Idrologia agraria

Idrologia

L’idrologia è la disciplina che studia l’acqua sul pianeta, in particolare le acque continentali, superficiali e sotterranee. L’idrologia considera:

• La distribuzione spaziale e temporale dell’acqua
• La sua circolazione (nelle diverse fasi solida, liquida, vapore e nei diversi ambienti)
• La sua disponibilità
• Le sue proprietà fisiche e chimiche e le relazioni con l’ambiente, comprese quelle con gli organismi viventi

Tutta l’acqua presente sulla terra, se fosse riunita formerebbe una sfera di 860 miglia di diametro. La sfera formata dalla sola acqua dolce avrebbe un diametro di 169 miglia.

L’acqua svolge un ruolo fondamentale nella struttura del territorio rurale, la corretta regimazione e l’utilizzo di questa risorsa hanno comportato modifiche importanti sui territori. Ad esempio, il reticolo idrografico assume importanza molto rilevante nel territorio lombardo. Se si considera il reticolo idrografico naturale della regione Lombardia e si sovrappone il reticolo artificiale principale, è evidente come nelle aree irrigue della pianura, il ciclo idrologico venga apparentemente in parte invertito. I fiumi non fungono solamente da scarico degli eccessi ma anche come fonte di presa per l’irrigazione, inoltre questo reticolo si interfaccia con le infrastrutture di trasporto e civili, oltre che con quelle di irrigazione e di difesa idraulica.

L’obiettivo di uno studio idrologico è quello di rendere sostenibile lo sviluppo, permette infatti di valutare a priori i possibili impatti che un corso d’acqua potrebbe avere con alcune opere civili come dighe o ponti. Le opere idrauliche a fini di irrigazione, nella pianura lombarda, hanno come fonte prevalente i corsi d’acqua superficiali e impiegano anche infrastrutture artificiali di importanza cruciale come il canale Adda-Serio. Le derivazioni dai corsi d’acqua in Lombardia sono di circa 700 m³/s durante la stagione irrigua (si tenga presente che la portata media del Po è di 1200 m³/s).

I canali irrigui sono per la gran parte opere storiche, si tratta di veri e propri fiumi artificiali scavati e non ricoperti, che con il tempo sono diventati anche zone di tutela naturalistica, questa loro funzione ricreativa e naturalistica può essere un’opportunità per rendere anche più efficienti i sistemi irrigui.

Le opere di bonifica idraulica nelle zone basse della pianura lombarda necessitano di impianti di sollevamento, infatti avvicinandosi al Po i fiumi raggiungono con maggiore facilità il livello del piano di campagna e tendono ad esondare. Per proteggersi da questi eventi di piena quindi si installano argini e impianti di bonifica per lo scolo delle acque in eccesso.

Negli ultimi anni si sono registrati problemi che conducono all’intensificarsi di fenomeni piovosi abbondanti concentrati in tempi ristretti; quantità di pioggia e portata non hanno subito variazioni. In idrologia è fondamentale possedere serie di dati molto lunghe per sviluppare modelli adeguati a simulare correttamente le dinamiche dei processi correnti.

Ciclo idrologico

L’acqua presente sulla terra è soggetta ad un continuo ricambio ad opera del ciclo idrologico. Il moto dell’acqua all’interno di questo ciclo è consentito dall’energia solare e dalla forza di gravità. Nel suolo, principalmente nello strato superficiale non saturo, intervengono anche altri fattori. Evaporazione e traspirazione avvengono grazie all’effetto dell’energia solare e consentono di chiudere il ciclo.

I processi che compongono il ciclo idrologico sono diversi. Negli acquiferi il flusso idrico è prevalentemente orizzontale, mentre nel caso della percolazione il flusso è prevalentemente verticale.

La precipitazione atmosferica è la fase della circolazione dove si ha il passaggio dell’acqua dall’atmosfera alla superficie terrestre, anche le precipitazioni invisibili come rugiada e brina sono da considerare come parte integrante di questo trasferimento. La precipitazione si verifica quando una massa d’aria umida viene raffreddata (generalmente a seguito di un sollevamento) e l’acqua al suo interno raggiunge la saturazione con conseguente formazione di gocce con massa sufficiente per vincere la resistenza dell’aria.

