Valutazione della disponibilità delle risorse idriche: metodi deduttivi

Metodi di misurazione/stima delle portate di piena

1- Diretti Se sono disponibili misure di
portata al colmo per il bacino in
studio o bacini simili, queste
possono essere elaborate
statisticamente per ricavare
l'evento di piena con un certo
tempo di ritorno Tr.
Metodo dei massimi annuali
(eventi estremi). Permette di
determinare la portata di Massima piena

2- Indiretti Se non sono disponibili misure dirette si possono
utilizzare:
- formule per ottenere la portata di piena massima vari
metodi;
- modelli Afflussi-Deflussi che permettono di valutare
la portata al colmo o l'intero andamento
dell'idrogramma di piena conseguente ad un certo
evento piovoso di data durata e Tr
Metodi analitici Permette di
determinare la portata di Massima piena,
l'idrogramma e il volume di deflusso
Metodi empirici Permette di
determinare la portata di Massima piena

Metodi indiretti per la valutazione delle variabili idrologiche

Modelli afflussi deflussi

Ripatiamo dallo schema del ciclo idrologico e concentriamoci sul termine del DEFLUSSO
SUPERFICIALE cioè di quella porzione di precipitazione che dopo aver intercettato la
superficie terrestre raggiunge rapidamente i corsi d'acqua e quindi i mari

Acqua allo stato solido, liquido e di vapore
Atmosfera
Evapotraspirazione
Precipitazione
Sublimazione
Precipitazione
Evaporazione
+
Precipitazione
Vegetazione
Evaporazione
Precipitazione
sottochioma
Copertura
nevosa e
ghiacciai
Fusione
Deflusso
superficiale.
Superficie terre emerse
Esfiltrazione
Diffusione
di vapore
Infiltrazione
Deflusso
sotto-
superficiale
Corsi d'acqua
e laghi
Suolo
Percolazione
Risalita
capillare
Trasporto
di falda
Deflusso
superficiale
Acquiferi
Oceani

Modellazione afflussi-deflussi

Modellazione afflussi-deflussi è una delle applicazioni più classiche dell'idrologia, ed ha lo
scopo, in assenza di misure di deflusso (portata), di simulare l'idrogramma di deflusso
fluviale indotto come risposta del bacino ad un corrispondente andamento pluviometrico
rappresentato da un pluviogramma o ietogramma. In questo caso l'evento di pioggia osservata o
ipotetica viene chiamato anche forzante.

• I modelli di afflussi-deflussi possono includere oltre alla pioggia anche altre variabili di input,
  come la temperatura, le informazioni sul bacino o altre.
• Nell'ambito di questo corso, studiamo modelli afflussi-deflussi allo scopo di produrre
  simulazioni di idrogrammi di lungo termine.

0
0

Principi dei modelli afflussi-deflussi

I modelli afflussi - deflussi descrivono una porzione del ciclo dell'acqua (vedi Figura 1) e quindi
il movimento di un fluido - l'acqua - e quindi si basano esplicitamente o implicitamente sulle
leggi della fisica, ed in particolare sui principi di conservazione della massa , conservazione
dell'energia e conservazione della quantità di moto.
A seconda della loro complessità, i modelli possono anche simulare le dinamiche della qualità
dell'acqua, degli ecosistemi e di altri sistemi dinamici relativi all'acqua, incorporando quindi leggi
della chimica, dell'ecologia, delle scienze sociali e così via.
I modelli sono costruiti da equazioni costitutive, ovvero formulazioni matematiche delle leggi di
cui sopra, il cui numero dipende dal numero di variabili da simulare.
Queste ultime sono le variabili di output e le variabili di stato, che potrebbe essere necessario
introdurre per descrivere lo stato del sistema. Le equazioni costitutive possono includere
parametri: sono fattori numerici nelle equazioni del modello che possono assumere valori
diversi rendendo quindi il modello flessibile. Per applicare il modello, i parametri devono essere
stimati (o calibrati, o ottimizzati, e diciamo che il modello è calibrato, parametrizzato,
ottimizzato). I parametri di solito assumono un valore fisso, ma in alcuni modelli possono
dipendere dal tempo o dallo stato del sistema.

Modelli di trasformazione afflussi-deflussi

I modelli di formazione dei deflussi si propongono di fornire una descrizione matematica dei
processi idrologici che si svolgono nel bacino idrografico, considerandolo, in analogia alla teoria
dei sistemi, come un sistema (sistema prototipo) soggetto ad un ingresso, l'intensità di pioggia, e
ad un'uscita (o risposta) rappresentata dall'andamento della portata nel tempo q(t) defluente
attraverso la sezione di chiusura.
Data la complessità dei fenomeni e delle relazioni che influenzano e descrivono il comportamento
reale di un bacino, si introduce un sistema modello che ne approssima il comportamento reale
attraverso alcune semplificazioni. La grande varietà di modelli di trasformazione afflussi-deflussi
disponibili in letteratura si può classificare in base a diversi criteri.

Classificazione dei modelli idrologici

Modelli completi

Una prima distinzione, in base al grado di completezza della schematizzazione e della descrizione
dei fenomeni che intervengono nel ciclo idrologico, può essere fatta tra modelli completi e modelli
ad equivalenza limitata. I modelli completi sono concepiti per rappresentare il comportamento del
bacino idrografico per un periodo prolungato in cui si manifestano tutte le possibili situazioni
idrologiche e, perciò, in genere, tengono conto dell'intero complesso della trasformazione afflussi-
deflussi, simulando ciascun processo fisico del ciclo idrologico.

