Idrologia e infrastrutture idrauliche

IDROLOGIA E INFRASTRUTTURE IDRAULICHE

L’acqua e le opere di ingegneria

L’acqua è stata da sempre al centro dei bisogni dell’uomo, che è intervenuto sulla circolazione

idrica per due finalità:

-utilizzare acqua per i bisogni

-difendersi dalle azioni che l’acqua può esercitare

Le COSTRUZIONI IDRAULICHE si occupano delle opere connesse all’uso dell’acqua e alla difesa

dall’acqua.

L’idrologia

Qualsiasi intervento richiede l’analisi della circolazione idrica sul territorio d’interesse.

L’IDROLOGIA è la scienza che studia la circolazione idrica terrestre e il relativo CICLO IDROLOGICO,

attraverso:

-elaborazioni deterministiche

-elaborazioni statistiche 1

Uso dell’acqua

Nella gestione delle risorse, l’acqua si caratterizza per: ubicazione, quantità, disponibilità temporale, quota

e qualità.

USI:

-potabile

-irriguo

-industriale

-produzione di energia

-navigazione

Le opere mirano a modificare una di queste caratteristiche per soddisfare un bisogno.

Uso potabile

È necessaria la valutazione dal punto di vista:

-quantitativo (richiesta d’acqua)

-qualitativo (caratteristiche potabilità)

-opere di ingegneria connesse 2

-sistemi acquedottistici

-sistemi di drenaggio urbano

I sistemi acquedottistici sono composti da opere:

-di captazione

-di adduzione

-di accumulo

-di distribuzione

-accessorie (impianti di potabilizzazione)

OPERE DI CAPTAZIONE: la captazione può avvenire da falde (pozzi, gallerie, cunicoli drenanti), sorgenti

(pozzi, gallerie, cunicoli drenanti), corsi d’acqua (impianti di sollevamento, sfioratori laterali e traverse,

libere o con paratoie), laghi (con sfioratori laterali e torri di captazione e previa la realizzazione di una diga

per la formazione del lago), mare (con realizzazione di opere di dissalazione dotati di opere di presa

sommersa)

Esempi: diga ad arco, a gravità, diga in materiali sciolti

OPERE DI ADDUZIONE: costituite essenzialmente da una condotta in pressione o un canale a superficie

libera che collega elementi a superficie libera. All’interno sono presenti impianti di sollevamento e

produzione di energia, e altri componenti.

OPERE DI ACCUMULO: costituite da serbatoi, con funzione di compenso tra la portata addotta e quella

erogata e con funzione di riserva per eventi eccezionali. I serbaoi possono essere interrati, seminterrati o

sopraelevati.

OPERE DI DISTRIBUZIONE: costituite da condotte e apparecchiature che, connesse idraulicamente

all’adduttrice, servono a alimentare direttamente le utenze per usi pubblici o provati.

OPERE DI DRENAGGIO URBANO: complesso dei manufatti atti a raccogliere e allontanare da insediamenti

civili le acque di origine meteorica. Sono costituiti da: Canalizzazioni (generalmente sotterranee); Manufatti

ordinari e speciali (pozzetti d’ispezione, di cacciata, caditoie, ecc.); Manufatti di controllo ambientale

(vasche volano e di prima pioggia); Impianti di trattamento delle acque. I sistemi di drenaggio possono

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essere di tipo unitario o separato.

1 Il dimensionamento è correlato al rischio cui l’ambiente è soggetto.

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Uso potabile

L’irrigazione consiste nell’elevare il contenuto idrico del terreno al fine di soddisfare le esigenze idriche

delle colture, mediante:

• Aspersione;

• Scorrimento;

• Apporti localizzati.

L’uso irriguo, come l’uso potabile, necessita di sistemi acquedottistici composti da opere:

• di Captazione;

• di Adduzione;

• di Accumulo;

• di Distribuzione. Le opere di distribuzione differiscono dal caso potabile, in quanto spesso sono canali a

superficie libera.

Uso industriale

I consumi industriali variano con la tipologia di industria e con le caratteristiche dell’impianto (ad es.

presenza di ricircolo). L’acqua è utilizzata essenzialmente:

• nei processi di raffreddamento (industrie siderurgiche, raffinerie di petrolio, chimiche, ecc.);

• nella realizzazione dei prodotti (industrie tessili, conciarie, cartiere, ecc.).

L’uso industriale richiede opere:

• acquedottistiche, differenziate solo in termini di qualità delle acque rispetto all’uso potabile e irriguo;

• di drenaggio, analoghe a quelle urbane ma con impianti di trattamento delle acque specifici per ciascuna

industria.

