Appunti di idrologia

Università della Calabria

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio

CORSO DI IDROLOGIA Prof. Beniamino Sirangelo

A.A 2018/2019

GLOSSARIO

1. INTRODUZIONE ALL’IDROLOGIA

a. L’ACQUA SULLA TERRA

b. IL CICLO IDROLOGICO

c. L’ATMOSFERA

d. L’ENERGIA DELLA TERRA

e. LE PRECIPITAZIONI

f. CICLONI E TORNADO

g. PRECIPITAZIONI PARTICOLARI

2. I BACINI IDROGRAFICI

a. DEFLUSSO SUPERFICIALE

b. CARATTERISTICHE TOPOGRAFICHE

3. PERDITE DI BACINO

a. EVAPORAZIONE

b. EVAPO-TRASPIRAZIONE

c. INFILTRAZIONE

4. LE ACQUE SOTTERRANEE

a. I TERRENI ALLUVIONALI

b. MOTO A POTENZIALE

5. IL DEFLUSSO SUPERFICIALE

a. TRASFORMAZIONE DEGLI AFFLUSSI IN DEFLUSSI

1. INTRODUZIONE ALL’IDROLOGIA

Una prima definizione che possiamo dare di idrologia è la scienza che studia le acque sulla terra, la loro

distribuzione, la loro caratteristica, etc. Dicendo ciò però possiamo accorgerci che questa definizione non va

bene in quanto sarebbe troppo ampio e generico il campo da studiare che andrebbe dalla meteorologia

all’oceanografia, dalla climatologia alla geologia. Pertanto sapendo che in idrologia esiste una linea di

demarcazione oltre il quale si andrebbe in altri studi possiamo certamente dire che l’idrologia è lo studio

dell’idro-meteorologia (ovvero lo studio del ciclo dell’acqua), della glaciologia, dell’idro-geologia e

dell’idrografia che può essere distinta in potamologia (ovvero lo studio dei fiumi) e la limnologia (ovvero lo

studio dei laghi). Affinché sia creato un progetto idrologico c’è bisogno che ci sia un reperimento dei dati sul

quale ci si possa basare per poter successivamente costruire una struttura idonea. Per far ciò vi sono degli

enti dello Stato che si occupano del reperimento dei dati il quale sono enti di monitoraggio. I modelli creati

sulla base dei dati raccolti vengono invece creati dagli enti di ricerca (come il C.N.R., I.N.G.V., etc.), ed infine

vi è il progettista che sulla base dei dati e dei modelli crea il progetto.

a. L’ACQUA SULLA TERRA 15 3

L’acqua sulla terra è presente circa al 71% dal quale 1,370,300 ∙ 10 m composta dagli oceani (circa il 93.9%),

il restante formata dal 4.3% dalle falde del sottosuolo, 1.6% dai ghiacciai, il 0.06% dai laghi, il 0.001% presente

nell’atmosfera ed infine il 0.0001% dai fiumi. Possiamo quindi notare che la gran parte di acqua presente

sulla terra è principalmente salata, questo però risulta essere un problema in quanto quest’acqua non è

utilizzabile a causa della sua eccessiva salinità. Per poter determinare la quantità di acqua necessaria si utilizza

un indice ovvero la disponibilità idrica pro-capite che rappresenta il rapporto tra la quantità di acqua

disponibile e la popolazione presente su un dato territorio.

b. IL CICLO IDROLOGICO

Il ciclo idrologico fa riferimento al ciclo che l’acqua subisce ovvero ai fenomeni di flusso e di circolazione

dell’acqua all’interno dell’idrosfera (vedi figura 1.1). Questi fenomeni di flusso possono essere costituite da:

 Atmosfera

 Suolo. A sua volta composto da:

o Suoli spogli

o Suoli vegetali

o Ghiacciai

 Sottosuoli. A loro volta composti da:

o Falde non sature

o Falde sature

 Fiumi e laghi

 Mari e oceani Figura 1.1

Pertanto potremo avere passaggi di acqua che vanno dal

sottosuolo al suolo, che saranno fenomeni di evapo-traspirazione, mentre potremo avere anche passaggi dal

suolo al sottosuolo e in quel caso potremo parlare di infiltrazione (nel caso di un passaggio di acqua dal suolo

ad una falda non satura si dirà percolazione). Nel caso di fiumi e di laghi invece il passaggio di acqua può

avvenire sia dal suolo che dal sottosuolo. Si potrebbe presentare il caso in cui ci sia chiesto di calcolare la

massa in forma liquida conoscendo quella in forma di vapore, per fare ciò dovremo quindi:

= → = → =

c. L’ATMOSFERA

L’atmosfera è formata da vari strati il quale non hanno vere Ionosfera

e proprie linee di separazione ma ce vengono Mesosfera

contraddistinte da diverse proprietà che ogni strato

possiede. Il primo strato che troviamo è la troposfera Stratosfera

ovvero lo strato più vicino al suolo. Esso è caratterizzato Troposfera

dalla presenza di fenomeni atmosferici e la caratteristica

che all’aumentare di 6.5 km la temperatura scende di un Figura 2.1

grado. Alla fine della troposfera abbiamo la tropopausa,

una linea immaginaria che divide la troposfera dallo strato successivo. Lo strato successivo è la stratosfera.

Qui la temperatura aumenta all’aumentare dell’altezza, questo è dovuto alla relazione tra ossigeno e raggi

solari infatti l’ossigeno presente in questo strato tende ad assorbire i raggi ultravioletti passando così da O 2

ad O aumentandone così la temperatura. Questa parte di stratosfera può essere chiamata ozonosfera. La

3

fine della strato sfera è dato dalla stratopausa dove oltre possiamo trovare la mesosfera dove la temperatura

tende nuovamente a diminuire. In questo strato possiamo trovare le fasce di Van Allen molto utili per le

comunicazioni radio ma non per quelle televisive in quanto non sarebbero riflesse. Infine abbiamo la

ionosfera dove vi è presente solamente idrogeno ionizzato (da cui ne deriva il nome) e la temperatura

riprende ad aumentare anche se la temperatura percepita sarebbe fredda, questo perché le molecole di

idrogeno presenti sono poche e con molta energia.

d. L’ENERGIA DELLA TERRA

La principale fonte di energia per la terra proviene dal sole, questa infatti arriva a noi sotto forma di energia

radiante seguendo una linea retta e viene emessa dalla terra sotto la stessa forma. Ciò avviene per

mantenere la terra sempre alla stessa temperatura altrimenti se l’energia assorbita non fosse ceduta la

temperatura aumenterebbe esponenzialmente. La legge che

spiega questo irraggiamento è la seconda legge di Plank che ci

y dice che un’energia secondo una certa lunghezza d’onda è pari

a:

() =

⁄

( − )

Secondo questa legge si otterrà un grafico a campana (vedi

figura 3.1), pertanto si potrà determinare l’area con la legge di

Stephan-Boltzmann che ne spiega la seconda legge di Plank:

∞

= ∫ () =

x

Anche un’altra legge ne spiega quella di Plank ovvero quella di

Vin:

Figura 3.1

=

Come detto in precedenza il sole emana energia verso la terra

sotto forma di energia radiante, questa energia si trova tra

valori compresi tra 0.2<λ<1.4 mentre quella emessa dalla terra

è compresa tra 4<λ<20, si tenga conto che l’energia variante

visiva ovvero quella osservabile dall’occhio umano è compresa

tra 0.4<λ<1.2. Le radiazione solari che colpiscono la terra

arrivano nella troposfera dove subiscono degli effetti quali la

diffusione, il quale non viene diffusa allo stesso modo ma in

1

proporzione a , la riflessione ed infine l’assorbimento. Per

4

h

s calcolare l’altezza con il quale i raggi solari colpiscono la terra a

qualsiasi ora del giorno in un qualunque posto del mondo si usa

A la formula (vedi figura 4.1):