Modelli a valenza limitata

Idrogramma di piena
I modelli a valenza limitata simulano, invece, il comportamento del bacini solo in occasione di
eventi di natura particolare. In questa categoria ricadono, ad esempio, i modelli di piena, concepiti,
appunto, per la simulazione delle piene fluviali. Durante un evento di questo genere si ritengono
trascurabili alcuni fenomeni del ciclo idrologico, per cui la struttura del modello risulta più semplice
di quella di un modello di tipo completo. L'evapotraspirazione e l'intercezione vegetale risultano in
genere irrilevanti rispetto agli altri termini del bilancio idrologico così come la componente
superficiale ha una importanza preponderante rispetto alle altre forme di deflusso.
In questa visione il fenomeno di piena risulta dovuto essenzialmente a quella parte di precipitazione
(pioggia netta), che non essendosi infiltrata dà luogo allo scorrimento sui versanti (scorrimento
superficiale) e quindi raggiunge la rete idrografica. Il volume di controllo con cui si identifica il
bacino si riduce a quello che comprende la rete idrografica ed ha base coincidente con la superficie
del suolo.

Analisi dei processi di formazione del deflusso superficiale

Un modello parte quindi dall'analisi dei processi in gioco, nella fattispecie dei processi
coinvolti nella FORMAZIONE DEL DEFLUSSO SUPERFICIALE.

P
i
1
2 .= (i-f)
insaturo
៛
deflusso superficiale
saturo
A
deflusso di base
La teoria classica di Horton (1933) attribuisce
alla superficie del suolo il ruolo di partizionare
la pioggia netta: una parte raggiunge
rapidamente la rete idrografica per deflusso
superficiale, l'altra si infiltra e si muove
lentamente come deflusso di base. In un dato
istante il terreno ha una capacità di
infiltrazione f, se su di esso insiste una pioggia
con intensità i (maggiore di f) la frazione (i-f),
detta afflusso efficace, alimenta il deflusso
superficiale. La capacità di infiltrazione
diminuisce esponenzialmente nel tempo
quindi è probabile che all'inizio dell'evento f
sia maggiore di i e di conseguenza tutta la
pioggia si infiltri nel suolo, successivamente,
quando (i-f) diviene positivo, una frazione di
essa contribuisce, su tutta la superficie del
bacino, alla produzione di deflusso superficiale

P
1
insaturo
deflusso sottosuperficiale
saturo
1
deflusso di base
Hewlett (1961) propone un meccanismo di
formazione dei deflussi che vede come
elementi fondamentali la rete idrografica e il
deflusso sottosuperficiale. La teoria prevede
una espansione dinamica delle zone di
saturazione a partire dalla prossimità degli
alvei fluviali, per questo è nota anche come
teoria dell' "area di contribuzione variabile"
Shallow soil
fo
T
insaturo
deflusso sottosuperficiale
deflusso superficiale
12
13
saturo
deflusso di base
Variable source area

Evidenze della formazione di deflusso superficiale

Ritenzione superficiale:
Acqua immagazzinata in
superficie in forma statica
Pozzanghera -permane
alla fine dell'afflusso
Deflusso superficiale generato su area
poco acclive costipata da calpestio
Detenzione
superficiale:
Acqua
immagazzinata
in superficie in
forma dinamica
Deflusso
superficiale -
cessa alla fine
dell'afflusso
Deflusso
incanalato
lungo un linea di
impluvio
occasionale.
Il deflusso si
arricchisce di
apporti sotto-
superficiali alla
base dei versanti
particolarmente in
presenza di
incisioni che fanno
emergere il flusso
sotto-superficiale.

Deflusso diretto e pioggia efficace

Precipitazione
Evaporazione
ritenzione - lungo periodo
immagazzinamento superficiale
detenzione - breve periodo
1
deflusso superficiale
infiltrazione
deflusso ipodermico (in zona normalmente insatura)
percolazione
deflusso di base
Deflusso in alveo
Dal punto di vista pratico, nell'idrologia «di progetto» si può ricorre spesso al generico termine
concettuale
"deflusso diretto" = porzione di deflusso che contribuisce alla formazione della piena dato dal
deflusso superficiale e dalla frazione più rapida del deflusso sotto-superficiale. Esso coincide con
il volume del corpo principale di una piena
In questo modo non è importante stabilire quali componenti del deflusso costituiscano il
deflusso diretto. Né è necessario optare a priori per una specifica teoria. Inoltre si introduce una
semplificazione funzionale in cui i deflussi sono solo due: deflusso diretto e deflusso di base.

Con il termine "pioggia efficace" si intende quella frazione di precipitazione che contribuisce al
deflusso diretto
E' quindi evidente l'importanza del calcolo della pioggia efficace ai fini della ricostruzione di
eventi di piena reali o della definizione della piena di progetto.
Esistono numerosi metodi per il calcolo della pioggia efficace, metodi che presentano livelli di
complessità diversi.
Molto frequente, soprattutto ai fini progettuali, è il tentativo di parametrizzare la pioggia efficace
sulle caratteristiche morfometriche, geolitologiche, pedologiche e vegetazionali del bacino.
pioggia efficace
deflusso diretto