Mettendo in relazione la pressione di vapore a saturazione sulle Y (indice della quantità di vapore acqueo contenuto nell’atmosfera, maggiore questa maggiore il contenuto) e sulle X la temperatura, si nota come al crescere della temperatura la pressione di vapore saturo accresca. Pertanto il contenuto d’acqua dell’atmosfera si accresce al crescere della temperatura atmosferica.

Affinché una massa d’aria umida che abbia raggiunto la saturazione dia luogo a una precipitazione è necessaria la presenza di nuclei di condensazione che consentono alle gocce di formare una massa sufficiente a vincere le resistenze. Questi nuclei devono avere un diametro di circa 4-5 mm. Il solo raffreddamento dell’aria non è quindi sufficiente alla formazione della precipitazione.

Tipologie di precipitazioni

Le precipitazioni più importanti nei nostri territori sono fenomeni di raffreddamento dovuti alla pressione atmosferica globale. Ad esempio l’irruzione di un fronte di aria fredda a maggiore densità provoca un rapido sollevamento dell’aria calda che conduce a piogge circoscritte nello spazio ed intense con carattere temporalesco.

Lo scontro di masse d’aria tende in genere a far scorrere il fronte caldo sopra il preesistente cuscino di aria fredda, il sollevamento origina precipitazioni piuttosto estese e di modesta intensità, non di rado anche in forma di neve. Queste tipologie di precipitazione si dicono frontali o cicloniche.

Le precipitazioni convettive sono tipiche della stagione estiva, il riscaldamento dell’aria al livello del suolo ne provoca il sollevamento e causa piogge brevi ed intense che interessano areali limitati.

Precipitazioni orografiche: l'azione di sbarramento dovuta alle catene montuose provoca l'innalzamento delle masse d'aria, che, se cariche d’umidità, producono abbondanti precipitazioni in prossimità dei rilievi esposti.

Grandezze caratteristiche delle precipitazioni

Altezza di pioggia (h): valore dell’altezza d’acqua, espressa solitamente in mm, che si accumula durante l’evento piovoso su una superficie impermeabile non evaporante, in orizzontale e in un determinato intervallo di tempo.

Il rapporto tra l’altezza di precipitazione e l’intervallo di tempo in cui essa cade descrive l’intensità di precipitazione (i), espressa generalmente in mm/h.

Strumenti come il pluviografo tracciano in continuo l’andamento dell’altezza di precipitazione. Questi strumenti seguono norme precise per il posizionamento. Si tratta di una bocca a bascula di diametro standard che convoglia l’acqua verso un punto di concentrazione immediatamente al disotto dell’asse. La bascula oscilla grazie alla presenza di un perno e riempie con ogni movimento due cucchiai posti all’estremità di volume noto. Attraverso la registrazione del numero di oscillazioni è possibile ricavare l’altezza di pioggia caduta. Questo strumento può essere equipaggiato con strumenti digitali e monitorato in tempo reale. Sono però strumenti molto delicati che richiedono controlli periodici per la manutenzione.

Esistono anche pluviografi a pesata in cui il contenitore che raccoglie l’acqua poggia su una bilancia di precisione che effettua misure in continuo. Per l’alimentazione si ricorre a batterie e pannelli solari.

Il pluviometro è semplicemente un accumulatore di precipitazioni, la frequenza delle misurazioni è variabile (dipende dalla frequenza dello svuotamento), si tratta di uno strumento economico e affidabile, la quantità di pioggia espressa in mm si ricava dal rapporto tra volume e area del contenitore, possono essere impiegati come verifica di sistemi avanzati come i pluviografi.

Esistono anche sistemi più moderni per la stima delle precipitazioni. Attraverso ad esempio radar meteorologici. Questi strumenti si compongono di un sensore attivo, ovvero in grado di emettere un segnale costituito da onde elettromagnetiche e di misurare il segnale riflesso. Gli strumenti differiscono principalmente per la lunghezza d’onda del segnale emesso. Si ottiene in questo modo la misura dell’energia riflessa dalla quale è possibile ricavare una mappa dell’intensità di pioggia stimata. Il vantaggio è quello di coprire una frequenza temporale molto elevata.

