Stima delle curve di possibilità climatica areali per la valutazione della portata di progetto relativa al fiume Panaro a Bomporto

Alma Mater Studiorum – Università di Bologna

Scuola di ingegneria e architettura

Sede di Bologna

Corso di laurea in ingegneria civile

Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali DICAM

Tesi di laurea in fondamenti di infrastrutture idrauliche

Stima delle curve di possibilità climatica areali per la valutazione della portata di progetto relativa al fiume Panaro a Bomporto

Candidato: Ferrari Mattia

Relatore: Prof.ssa Elena Toth

Anno accademico 2017/2018

Indice

• Introduzione ................................................................................................................................................ pag.3
• Capitolo 1. Studio delle precipitazioni ....................................................................................................... pag.4
• 1.1. Pluviometria ...................................................................................................................................... pag.4
• 1.2. Annali Idrologici ............................................................................................................................ pag.5
• Capitolo 2. Analisi del bacino e selezione delle stazioni pluviometriche ................................................. pag.9
• 2.1. Scelta delle stazioni pluviometriche da analizzare (attività dal 1950) ............................................. pag.9
• 2.2. Utilizzo del Programma Quantum GIS ........................................................................................ pag.10
• 2.3. Selezione delle stazioni .......................................................................................................... pag.13
• Capitolo 3. Inferenza statistica ................................................................................................................. pag.15
• 3.1. Concetti di statistica ....................................................................................................................... pag.15
• 3.2. Distribuzione di Weibull-Gumbel e stima dei parametri α e u ................................................... pag.18
• 3.3. Test di adattamento (test di Kolmogorov-Smirnov) .............................................................. pag.20
• 3.4. Tempo di ritorno e quantile .............................................................................................. pag.21
• Capitolo 4. Curve di possibilità climatica delle singole stazioni e per l’intero bacino ............................ pag.24
• 4.1. Coefficiente di ragguaglio ............................................................................................................... pag.24
• 4.2. Poligoni di Thiessen .................................................................................................................... pag.27
• 4.3. Legge di Massari ..................................................................................................................... pag.29
• 4.4. Regressione lineare ........................................................................................................... pag.31
• 4.5. Costruzione della curva di probabilità climatica dell’intero bacino.............................. pag.33
• Capitolo 5. Stima della portata critica del bacino con la formula razionale ........................................... pag.34
• 5.1. Modello di corrivazione .................................................................................................................. pag.34
• 5.2. Formula razionale e stima della portata critica .......................................................................... pag.35
• Conclusioni ................................................................................................................................................ pag.36
• Appendice A - Raccolta dati relativi alle stazioni selezionate ................................................................. pag.37
• Appendice B - Test di adattamento di Kolmogorov-Smirnov .................................................................. pag.43
• Appendice C - Curve di possibilità climatica delle singole stazioni ........................................................ pag.80
• Bibliografia e fonti web ............................................................................................................................ pag.83

Introduzione

Nell'elaborato viene determinata la linea di possibilità climatica areale del bacino del fiume Panaro chiuso a Bomporto, utile per la stima della portata di progetto. I dati relativi alle precipitazioni estreme sono ricavati dagli Annali Idrologici pubblicati dal SIMN e poi da ARPA Emilia-Romagna. Dalle tabelle presenti negli annali, è possibile ottenere le serie storiche di dati relativi alle piogge massime annuali di assegnata durata per ciascuna stazione pluviografica considerata. A partire da queste informazioni, viene stimata la curva di possibilità climatica, funzione dell’altezza di pioggia e della durata, relativa al bacino considerato per un dato tempo di ritorno. L’elaborazione e l’analisi di tale curva consente di valutare la portata critica del bacino oggetto di studio, essa è dunque alla base della progettazione e della verifica di opere idrauliche quali sistemi di drenaggio pluviali, canali, dighe, che devono essere in grado di smaltire tale flusso. La difficoltà principale di tale studio è che i fenomeni idrologici seguono un comportamento aleatorio, definibile attraverso riferimenti di matrice probabilistica.

Nella seguente trattazione vengono riportate nel dettaglio le modalità di raccolta, analisi, ed elaborazione delle informazioni utili per il conseguimento del risultato finale.

Capitolo 1. Studio delle precipitazioni

1.1. Pluviometria

Un particolare campo dell’idrologia è la pluviometria, il cui studio è rivolto alla misura delle precipitazioni atmosferiche nelle sue varie forme di pioggia, neve e grandine, attraverso i pluviometri, ovvero strumenti che misurano l’altezza d’acqua che cade su una superficie piana e impermeabile, trascurando eventuali fenomeni di evaporazione. La precipitazione viene misurata in maniera puntuale al suolo e può essere definita attraverso le seguenti caratteristiche:

• Altezza di precipitazione h: è l’altezza, in mm, della lama d’acqua che coprirebbe una superficie orizzontale, qualora tutta l’acqua caduta in un certo intervallo di tempo sulla superficie, fosse trattenuta e andasse quindi a formare uno strato di spessore uniforme;
• Durata di precipitazione d: è l’intervallo di tempo, espresso in ore, che intercorre fra l’inizio e la fine della precipitazione;
• Intensità di precipitazione media i: è il rapporto, espresso in mm/h, tra l’altezza di precipitazione e la durata corrispondente.

