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.

o 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).

o 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 sottoforma 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

t)

piana ed impermeabile, senza ostacoli, in un determinato periodo di tempo (durata,

Intensità di pioggia media i[mm/h]: è il rapporto tra l’altezza di pioggia (h) e l’intervallo di tempo (t) in cui

viene misurata (unità di misura mm/h o mm/giorno o mm/anno)

 t

i = h/ t (es.: h = 240 mm; = 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: 5mm * 12 60

→ →

mm/h, 8mm * 12 96 mm/h, 10mm * 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

2

raccoglitore (misura puntuale). Diametro di 35.7 cm e con un Area di 0.1 m , 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:

o 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.

o 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. 2

Sapendo che l’Italia ha una superficie di 330.000 km di terre emerse e considerando la precipitazione media,

3

possiamo calcolare l’afflusso meteorico medio annuo 330.000*0.9=300.000 m /anno. 3

È utile comparare questa quantità con il fabbisogno complessivo nazionale stimato in 50 milioni di m /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:

a) Rilevamento, validazione e pubblicazione di dati ambientali

b) studio delle risorse idriche e delle portate di piena

c) 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 specificat