Relazione Idrologia degli ambienti naturali e costruiti

A A

≥

c. si osserva che: se ho un pixel canale

i ,uc s

A A

≤

se , ho un Pixel versante

i ,uc s

SOGLIA 78 21

Rete idrografica e suddivisione in sottobacini con il metodo Peuker-Douglas con soglia 78

Figure 1.20:

Questa rete è stata ottenuta imponendo una soglia di 78, generando una densità di drenaggio di circa

il 162,45% di quella della rete di riferimento. Inoltre, il territorio è stato suddiviso in 49 sottobacini.

Pochi canali nella zona centrale del bacino. E canali troppo lunghi nell’estremità sinistra.

SOGLIA 170

Rete idrografica e suddivisione in sottobacini con il metodo Peuker-Douglas con soglia 170

Figure 1.21:

Questa rete è stata ottenuta imponendo una soglia di 170, generando una densità di drenaggio di

circa il 99,4% di quella della rete di riferimento. Inoltre il territorio è stato suddiviso in 21

sottobacini. Pochi canali nella zona centrale del bacino. E canali troppo lunghi nell’estremità

sinistra 22

 SCELTA DEI SOTTOBACINI

La scelta della combinazione migliore metodo-soglia andrà eseguita considerando i seguenti fattori:

1. attinenza con la rete fornita dalla Regione Veneto (coincidenza tra gli affluenti estratti e

quelli mappati dalla Regione); −1

2. densità di drenaggio; Dd=0,3441 [ ]

km

3. numero di sottobacini (da limitare sotto i 100 per limitare il carico computazionale nelle

esercitazioni seguenti)

Soglia Peuker- Densità di drenaggio Attinenza con la rete Sottobacini

−1

Douglas fornita

[ ]

km

78 0,559 Pochi canali al centro 48

170 0,3421 Pochi canali al centro 20

Tab 1.1 Risultati metodo Peuker-Douglas

Soglia D8 Densità di drenaggio Attinenza con la rete Sottobacini

−1 fornita

[ ]

km

1100 0,3908 Pochi canali al centro 26

1300 0,3458 Pochi canali al centro 18

Tab 1.2 Risultati metodo sull’area cumulata D8

Soglia Dinf Densità di drenaggio Attinenza con la rete Sottobacini

−1 fornita

[ ]

km

65000 0,3377 Pochi canali al centro 65

75000 0,31057 Pochi canali al centro 55

Tab 1.3 Risultati metodo sull’area cumulata Dinf

Densità di drenaggio Attinenza con la rete Sottobacini

Soglia Slope Area fornita

23

23000 0,36057 Verosimile 53

26500 0,32289 Verosimile 42

Tab 1.4 Risultati metodo Slope Area 2

pendenza

Figure 1.22: Confronto rete idrografica ottenuta con la soglia sul prodotto area pari a 23000 e la rete

reale

Dal confronto delle tabelle (Tab 1.1,1.2,1.3,1.4) si comprende come il metodo Slope Area (Tab 1.4)

con una soglia di 23000 sia quello più adatto perché permette di avere una rete attinente a quella

fornita (Figure 1.22), mantenendo una densità di drenaggio circa pari a quella reale e mantenendo

anche il numero di sottobacini inferiore a 100. Sarà quindi utilizzato in seguito come base per il

modello geomorfologico.

2. Analisi di sensibilità del modello SCS per

la separazione della precipitazione

24

2.1 CONSEGNA E DATI FORNITI

Lo scopo dell’esercitazione è scomporre la precipitazione insistente sul bacino idrografico del

torrente Astico nelle componenti che alimentano i deflussi superficiale e subsuperficiale, ed il flusso

perso in profondità. Il metodo di separazione implementato nel codice fornito consiste in una

combinazione tra il metodo SCS (Soil Conservation Service) e il metodo dell’Indice φ (applicato ai

flussi di infiltrazione).

Il materiale fornito è composto da due diversi programmi: 1) input_sepdeflussi.exe legge i file di

input e li assembla in un formato leggibile da parte del secondo programma; 2) sepdeflussi.exe

legge i file preparati da input_sepdeflussi.exe e restituisce la scomposizione della pioggia totale

istante per istante per ogni sottobacino (file psubYYY.dat) e per l’intero bacino sotteso alla sezione

di chiusura (pbasin.dat); vengono inoltre riassunti i volumi totali defluiti dall’inizio alla fine

dell’evento considerato (rainvolumes.dat).

I due codici vengono eseguiti automaticamente, uno dopo l’altro, tramite lo script

SEP_DEFLUSSI.cmq

Gli input richiesti da input_sepdeflussi.exe sono:

 Informazioni sulla geometria e i sottobacini della rete estratta nell’esercitazione precedente,

nella cartella input_sepdeflussi/input/Geometry (file asticotree.dat, asticocoord.dat e

asticow.asc);

 Mappa di uso del suolo (file landsat.dat, da non modificare);

 

Caratteristiche della precipitazione osservata e Indice (file rain.dat);

 Curve Number per ogni classe di uso del suolo (file classes.dat).

25

ATTENZIONE: i file *par.dat, *tree.dat, *coord.dat, *w.dat devono essere rinominati in maniera

coerente con il nome scelto per il bacino e impostato nel file basin_name.dat. Ad esempio, quando il

bacino venga chiamato “astico” tutti i file corrispondenti dovranno essere chiamati “asticopar.dat”,

“asticotree.dat”, ecc.