Il grafico che rappresenta l’andamento nel tempo dell’intensità di precipitazione, prende il nome di ietogramma.

1.2. Annali Idrologici

Le misure raccolte nelle varie stazioni pluviometriche venivano elaborate dal Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN), ente nazionale istituito nel 1912, un tempo organizzato secondo un’articolazione territoriale, comprendente la Direzione Centrale e dieci Uffici Compartimentali, a cui si aggiungevano quelli delle Regioni Autonome (Bolzano, Trento, Cagliari e Palermo). A partire dal dicembre 2003 fino al settembre 2012, si è sviluppato il “Progetto Annali” per opera dell’ISPRA (Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale), che aveva come fine la restituzione in formato digitale dei contenuti integrali degli Annali. I contenuti, disponibili dal 2005, sono ora consultabili sul portale ISPRA.

L’interfaccia del sito permette, una volta individuato il territorio di competenza, di scegliere l’anno di interesse (dal 1918), e selezionare il volume dell'Annale richiesto (Parte I o Parte II), a seconda di ciò che si vuole analizzare. La consultazione del singolo volume è facilitata dalla possibilità di muoversi agevolmente e rapidamente tra le varie pagine e di accedere in modo diretto all'indice generale o a quello delle stazioni (ove presente). È inoltre possibile la stampa e il download sia della singola pagina visualizzata che di un intero volume.

Gli Annali Idrologici risultano divisi in due parti. La parte I si riferisce alla termometria e alla pluviometria, ognuna delle quali contenente le seguenti tabelle :

• Termometria (Sezione A): massime e minime temperature giornaliere; valori medi ed estremi delle temperature mensili;
• Pluviometria (Sezione B): totali giornalieri mensili ed annuali; precipitazioni massime di 1, 3, 6,12, 24 ore consecutive; massime precipitazioni dell’anno per periodi di più giorni consecutivi; precipitazioni di notevole intensità e breve durata; manto nevoso;

La parte II si riferisce ai dati relativi ai corsi d’acqua e contiene tabelle riguardanti osservazioni idrometriche giornaliere, portate e bilanci idrologici, osservazioni freatimetriche, trasporto torbido, indagini, studi idrologici, ed eventi di carattere eccezionale, come alluvioni o lunghi periodi di siccità. Le osservazioni pluviometriche sono contenute nella sezione B della parte I. Questa sezione prevede innanzitutto spiegazioni sulla terminologia adottata e sul contenuto delle tabelle, poi presenta l’elenco delle stazioni pluviometriche raggruppate per bacini idrografici, e di cui vengono riportate le principali caratteristiche, ovvero tipo di apparecchio, quota sul livello del mare, altezza dell’apparecchio rispetto al suolo e anno d’inizio delle osservazioni.

Successivamente si trovano le seguenti tabelle illustrate.

Tabella I – Osservazioni pluviometriche giornaliere

Riporta per ogni stazione l’altezza di pioggia per ogni giorno dell’anno, le altezze di pioggia mensili e l’altezza di pioggia annuale, il numero di giorni piovosi (si considera piovoso un giorno con un’altezza di pioggia uguale o superiore ad 1 mm) per ogni mese e per l’intero anno. I dati raccolti sono riferiti alle 24 ore precedenti la misura e le osservazioni sono eseguite generalmente alle 9 del mattino. I valori di precipitazione vengono espressi in mm e riguardano sia fenomeni di pioggia sia quelli di neve fusa.

Tabella II – Totali annui e riassunti dei totali mensili della quantità delle precipitazioni

Riporta parte dei dati già presenti in Tabella I, mettendo in evidenza il massimo (in grassetto) ed il minimo (in corsivo) dei totali mensili.

Tabella III – Precipitazioni di massima intensità registrate ai pluviografi

Riporta, per le sole stazioni munite di apparecchio registratore, i massimi annuali delle precipitazioni relativi a periodi con inizio in istanti qualsiasi, purché nell’anno a cui la tabella si riferisce, e durata, rispettivamente pari a 1, 3, 6, 12, 24 ore consecutive.

Tabella IV – Massime precipitazioni dell’anno per periodi di più giorni consecutivi

Riporta i massimi valori di precipitazione di 1, 2, 3, 4, 5 giorni consecutivi.