Produzione di energia

L’impianto idroelettrico è l’insieme delle opere civili e idrauliche, meccaniche ed elettro-meccaniche per la

trasformazione dell’energia idraulica in energia elettrica. Gli impianti idroelettrici si dividono in:

• Impianti ad acqua fluente;

• Impianti con serbatoio;

• Impianti di ripompaggio

Navigazione 4

Un porto è uno specchio d’acqua sufficientemente protetto da moto ondoso, da correnti, da venti e da

effetti di marea, all’interno del quale le navi possono svolgere operazioni di carico e scarico di merci e

passeggeri. Si distinguono in:

• Porti interni, situati lungo fiumi, canali, laghi;

• Porti esterni, affacciati direttamente sul mare.

• Per finalità si dividono in: porti commerciali, militari, rifugio, industriali, da pesca e turistici.

Opere esterne e opere interne

Il porto è costituito da:

• Opere esterne, che a loro volta si dividono in opere a parete verticale e opere a gettata.

• Opere interne, costituite da canale di accesso, imboccatura, bacino di evoluzione, darsene, banchine,

pontili.

Opere di difesa dall’acqua

Gli interventi di difesa posso essere di tipo strutturale (opere ingegneristiche) o non strutturale

(monitoraggi, manutenzione, regolamentazione uso del suolo).

Gli interventi di difesa mirano a mitigare il rischio idraulico R, dato da:

R = H * E* V

in cui • H pericolosità • E valore esposto • V vulnerabilità

bisogna considerare che il rischio idraulico è persistente e stazionario (a differenza del rischio sismico).

Generalmente, quello che andiamo a valutare, è la possibilità di esondazione, quindi dobbiamo studiare la

possibilità di un corso d’acqua di generare una certa portata.

PREVEDERE= essere consapevoli che un dato evento in un luogo può accadere. 2

PREANNUNCIO= individuare dove, quando e con quale intensità si manifesterà un evento.

Le opere di difesa riguardano litorali, terreni montani, zone di pianura ecc.

Studio dei processi idrologici e previsioni delle variabili di progetto

L’obiettivo è individuare le variabili(forzanti) di progetto. Queste vanno calcolate sulla base di dati

relativi alla situazione in esame.

La fisica che regola gli studi idrologici è molto antica, e si basa su alcune formule principali:

2 Agire in emergenza costa molto più che agire in pianificazione. Dobbiamo tener conto sia della pericolosità

ambientale sia, soprattutto, della vulnerabilità, che generiamo costruendo. Inoltre, la prova finale del funzionamento

effettivo della struttura, la si ha solo in corrispondenza di eventi catastrofici.

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-Q=ϕIA

-Darcy (1856) velocità di filtrazione V=-ki

-manning (1891) formula del moto per correnti naturali

-Rihards (1931) flusso idrico nella zona insatura (forza di CAPILLARITà)

-Horton: scoprì che il reticolo di drenaggio naturale si autostabilizza nel corso dei millenni

arrivando a saper prevedere il ruscellamento di un terreno, ossia a partire dalle caratteristiche

geomorfologiche, si riuscì a capire come studiare la portata attraverso una certa sezione di

terreno. 3

-1917: nasce il servizio idrologico italiano

A partire dagli anni ’70 emerse l’esigenza di studiare come sfruttare il ciclo idrologico (interazione

atmosfera-oceani-terre emerse) al fine si soddisfare una crescente pressione antropica.

STRUMENTI DI MISURAZIONE UTULIZZATI: pluviometri (Padova, 1725) e nivometri idrometri e

freatimetri termometri barometri, igrometri ed evaporimetri udometri, lisimetri e radiometri

L’idrologia contemporanea mira a misurazioni da remoto riferite a superfici, in modo da garantire una

comprensione più completa (processo di monitoraggio idrologico).

Negli anni 90 venne abbattuto grazie a deli studi americani un paradigma e si scoprì che vi è correlazione

tra fenomeni atmosferici e fenomeni litosferici: anche l’uomo con le sue azioni modifica delle variabili.

3 Inizialmente l’esigenza era quella di produrre energia, quindi individuare i bacini con potenziale idroelettrico. Oggi

invece l’esigenza è quella di capire quali bacini possono produrre esondazione, e bisogna ricordare che tutte le

formule sono tarate sulla base di bacini con potenziale elettrico, che però non sono quelli in grado di produrre

esondazione! 6 Va inserito un

COEFFICIENTE DI

Imprecisione degli RISCHIO; bisogna

strumenti, decisioni valutare

sul comportamento correttamente

da adottare in fase l0incertezza e

di misurazione QUANTIFICARLA

Per quantificare l’incertezza si ricorre a strumenti di natura statistica. Bisogna studiare sia come e

quali strumenti utilizzare, sia soprattutto come entrano in gioco i valori estremi nella vita

4

dell’opera.