I file di output di (psubYYY.dat, pbasin.dat e rainvolumes.dat) verranno generati nella cartella

sepdeflussi/output. )

Dovrà essere condotta l’analisi di sensibilità dei parametri (Curve Numbers e Indice utilizzando

il reticolo idrografico e la matrice dei sottobacini ricavati durante la precedente esercitazione. Per

ogni combinazione dei parametri esplorati si producano i seguenti grafici:

 istogrammi relativi ai volumi di pioggia ripartiti nelle tre componenti (superficiale,

subsuperficiale, persa) per i diversi sottobacini, sia in termini assoluti che in termini

percentuali;

 un grafico riportante l’andamento temporale delle tre componenti di pioggia sopra elencate

per quanto riguarda la precipitazione media all’interno dell’intero bacino;

 un grafico analogo al precedente, per almeno 2 sottobacini caratterizzati da un diverso

comportamento idrologico (selezionati in base alla mappa di uso del suolo e/o in base ai

grafici relativi alla ripartizione percentuale dei volumi piovuti).

2.2 DESCRIZIONE DEL MODELLO SCS E CN

Dato un qualsiasi evento precipitativo, il bilancio di massa del contenuto d’acqua nel sottosuolo può

essere espresso come:

( )=I ( ) ( ) ( ) ( )

+O + +ω

P t t t ET t t

Con

P(t)=portata di pioggia

I(t)=portata di infiltrazione

O(t)=portata di deflusso superficiale

ET(t)=portata di evapotraspirazione

ω(t)=portata intercettata dalla vegetazione

la pioggia che raggiunge effettivamente il suolo è Ps(t)=I(t)+O(t)

Il modello di separazione dei deflussi implementato nel codice in uso nell’esercitazione è il metodo

del Soil Conservation Service (SCS), altrimenti detto metodo del Curve Number (CN). Il modello

risale agli anni 70 ed è di natura empirica, cioè non basato sui processi fisici che regolano il

problema.

Vantaggi:

• Limitato numero di parametri; 26

• Incorpora i meccanismi di infiltrazione di Horton e di Dunne.

Svantaggi:

• Manca l’asciugatura del bacino dopo l’evento di pioggia (inadatto a valutare la risposta idrologica

di una serie di eventi in cascata);

• Natura empirica

L’ipotesi su cui si basa il modello è di origine empirica:

t t

∫ ∫

( ) ( )

O t dt I t dt

0 0

=

t S

∫ ( ) −I

P t dt

s a

0

E viene accoppiata ad un bilancio a scala di bacino.

Dove:

- O(t) è la precipitazione che defluisce superficialmente.

- I(t) è la precipitazione che si infiltra.

P

- (t) è la precipitazione totale.

s

I

- è l’astrazione iniziale.

a

- S il massimo volume infiltrabile.

Le grandezze sono integrate fino al generico tempo t quindi rappresentano dei volumi per unità di

superficie e sono espressi in [mm].

Questo modello vale solo se il volume totale di precipitazione registrato fino all’istante temporale t

I (t )

P

è maggiore dell’astrazione iniziale ( ), altrimenti tutta la pioggia si infiltra (I(t)= e

s

a

O(t)=0)

La relazione matematica fondamentale è la seguente:

t 2

∫ ( )

[ ]

P x dx−I

t s a

∫ 0

( ) =

O x t

∫

0 ( ) +

P x dx−I S

s a

0 27

Figure 2.1: Grafico modello SCS

La precipitazione che cade sul bacino si divide in infiltrazione nel terreno (I(t)) e ruscellamento

superficiale (O(t)). (Figure 2.2)

Figure 2.2: Suddivisione della precipitazione nel modello SCS

Il volume di pioggia caduto prima che si osservi deflusso superficiale (O(t)) è detto “astrazione

I

iniziale” . Tiene in considerazione fenomeni quali l’intercettazione delle piante e l’accumulo

a

in depressioni superficiali. Se il volume totale di pioggia caduto è minore dell’astrazione iniziale

non si avrà la produzione di deflusso superficiale. (Figure 2.3)

28

Figure 2.3: Astrazione iniziale

La quantità di pioggia che si può infiltrare è limitata al massimo volume (S) che il terreno può

contenere in condizioni di saturazione. Una volta raggiunto questo valore, tutta la pioggia si

trasforma in deflusso superficiale. (Figure 2.4)

Figure 2.4: Massimo volume S 25400 −254

S è una caratteristica del terreno e vale S= CN

CN dipende dalla granulometria del suolo, dal tipo di copertura e dalle condizioni iniziali di

umidità. CN è un numero adimensionale compreso tra 0 e 100 (100 non permeabile)

 SCS + Φ INDEX 29

Il modello di separazione dei deflussi integra il metodo SCS con il metodo dell’indice φ per

determinare la frazione di pioggia che si infiltra e che contribuisce comunque al deflusso

subsuperficiale (Ieff,sub).

La pioggia che cade sul bacino viene suddivisa quindi in tre componenti: ruscellamento

superficiale, deflusso subsuperficiale e deflusso profondo. Soltanto i primi due concorrono alla

formazione dell’onda di piena. (Figure 2.5)

Figure 2.5: Suddivisione delle precipitazioni secondo modello SCS e Indice Φ

2.3 DATI DI INPUT

I dati di input utilizzati sono: 30

a. la suddivisione della rete in sottobacini;

b. la mappa di utilizzo del suolo;

c. la precipitazione insistente sul bacino preso in considerazione.

I parametri utilizzati sono:

a. I CN, ovvero i Curve Number per ciascun utilizzo del suolo;

b. L'indice φ per tutto il bacino.

I risultati ottenuti in output sono:

a. La separazione della pioggia totale istante per istante nelle componenti superficiale,

subsuperficiale e persa sia nel caso dei sottobacini che per l'intero bacino;

b. I volumi defluiti superficialmente, subsuperficialmente e persi.

I file utilizzati sono i seguenti, di cui i primi tre ottenuti dal procedimento di estrazione della rete

con ArcGis:

a. asticocoord.dat, file contenente le