Un'onda elettromagnetica, generata da un trasmettitore, viene irradiata nell'atmosfera attraverso un'antenna direzionale. L'onda, propagandosi in atmosfera, interagisce con gli oggetti presenti lungo il suo percorso venendo in parte assorbita ed in parte riflessa, anche nella direzione del radar, da cui viene ricevuta nuovamente. La velocità con cui viaggia l'onda è nota (300.000 km/s) ed è quindi possibile calcolare quanto dista l'oggetto dal radar tenendo conto del tempo di ritorno del segnale.

Un radar meteorologico permette di rilevare, all'interno di una porzione di atmosfera, la presenza di idrometeore. Un radar meteorologico è quindi costituito da un trasmettitore di onde elettromagnetiche di potenza elevata, da un ricevitore, da un'antenna (che dà la direzione al segnale) e da un elaboratore. Il segnale di ritorno è elaborato nell'apparato ricevente del radar e permette di stimare l'intensità della precipitazione, mentre la direzione di puntamento dell'antenna e il tempo impiegato dal segnale nel percorso andata-ritorno consentono di localizzare le idrometeore in termini di direzione e distanza.

Piccole variazioni nella fase dell'eco di ritorno permettono di stimare la velocità di spostamento rispetto alla direzione del radar (direzione radiale) della perturbazione. Il limite principale è che non si tratta di misure dirette ma di stime, le quali possono avere un margine d’errore. La misura radar può essere calibrata combinandola con misure a terra per renderla più precisa. In zone montuose il segnale si propaga in maniera errata e questo rende le misure particolarmente soggette ad errore.

Variabilità spazio-temporale delle precipitazioni

Le precipitazioni, in particolare quelle convettive, si caratterizzano per un’elevata variabilità spaziale e temporale a causa della formazione di diversi nuclei di precipitazione in continuo movimento, con diverse intensità e durata.

Il grafico che rappresenta l’intensità di precipitazione nel tempo prende il nome di ietogramma. È ottenuto mettendo in relazione la durata temporale dell’evento piovoso sulle ascisse e l’intensità di pioggia sulle ordinate. Permette quindi di visualizzare la variabilità temporale dell’evento piovoso.

Nel caso si volesse invece rappresentare l’altezza di pioggia distribuita su di un territorio, ovvero la sua variabilità spaziale, è necessario ricorrere alla redazione di carte che rappresentano curve isoietografiche. Il concetto alla base è simile a quello delle curve di livello: le curve, sovrapposte alla carta del territorio in esame rappresentano il luogo dei punti in cui si ha la stessa altezza di pioggia. Queste curve possono essere realizzate sia per singoli eventi che per le precipitazioni annuali. Le curve vengono tracciate sulla base del posizionamento dei diversi pluviografi nella rete e dei valori misurati da ciascuno. La singola curva prende il nome di isoieta. Le linee sono ricavate grazie all’utilizzo di algoritmi di interpolazione.

Se si osserva il gradiente di pioggia in Lombardia esso si rende molto evidente in funzione dell’orografia del territorio. Spesso le carte contenenti le curve isoietografiche fanno riferimento alle altezze di pioggia espresse come 90° percentile. Per 90° percentile di una grandezza si intende la misura di un valore che ha il 90% di probabilità di non essere superato a partire da un campione. La media delle osservazioni rappresenta quindi il 50% di probabilità, ovvero il 50° percentile. Questa misura consente di dividere la popolazione statistica in 100 gruppi uguali, divisibili sulla base della distribuzione dei valori per quella data variabile. Pertanto, con questo metodo, è possibile stimare la quantità di pioggia di annate siccitose utilizzando il 10° percentile del valore medio.

Per ogni singola stazione è possibile mettere in relazione in ascissa i mesi e sulle ordinate l’altezza di pioggia mensile, ottenendo così il regime pluviometrico di una determinata zona. Questo sistema permette di evidenziare talune problematiche correlate alla distribuzione degli eventi piovosi. Attraverso la suddivisione mensile, ad esempio, risulta lampante la cattiva distribuzione della pioggia in Sicilia con prolungati fenomeni di siccità nei mesi estivi, nonostante i valori assoluti della regione possano essere similari a quelli di alcune zone del nord Europa.

