Appunti di Costruzioni idrauliche

COSTRUZIONI IDRAULICHE

Sbobina 1

L’idrologia l’insieme delle conoscenze che studia l’acqua sul nostro pianeta

è (in tutte le trasformazioni

e spostamenti che può subire).

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

distribuzione spaziale e temporale dell’acqua

− la (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 in cui sono

ciclo idrologico

rappresentati i vari fenomeni che lo compongono.

La in natura può cadere sia sulla superficie terreste che sui mari/oceani con effetti molto

precipitazione

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 al oceani/mari/laghi.

acqua mentre l’evaporazione

La precipitazione è un ingresso di (è un flusso che dalla superficie terrestre

si dirige verso l’atmosfera) l’uscita complessiva prende il nome di

è una parte dell’uscita,

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.

3

Il volume di precipitazione annuale sulle terre emerse è di circa 119000 km /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

a rialzarsi alimentando i corsi d’acqua)

falda idrica (tende (deflusso o scorrimento sotterraneo);

che non si infiltra scorre sulla superficie del suolo lungo la direzione di massima

- la parte d’acqua

pendenza (fenomeno chiamato finendo per

scorrimento o ruscellamento superficiale)

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 sotterrano si può trasformare in deflusso superficiale).

Può accadere che gli strati superiori di terreno (circa 10 cm) siano più permeabili di quelli sottostanti

questo permette di avere un deflusso d’acqua chiamato

(per via delle radici, coltivazioni ecc.) deflusso

(a volte non si distingue dal deflusso sotterraneo).

ipodermico

L’acqua si può accumulare anche in zone di ampiezza limitata chiamate (in

depressioni superficiali

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 ingesso

e in uscita non è uguale in quanto si ha una differenza di 130 mm che possiamo recuperare dal contributo

0,3

310 ∙ =

dei deflussi dalle terre emerse (310 mm che dalle terre emerse fluiscono verso oceani/mari = 0,7

130 mm). + 0,3 ∙ 720 = 1000

0,7 ∙ 1120

⏟ ⏟

Precipitazione

= 1000

0,3 ∙ 410 + 0,7 ∙ 1250

⏟ ⏟

Evaporazione

di

Tipologie 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;

dovute al riscaldamento dell’aria vicino al suolo

3) CONVETTIVE:

(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.

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 (∆).

- Intensità di pioggia media i [mm/h]: ℎ

= ∆

∆t

es.: h= 240 mm; = 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 di pioggia caduta dall’inizio dell’evento.

cumulata ci dà l’altezza

-----

Gli strumenti utilizzati per la misura della pioggia sono:

Pluviometro totalizzatore 2

Recipiente cilindrico di diametro standardizzato di 35.7 cm e area A = 0.1 m , 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 km 2

Moltiplicando la superficie per la

precipitazione media annuale otteniamo che

l’afflusso meteorico medio annuo è pari a 300

3

miliardi di m di pioggia.

Il fabbisogno complessivo nazionale stimato è

3

di circa 50 miliardi di m /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.

3

È necessario considerare che su 300 miliardi di m 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:

a) del rilevamento, validazione e pubblicazione di dati ambientali;

b) dello studio delle risorse idriche e delle portate di piena; d’acqua.

c) della delimitazione dei bacini idrografici e rilievo dei corsi

In passato, fu istituito intorno al 1910 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).

avevano diviso l’Italia in Uffici

il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN)

In passato:

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.

Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale (ARPA)

Oggi: 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 le edizioni più recenti si compongono di

Annali Idrologici,

–SIM):

due parti (oggi editi dalle ARPA e

parte prima parte seconda.

La degli Annali si riferisce alla termometria, alla pluviometria e alla meteorologia e contiene i

parte prima

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

prevalentemente ai deflussi dei corsi d’acqua e riporta

La degli Annali si riferisce dati

parte seconda

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

un corso d’acqua

sezione S-S di 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 un corso d’acqua si

[di chiusura]

(portatore d’acqua).

definisce o Quindi il bacino idrografico è sempre

bacino idrografico imbrifero

d’acqua.

associato ad una sezione di un corso

Esso si identifica tracciando le perpendicolari alle curve di livello a partire dagli estremi della sezione

da ciascuno dei due punti d’incontro delle prime perpendicolari con le prime curve di livello,

fluviale; poi,

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 indentifica 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 10mila o al 5mila

perché sennò mi servirebbe tutta la stanza per fare il disegno, vado su una scala che può essere il 100mila 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 5mila).

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

un certo punto da cui passa il nostro corso d’acqua,

secata secondo certi formati digitali; identificando 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

l’algoritmo.

del bacino che ci fornisce

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

d’acqua che cade in un punto all’esterno del

idrografica e arriva alla sezione di chiusura. Mentre la goccia

bacino idrografico seguirà percorsi diversi, esterni a quelli del bacino in esame, e quindi con contribuirà al

deflusso nella sezione S-S.

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

linea spartiacque

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

all’interno del bacino idrografico

precipitazioni che avvengono sono caratterizzate da:

nello stesso intervallino di tempo, avrò un’intensità

− una variabilità (in due punti diversi,

spaziale

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 (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:

(ovvero curve

linee isoiete

caratterizzate da un identico valore

di pioggia). La scala cromatica ci dice

l’assenza di pioggia corrisponde

che

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,

15 /ℎ,

massimo circ