4 Resilienza: capacità dell’opera di ripristinare le proprie condizioni iniziali dopo aver subito un trauma

7

Modelli conoscitivi a diversa scala 8

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Quando costruiamo un modello, bisogna capire se ci sono aspetti probabilistici, decidere che

impronta dare al modello e così via.

TEMPO: possiamo disporre di valori continui oppure discreti (che poi vanno integrati o mediati per

ottenere valori continui). I valori possono essere orari, giornalieri, settimanali, annuali ecc..

SPAZIO: ci si rifà al bacino imbrifero (parte dell’ambiente), in questo contesto è molto importante

5

scegliere la giusta scala.

5 Es: se studio un fluido viscoso di cui voglio studiare le dissipazioni, scelgo una scala adatta a studiare quel fenomeno.

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CICLO DELLE ACQUE

Studieremo il sistema terre emerse+atmosfera+oceani considerandolo nella scala temporale di 1

anno. Poiché il modello è a grande scala, siamo interessati solo agli aspetti macroscopici.

Es:

volume acqua nell’atmosfera=129,00 km^3

precipitazioni (km^3/anno) 119,000(terra)+458,000(oceani)0577,000

 Tr= V/P=12900/577000=0,22 anni=8,2 giorni (tempo di permanenza)

Questi dati sono molto importanti perché ci danno un’idea di quanto può permanere

un’immissione artificiale di acqua in un certo ambiente: dobbiamo intervenire dove la

perturbazione dura di meno!

Processi idrologici 11

Siamo interessati a capire quali sono i meccanismi e i flussi di scambio che interessano un ceto

volume d’interesse.

BACINO IMBRIFERO: bacino separato da uno spartiacque topografico che divide il bacino in due

parti, tali per cui l’acqua che cade all’interno rimane all’interno, mentre l’acqua che cade fuori non

defluisce all’interno.

Ipotesi di partenza: lo spartiacque topografico coincide con lo spartiacque idrogeologico, ossia

conduciamo uno studio idrologico a scala di bacino: questo comporta che lo scambio di acque

sotterranee può essere considerato trascurabile.

PROBLEMA DI COSTRUZIONE DEL MODELLO

Consideriamo l’equazione di conservazione della massa: (,)

I(x,t)-Q(t)=

Dobbiamo capire se usare un modello

stocastico o deterministico, globale o

concentrato ecc..

Ricordiamo che GLI EFFETTI

IDROGEOLOGICI DI UN BACINO SONO

SEMPRE CONCENTRATI (le sollecitazioni

sono però distribuite). Se il modello è

concentrato bisogna però tener conto che

l’andamento della portata in funzione del

tempo varia a seconda che piove solo a

monte, solo a valle o in modo uguale su

tutto il bacino.

Facciamo una prima ipotesi di lavoro:

W=KQ => Q=W/k (dove k può essere anch’esso di natura deterministica, variabile, statistica ecc..) .

Assumiamo k costante:

()

I(t)-Q(t)= => I-Q = k (MODELLO DEGLI INVASI)

Il bilancio idrico

Principio di conservazione della massa: dS / dt = I – Q (S: storage)

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Osservazione: non tutte le grandezze sono importanti allo stesso modo quando le

contestualizziamo in un certo fenomeno (es: scala temporale a evento di piena => ET -> 0; scala

temporale di un anno => ΔS -> 0) 13

L’ATMOSFERA

Bilancio idrologico

La circolazione dell'acqua in natura deve essere vista come un flusso continuo che interessa l'atmosfera, la

superficie del terreno, il sottosuolo ed il mare.

• precipitazioni atmosferiche: allo stato liquido (piogge), allo stato solido (neve e grandine), allo stato

aeriforme (alcune precipitazioni per contatto)

• terreno, ghiacciai, nevai, laghi e il mare.

•L'acqua caduta sul terreno scorre in superficie, formando corsi d'acqua, o si infiltra alimentando le falde.

Gran parte della circolazione idrica sotto forma liquida raggiunge, in ultima analisi, il mare; il ciclo di ritorno

si compie tramite il processo di evaporazione che interessa non solo il mare, ma tutti gli specchi liquidi ed il

terreno e, sotto forma di sublimazione (passaggio diretto dalla fase solida a quella gassosa), i nevai e i

ghiacciai.