Intercettazione

L’intercettazione è il processo di alterazione della precipitazione che raggiunge il suolo causato dall’interazione con l’apparato fogliare di tutta la vegetazione (erbacea e arborea). La parte di precipitazione che non viene trattenuta definitivamente dalla vegetazione o che evapora, raggiunge il suolo sotto forma di throughfall, ovvero la precipitazione che cade senza essere intercettata e dal gocciolamento e di stemflow (il flusso d’acqua lungo il fusto) che ha un minore impatto sul terreno.

L’interazione dipende dalla forma e dimensione dell’apparato fogliare e dal tipo di precipitazione e dall’intensità. La precipitazione intercettata solitamente torna nell’atmosfera per evaporazione.

La misura dell’intercettazione è quindi svolta attraverso il confronto delle misure ricavate dall’impiego di pluviografi sottochioma e in zone adiacenti prive di copertura vegetale. È possibile così stimare l’apporto idrico che giunge effettivamente al suolo. Per la misura dello stemflow si raccoglie direttamente l’acqua che scorre sul fusto. Diversi studi hanno misurato l’intercettazione in diverse condizioni di copertura vegetale. Misurando quindi il solo apporto idrico in campo aperto, è possibile grazie a queste relazioni sperimentali ricavare con buona approssimazione la quota di precipitazione intercettata dalla vegetazione.

Infiltrazione e percolazione

L’acqua che giunge al suolo ha due destini, può infiltrarsi o ruscellare. L’infiltrazione è il processo attraverso il quale l’acqua penetra nel suolo. L’acqua infiltrata può essere soggetta a fenomeni di ridistribuzione all’interno del suolo. Le direzioni di flusso variano al variare della distribuzione spaziale dell’acqua e al contenuto di umidità. I flussi sono bidirezionali, l’acqua una volta nel terreno può muoversi sia verso il basso (percolazione) che verso l’alto (risalita capillare) a causa delle modificazioni del potenziale idrico.

Generalmente lo strato superficiale del terreno è più soggetto all’evaporazione e al prelievo da parte della vegetazione, questo fa sì che si formi un gradiente di energia, sotto forma di potenziale idrico, in grado di sviluppare un processo di risalita dell’acqua nel terreno vincendo la forza di gravità. Porosità, tessitura, struttura (granulometria e frazione colloidale), attività biotica (animali e radici) influenzano i rapporti del suolo con l’acqua.

Contenuto idrico del suolo

Per caratterizzare il contenuto idrico volumetrico si mette in rapporto il volume d’acqua e il volume di suolo. Il contenuto idrico gravimetrico mette in rapporto la massa di acqua con la massa di suolo. Per misurare quest’ultimo si eseguono due misurazioni sulla stessa quantità di terreno. Una prima pesata al momento del campionamento e una seconda dopo essiccazione in muffola del campione. Le densità di suolo e acqua sono le costanti che permettono di muoversi tra contenuto volumetrico e gravimetrico.

Semplificando, il contenuto volumetrico è uguale al prodotto di per il rapporto tra le densità di suolo e acqua. Il contenuto idrico volumetrico varia tra lo 0 e la saturazione (ovvero quando il contenuto volumetrico è uguale alla porosità). Talvolta si esprime il contenuto idrico in percentuale sulla base del valore della porosità, la quale rappresenta la condizione di saturazione.

Il contenuto idrico del suolo è una misura adimensionale e puntuale. Il contenuto d’acqua nella zona non satura è detto anche umidità del suolo. Nella zona satura l’acqua riempie completamente i vuoti e le aperture tra i sedimenti. Appena al di sopra della superficie freatica si trova la frangia capillare in cui la matrice è ancora satura ma l’acqua è in tensione (la pressione è inferiore a quella atmosferica).

Potenziale idrico

Un modo efficace per descrivere lo stato fisico dell’acqua nel suolo è quello di utilizzare l’energia potenziale che possiede l'unità di quantità d’acqua (massa, volume o peso) in conseguenza al campo di forze che agiscono su di essa. I movimenti dell’acqua risultano pertanto determinati da differenze di potenziale e l’acqua si muove da regioni caratterizzate da potenziali più elevati verso regioni con valori minori di potenziale. Le condizioni di equilibrio si hanno quando il potenziale assume lo stesso valore per tutti i punti del sistema. Il concetto di potenziale dell’acqua nella zona è fondamentale per lo studio dei processi di moto e fornisce un modo unificato per poter valutare nel tempo lo stato dell’acqua nel sistema continuo.