime dei

deflussi naturali regolandolo in base alle nostre esigenze avendo acqua anche quando il corso

d’acqua non ne avrebbe naturalmente.

2 Senza regolazione dei deflussi o “ad acqua fluente”:

si utilizza una traversa: (come se fosse una diga ma di altezza notevolmente minore), serve a

trattenere una piccola quantità di acqua (trascurabile), che serve ad allontanarci dal fondo durante

il prelievo d’acqua ed a non far entrare aria quando il livello del corso d’acqua è basso. 7

con:

Q (t) derivata

→portata

d

q portata di dimensionamento della derivazione

→

d

Q t)→ portata a valle

v(

Si possono verificare due casi:

• Se ()

() ≤ = ()

• Se ()

() ≥ =

Effetto del rispetto del deflusso minimo vitale (DMV) o flusso ecologico

La quantità minima di acqua che deve essere assicurata per la sopravvivenza delle biocenosi

acquatiche, la salvaguardia del corpo idrico e, in generale, per gli usi plurimi a cui il fiume è destinato

(Concetto introdotto dalla legge 183/89).

DMV è in funzione di:

• Caratteristiche idrologiche naturali

• Geomorfologia del corso d’acqua

• Carichi inquinanti presenti

• Interessi di fruizione

Il Piano di Tutela delle Acque (PTA), conformemente a D. Lgs. 152/99 (“Disposizioni sulla tutela delle

acque dall'inquinamento”) e Direttiva europea 2000/60 (Direttiva Quadro sulle Acque), è lo strumento

REGIONALE volto a raggiungere gli obiettivi di qualità ambientale nelle acque interne e costiere della

Regione, e a garantire un approvvigionamento idrico sostenibile nel lungo periodo. Il PTA della RER:

approvato in via definitiva con Delibera n. 40 dell'Ass. Leg. il 21 dic 2005.

Il PTA contiene anche la quantificazione del DMV per i vari corsi d’acqua, cioè le portate che devono

essere garantite a valle delle derivazioni nei corsi d’acqua.

→

Disponibilità idrica (senza considerare il DMV) curva caratteristica di utilizzazione 8

Caso ideale ipotetico corso d’acqua con portata costante

È semplice rendersi conto che il miglior

andamento possibile che ci si possa

aspettare per una captazione è proprio quello

in cui le portate sono poco variabili (al limite

in cui le portate sono costanti, ovviamente

non esiste in natura).

Si nota infatti che in questo caso la curva in

azzurro giace sempre al di sotto della curva in

rosso, il che vuol dire che a parità di portata di

dimensionamento io capto sempre di più.

Curva idrologica di utilizzazione

Adesso prendiamo queste due curve, di in funzione di , ruotiamo il diagramma in modo tale da far

diventare quello di l’asse delle ascisse e quello di l’asse delle ordinate (però adimensionate).

È una curva utile per comparare tra loro le derivazioni di diversi corsi d’acqua.

Curva caratteristica di concentrazione

Rappresentiamo come varia il volume al variare del tempo (a partire dalla curva delle durate) ottenendo

la curva caratteristica di concentrazione. Per una distribuzione uniforme

(Q costate) la curva di

concentrazione è retta.

La differenza tra queste due

curve mi dà la disformità. Cioè,

più le due curve sono vicine, più

si può dire che il deflusso è

uniforme.

= à = ≤1→

→ è , à 9

MODELLISTICA MATEMATICA DELLA TRASFORMAZIONE AFFLUSSI-DEFLUSSI

La valutazione dei deflussi (anche durante le piene) non si effettua direttamente sulla base di

osservazioni dei deflussi stessi ma sulla base delle osservazioni delle piogge.

Questa necessità sussiste in quanto l’informazione relativa alle piogge è molto più diffusa rispetto

all’informazione relativa ai livelli e quindi alle portate dei corsi d’acqua, per una semplice ragione: le

piogge si misurano molto più facilmente ed è molto meno costoso e oneroso.

Non consideriamo i fenomeni con la