= +

Figura 4.1 Dove senh è l’altezza dei raggi solari, δ è la declinazione solare

s s

ovvero l’angolo di cui mi devo alzare per proiettare il raggio

solare sull’equatore, ϕ è la latitudine terrestre e τ è l’angolo orario ovvero l’incidenza con il quale i raggi

t s

solari hanno con l’equatore (vedi figura 5.1). Nel caso il sole si trovi esattamente nel mezzogiorno solare

avremo che τ assumerà il valore 0 in quanto il suo angolo perpendicolare alla terra, ottenendo la formula:

s

= ( − ) = ( − ) = = ( − + )

Da qui potremo pertanto notare che in alcuni posti del globo terrestre il sole a picco si troverà ad

l l

un’inclinazione rispettivamente di 23° 27 e -23° 27 luoghi che prenderanno il nome di tropici, mentre in altre

l

parti del globo il sole a picco si troverà ad un’inclinazione di 90° - 23° 27 luoghi che prenderanno il nome di

poli e nel quale si verifica, in almeno un giorno dell’anno, il non sorgere del sole. Grazie a questi fenomeni

possiamo trovare, in ambito climatico, due tipi di celle quella di

Headly che si trova all’equatore è si tratta di una cella di aria Declinazione solare

calda e quella di Ferrel che si trovano ai poli e si tratta di celle

di aria fredda. Queste celle tendono a muoversi provocando

così le correnti a getto, il quale ne esistono di due tipi:

 Forza di Coriolis il quale si tratta di una forza molto

debole e che tende a cambiare verso a secondo Asse dell’equatore

dell’emisfero nel quale ci si trova. La sua formula è data

− ∙

da Figura 5.1

 Vento geostrofico il quale è un vento che tende a

muoversi parallelamente alle isobare.

Un altro concetto fondamentale per questo capitolo è l’ascensione retta ovvero un sistema riferito ad un

sistema di coordinate equatoriali, la quale formula sarà:

( )

e. LE PRECIPITAZIONI Iniziamo a dare una definizione di massa d’aria che ci servirà

successivamente. Una massa d’aria è una certa quantità d’aria

con uniformità di temperatura e umidità. Le masse d’aria

possono essere distinte in base alla temperatura e pertanto

Fronte avremo masse d’aria tropicali caratterizzate da temperature

alte (mT) e masse d’aria polari caratterizzate invece da

temperature basse (mP). Un’altra distinzione che possiamo

fare per le masse d’aria è in base all’umidità ottenendo una

distinzione tra masse d’aria marittime e masse d’aria

Figura 6.1 continentali dove nelle prime saranno caratterizzate da

un’elevata umidità (cT) mentre le seconde da una bassa umidita e quindi di aria secca (cP). Quando una massa

d’aria calda incontra una massa d’aria fredda si formerà quello che viene chiamato fronte, che sarà dovuto

al sollevamento della massa d’aria calda e l’abbassamento di quella fredda (vedi figura 6.1). Potremo quindi

avere fronti caldi (2) e fronti freddi (1) (vedi figura 7.1). Il fronte al suolo invece si riferisce alla superficie di

contatto del fronte con il suolo. Un caso particolare può essere dato dal fronte occluso (4) ovvero quanto un

fronte freddo raggiunge un fronte caldo e si sovrappone e che

solitamente è un fronte di precipitazione. Ciò spiega il

fenomeno dei cicloni extra-tropicali ovvero cicloni che si

verificano alle medie latitudini. C’è da ricordare però che tutti i

fronti visti finora tendono a ruotare intorno ad un centro che

potrà essere di alta pressione ovvero quando l’aria tende a

scendere provocando così un suo riscaldamento, o di bassa

pressione ovvero quando l’aria tende a sollevarsi provocando

così un abbassamento della temperatura. La loro rotazione si Figura 7.1

tiene a precisare si verifica a causa della forza di Coriolis che

quindi farà ruotare in ciclone in senso orario nell’emisfero

boreale e in senso anti-orario nell’emisfero australe. Queste prime categorie di precipitazioni vengono

chiamate convettive, possiamo avere però altri tipi di precipitazioni alcuni di essi possono essere le

precipitazioni orografiche e le precipitazioni dovute alle correnti marine. Quelle orografiche sono dovute

all’interazione con un rilievo montuoso. Infatti qui l’aria fredda quando raggiunge il rilievo tende a salire

riscaldandosi provocando precipitazioni per poi riscendere dall’altro versante come aria secca e provocando

così il fὃn. le precipitazioni dovute alle correnti marine invece sono caratterizzate dalla capacità di

assorbimento e rilascio del calore da parte del mare e della terra il quale ne consegue un vento freddo

proveniente dl mare che prenderà il nome di brezza marina che successivamente salito in quota nella parte

continentale provocherà precipitazioni. Questo è il processo che sta dietro la formazione dei monsoni.