Nella fase di ritorno all'atmosfera, svolge una funzione particolarmente importante la vegetazione, che da

un lato aumenta la superficie evaporante, dall' altro restituisce all'atmosfera con la traspirazione quantità

rilevanti di vapor d'acqua, pur trattenendone una parte come costituente essenziale della materia cellulare.

Circolazione atmosferica

L'atmosfera è costituita essenzialmente da un miscuglio di gas che avvolge il globo terrestre. Lo spessore

dell'atmosfera non è precisamente definibile: la sua densità, infatti, va diminuendo con l'altitudine, fino a

sfumare nel vuoto pressoché assoluto dello spazio. La massa dell'atmosfera, che è valutata pari a 5x1015

tonnellate, è contenuta, per il 75 % nei primi quindici chilometri di spessore. Anche la composizione

dell'atmosfera varia con l'altitudine: al crescere della quota, l'aria si impoverisce degli elementi più pesanti,

arricchendosi relativamente di quelli più leggeri, e già a novanta chilometri di altezza è costituita quasi

esclusivamente di idrogeno e ioni. Nei primi 10-15 chilometri (troposfera), che costituiscono la parte

dell'atmosfera interessata da moti orizzontali e verticali, la composizione dell'atmosfera secca è

praticamente uniforme e non varia con l'altitudine. In pratica in meteorologia si assume che nella

troposfera l'aria secca sia un gas perfetto di peso

molecolare 28,966.

Poiché il sole è molto distante, possiamo

considerare che i raggi siano tutti paralleli tra

loro (infinitamente lunghi). L’inclinazione

dell’asse terrestre determina cicli stagionali e

differenze di irraggiamento.

Ogni corpo dotato di temperatura emette

energia raggiante:

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LEGGE DI STEFAN-BOLTZMANN: W=σT dove σ=0,826 * 10^(-10) (Wsole=6000 K)

LEGGE DI WIEN: λmax= α/T (spettro di emissione massima, dipende dalla temperatura assoluta)

•Lo spettro di emissione del sole, è massimo per una lunghezza d'onda di circa 0,5 µm;

•Quasi la totalità dello spettro è compreso nel campo delle radiazioni a piccola lunghezza d'onda (minori di

4 µm);

•Per il 9 % nell'ultravioletto (minore di 0,4 µm), per il 68%nello spettro visibile (tra 0,4 µm e 0,92 µm) e per

il 23% nell'infrarosso (maggiore di 0,92 µm).

•L'intensità dell'irraggiamento su una superficie orizzontale prende il nome di insolazione. Si misura in

Langley (ly), pari ad una caloria su centimetro quadrato al giorno.

•Se non vi fosse l'atmosfera, l'insolazione sui punti della superficie terrestre dipenderebbe unicamente

dall'orientamento della superficie rispetto ai raggi del sole, dalla distanza della terra dal sole e dalla durata

del giorno nel punto considerato

L’atmosfera fa sì che una parte di energia venga riflessa (ALBEDO): ho una diminuzione di intensità

irraggiamento per assorbimento e diffusione.

Scaldata dal sole, la terra riemette energia radiante, pari a quella che emetterebbe un corpo nero alla

temperatura di 287 °K (14°C).

Per mantenere l'equilibrio termico ed emettere verso lo spazio tanta energia quanta ne riceve, la

temperatura della terra deve perciò raggiungere un valore molto più elevato (circa 30+40°C) di quello che

avrebbe in assenza di atmosfera. Sussiste quindi un vero e proprio effetto serra, creato dalla presenza

dell'atmosfera, che mantiene sulla superficie terrestre una temperatura tanto elevata da consentire la vita.

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l bilancio energetico deve essere in equilibrio, altrimenti la Terra e l'atmosfera andrebbero

progressivamente riscaldandosi o raffreddandosi nel tempo

•In realtà gli scambi variano sia durante il giorno, sia durante l'anno, e dipendono dal punto della

superficie terrestre che si considera.

•Assorbimento, emissione, riflessione, diffusione dipendono infatti da numerosi fattori.

•L'intensità dell''irraggiamento solare dipende dalla distanza della terra dal sole, dall'

orientamento della superficie terrestre e dallo spessore e trasparenza dell'atmosfera attraversata

dai raggi solari.

•L'energia radiante assorbita dall'atmosfera e quella dispersa nello spazio variano con la

trasparenza dell'atmosfera.

•L 'albedo varia dall' 'acqua al terreno, dalle zone ricoperte di vegetazione, alle superfici innevate

ed alla roccia nuda.

•Le regioni tropicali ricevono durante l'anno per irraggiamento solare una quantità di energia

maggiore delle zone temperate, e queste a loro volta più di quelle polari

•Si riscontra però che l'energia emess