Tabella V – Precipitazioni di notevole intensità e breve durata registrate ai pluviografi

Riporta il valore, la durata e la data delle precipitazioni di maggiore intensità e breve durata registrate dai pluviografi. La scelta delle durate e degli eventi è soggettiva. Non c’è alcuna garanzia che il valore riportato per una certa durata sia il massimo dell’anno e per una stessa durata possono essere riportati anche più valori tra loro diversi.

Tabella VI – Manto nevoso

Riporta, per alcune stazioni e per i mesi da gennaio a maggio e da ottobre a dicembre, l’altezza, in cm, dello strato di neve presente sul suolo a fine mese, la quantità di neve caduta nel mese, in cm, il numero di giorni di precipitazione nevosa e il numero di giorni di permanenza della neve al suolo.

Capitolo 2. Analisi del bacino e selezione delle stazioni pluviometriche

2.1. Scelta delle stazioni pluviometriche da analizzare (attività dal 1950)

Il Panaro è un fiume dell'Emilia-Romagna, ultimo affluente di destra e in assoluto del fiume Po. Per lunghezza totale è il terzo affluente di destra del Po dopo Tanaro e Secchia, per portata invece il quarto preceduto da questi ultimi e dalla Trebbia; il bacino preso in considerazione si estende per circa 1122 km².

Nella scelta delle stazioni che maggiormente influiscono sul bacino del fiume Panaro, si sono considerate anche tutte le stazioni poste sulla superficie del bacino a ovest di esso, ovvero del Secchia; non si sono prese invece in considerazione le stazioni poste sulla superficie del bacino a est, ovvero del Reno.

Per bacino idrografico si intende quella porzione di territorio dalla quale le acque di pioggia, o di fusione della neve, defluendo per via superficiale, si raccolgono in uno stesso corso d’acqua chiamato collettore, che nel caso in esame corrisponde al fiume Panaro.

Per ogni stazione pluviometrica nei pressi di tale bacino, si è andato a conteggiare il numero di anni, dal 1950 al 2017, in cui è risultata in attività, ovvero in quali anni sono stati raccolti i dati necessari alla compilazione della tabella III degli Annali.

Fino all’anno 1989, per tutte le stazioni pluviometriche si sono consultati gli Annali presenti sul portale ISPRA. Dal ’90 in poi si fa riferimento a degli enti che tutt’ora si occupano di redigere periodicamente gli Annali Idrologici, in cui vengono raccolti i dati di lettura delle strumentazioni pluviometriche del territorio di competenza. Per quel che riguarda la regione Emilia-Romagna, gli Annali Idrologici sono sotto il controllo dell’ente ARPA (Agenzie Regionali per la Prevenzione Ambientale), istituito nel 1998, e sono consultabili e scaricabili in formato pdf sul portale ARPA. L’interfaccia del sito permette di scegliere l’anno di interesse e selezionare il volume dell'Annale richiesto (Parte I o Parte II), a seconda di ciò che si vuole analizzare.

2.2. Utilizzo del programma Quantum GIS

Per localizzare e scegliere le stazioni, è stato utilizzato un programma denominato Quantum GIS (QGIS). Si tratta di un’applicazione desktop open source GIS (Geographic Information System) che permette di unire cartografie, eseguire analisi statistiche e gestire i dati attraverso tecnologie database. QGIS consente di far confluire dati provenienti da diverse fonti in un unico progetto di analisi territoriale. I dati, divisi in layers, sono analizzati e da essi viene creata l’immagine mappa che può essere personalizzata dall’utente. Per visualizzare la posizione delle stazioni rispetto al bacino del Panaro, il programma necessita di due file input:

• Un file vettoriale contenente lo shape del perimetro del bacino del Panaro che viene caricato tramite il comando “Layer”-“Aggiungi vettore”;
• Un file excel con estensione CSV in cui vengono caricate le coordinate delle stazioni pluviometriche dei bacini studiati e le loro caratteristiche descritte in un file messo a disposizione dal DICAM ovvero, quota sopra il livello del mare e coordinate UTM WGS84. Questo file viene caricato nel programma QGIS con il comando “Layer”- “Aggiungi Layer testo delimitato” dove si deve specificare il delimitatore delle colonne (;) e inserire le coordinate utmx e utmy delle stazioni.

Le stazioni che verranno sottoposte a una selezione per decidere quali sono le più idonee per costruire la curva di possibilità climatica sono le seguenti:

2.3. Selezione delle stazioni

Come primo passo, si è deciso di analizzare solo le stazioni le cui informazioni coprissero un numero di anni superiore a 35 nel periodo compreso tra il 1950 e il 2017.

Delle stazioni rimaste, si è focalizzata l’attenzione su quelle che risultavano interne o immediatamente prossime al bacino.

Nella selezione finale delle stazioni pluviometriche si è privilegiata la lunghezza del campione rispetto alla posizione, quindi, sebbene Strettara centrale...