f. CICLONI E TORNADO

I cicloni è un vortice atmosferico questi vengono misurati attraverso una scala graduata Saffir-Simpson che

va da 1 a 5 (vedi figura 8). Tra i più famosi ricordiamo il ciclone Tips e il ciclone Mitch. Un altro fenomeno

molto importante è quello dei tornado ovvero degli invorticamenti di masse d’aria la quale formazione è

molto simile alla formazione delle celle convettive ma che in particolari condizioni si trasforma in tornado.

Anche qui abbiamo una scala di misurazione dei tornado ovvero la scala Fujita che ne misura l’intensità del

fenomeno in base alla velocità del vento con gradi che vanno da F0 a F5 (vedi figura 8.1).

g. PRECIPITAZIONI PARTICOLARI

Alcuni tipi di precipitazione particolari possono essere le nebbie che si forma quando le particelle d’acqua

presenti in atmosfera sono troppo piccole per poter effettuare la coalescenza, ovvero formare una goccia

più grande in modo che quest’ultima possa cadere al suolo. Altri due fenomeni molto importanti possono

essere la grandine, solitamente associato a fenomeni molto perturbati in quanto le particelle di acqua

vengono cristallizzati all’interno delle nuvole tendendo a far svolgere una sorta di ciclo alle particelle d’acqua

cristallizzate. Quando queste sono abbastanza pesanti cadono al suolo sotto forma di grandine. La neve

invece viene associata a fenomeni stabili in quanto l’acqua che si cristallizza all’interno delle nuvole cerca di

aggregarsi in strutture più stabili pertanto servirà una bassa perturbazione affinché ciò avvenga.

Figura 8.1

2. I BACINI IDROGRAFICI

Quando avvengono le precipitazioni l’acqua che cade sulla terra può subisce tre effetti, di fatto una parte

ritornerà in atmosfera per mezzo dell’evaporazione, una porzione andrà nel sottosuolo e infine una parte

scorrerà sul suolo il quale provvederà a formare i corsi d’acqua (ruscelli, fiumi, etc.). Pertanto detto ciò

potremo dedurre che ci potranno essere due tipi di deflusso delle acque uno sotterraneo che fa riferimento

appunto all’aliquota di acqua proveniente dalle precipitazioni che si infiltra nel sottosuolo, e uno superficiale

dato proprio dai corsi d’acqua. Iniziamo a vedere più nel dettaglio il deflusso superficiale.

a. IL DEFLUSSO SUPERFICIALE

Come già detto in precedenza il deflusso superficiale fa

riferimento all’aliquota di acqua proveniente dalle

precipitazioni che non si infiltra nel sottosuolo ma che invece

scorre sul suolo sotto forma di corsi d’acqua. Detto ciò

possiamo individuare delle caratteristiche molte importanti

riconducibili a questo tipo di deflusso. Una di queste è la linea

spartiacque ovvero preso come riferimento una sezione di

chiusura questa delimiterà un bacino idrografico (nel nostro

caso bacino imbrifero in quanto alimentato dalle acque

piovane) da un altro. Altre caratteristiche possono essere

2

l’estensione del bacino misurata in km che ne identifica la

dimensione. Al mondo abbiamo circa 19 bacini che hanno Figura 1.2

6 2

un’estensione maggiore di 10 km e circa 78 che hanno

5 2

un’estensione maggiore di 10 km mentre in Italia la superficie

2

più grande è data dal Po' con 75,000 km , e la relazione che vi è tra l’altitudine (misurata in altezza su livello

del mare) e la superficie. Questa relazione viene rappresentata attrav