Università della Calabria

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1 Università della Calabria FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio CORSO DI IDROLOGIA Ing. Daniela Biondi SCHEDA DIDATTICA N 3 A.A

2 Cenni sulla genesi e la classificazione delle precipitazioni La nube è un aerosol formato da minute goccioline d acqua di diametro compreso tra 10 e 30 m disperse in aria pressoché satura di vapore acqueo. La precipitazione è il trasferimento di acqua in forma liquida (pioggia) o solida (neve) dall'atmosfera alla superficie terrestre. A livello dell'atmosfera la precipitazione si origina quando il vapor acqueo nelle nubi condensa attorno a nuclei di aggregazione o sublima in cristalli di ghiaccio. In condizioni normali le gocce d acqua sono mantenute in sospensione dalla turbolenza atmosferica. Quando, a causa dell'aumento delle dimensioni delle goccioline, prevalgono le forze gravitazionali le gocce di pioggia cadono al suolo (dimensioni mm). Il processo di formazione è il risultato di due fenomeni: 1) condensazione del vapore sulla superficie di alcune goccioline; 2) coalescenza fenomeno per cui una goccia incorpora una goccia più piccola. Nella prima fase del processo la causa principale è la condensazione, dopo è la coalescenza. La formazione di gocce molto grandi richiede la presenza di forti correnti ascendenti che riportano più volte in alto le gocce che stanno cadendo prolungando il percorso di caduta e permettendo un maggiore ingrandimento. La condensazione è dovuta ad una differenza di tensione di vapore : la tensione di vapore delle goccioline è inferiore alla pressione parziale di vapore dell aria della nube, quindi il vapore presente si condensa sulla loro superficie. Il meccanismo alla base della formazione delle precipitazioni è il sollevamento di masse d'aria umida, sollevandosi si raffreddano, l'umidità presente condensa e da origine alle precipitazioni. In base alle cause del sollevamento abbiamo tre diversi tipi di precipitazione: convettivo, ciclonico e orografico. Molto spesso i tre meccanismi sono combinati l'uno con l'altro. 1) precipitazioni convettive. Il sollevamento è principalmente dovuto all instabilità idrostatica. A seguito di un forte riscaldamento del suolo, l aria vicina si dilata per riscaldamento e inizia un movimento ascendente (convezione) durante il quale si espande e si raffredda sempre più. L umidità relativa aumenta finché ad una certa quota raggiunta la saturazione. Ne derivano in genere piogge brevi ed intense che interessano aree piuttosto limitate e sono tipiche di un clima caldo. 2) precipitazioni cicloniche. Nelle situazioni di tipo ciclonico prevalgono i moti ascensionali legati allo scontro di masse d'aria di caratteristiche differenti per un fenomeno di convergenza in un area di bassa pressione a terra. Lo scontro di masse d'aria di origine differente avviene lungo fronti di perturbazione ai quali sono associate estese precipitazioni. Il fronte caldo tende in genere a scorrere sopra il preesistente cuscino di aria fredda, il sollevamento origina precipitazioni piuttosto estese, di modesta intensità, non di rado anche in forma di neve. L'irruzione di un fronte freddo provoca un sollevamento repentino dell'aria calda che porta a piogge più circoscritte nello spazio ed intense, con fenomeni di tipo temporalesco. 3) precipitazioni orografiche. Sono legate alla presenza fisica di una catena montuosa che forza il flusso d'aria umida a salire per superarla. L'azione di sbarramento dovuta alle catene montuose provoca l'innalzamento delle masse d'aria umida con conseguenti abbondanti precipitazioni in prossimità dei rilievi esposti.

3 orografico

4 LA MISURA DELLE PIOGGE Con il termine precipitazione si indicano gli afflussi meteorici sia liquidi (pioggia) che solidi (neve, nevischio, grandine). L altezza di precipitazione si definisce come l altezza della lama d acqua che coprirebbe, in un determinato intervallo di tempo d, una superficie orizzontale, qualora tutta l acqua caduta sulla superficie fosse trattenuta, così da formare uno strato di spessore uniforme. Quando si parla di altezza di precipitazione è dunque necessario specificare sempre l intervallo di tempo in cui la precipitazione è caduta. L intensità di precipitazione è, invece, il rapporto tra l altezza h di precipitazione e la durata d della stessa: h i [mm/h] d Gli strumenti tradizionalmente utilizzati per la misura delle precipitazioni raccolgono ovviamente soltanto l acqua caduta su una superficie molto ridotta. La principale caratteristica delle misure di precipitazione tradizionali è quindi quella di essere misure puntuali. Per avere un idea dei volumi in gioco basti pensare che 1 mm di lama d acqua che cade su 1 m 2 equivale ad 1 litro PLUVIOMETRO Un pluviometro è un recipiente cilindrico, nella cui bocca, disposta orizzontalmente, è sistemato un imbuto raccoglitore. L acqua si raccoglie sul fondo del pluviometro, quando questo è di dimensioni tali da poter essere agevolmente maneggiato, oppure in un secondo recipiente, più piccolo disposto al suo interno. Lo scopo dell imbuto è quello di ridurre il più possibile le perdite per evaporazione. A questo scopo il foro, che è coperto da una sottile rete metallica, deve essere il più piccolo possibile. Figura 1 - Pluviometro. Il pluviometro deve essere installato a qualche metro di altezza dal suolo, in maniera che la bocca di ingresso sia perfettamente orizzontali, e posizionato distante da alberi e da pareti

5 verticali che potrebbero avere influenza sulle quantità di acqua raccolta, sia per effetto di spruzzi riflessi, sia per azione protettrice da scrosci inclinati. Il pluviometro che equipaggiava la maggior parte delle stazioni della rete del Servizio Idrografico era uno strumento a lettura diretta: un osservatore si recava allo strumento ad intervalli di tempo prefissati (24 ore) e prelevava dallo scarico sul fondo l'acqua di precipitazione accumulata, il volume d'acqua, agevolmente misurato per mezzo di un recipiente tarato, era subito trasformato in mm di pioggia caduta quando sia nota l'area della bocca dello strumento. La misura era eseguita alle 9 del mattino e il valore di precipitazione veniva attribuito al giorno della misura. I dati raccolti con questo semplice strumento non danno informazioni sull'andamento della precipitazione per intervalli di tempo inferiori al giorno. Tale scopo è conseguibile utilizzando strumenti registratori. PLUVIOMETRI REGISTRATORI O PLUVIOGRAFI Gli strumenti registratori sono pluviometri che consentono di registrare l altezza d acqua in maniera continua. Poiché spesso ciò avviene in forma di grafico su un diagramma, essi sono comunemente indicati come pluviografi. Con gli strumenti registratori è possibile rilevare l intensità degli eventi pluviometrici relativa ad una qualsiasi durata, cogliendone incrementi h = 0.2 mm. Sono qui descritti brevemente due tipi di pluviografi: il pluviografo a bascula e quello a sifone.

6 Pluviografo a bascula (tipping bucket) Il sensore a bascula è formato da una coppia di vaschette di capienza nota montate su un perno. La vaschetta accumula l'acqua in arrivo dal raccoglitore del pluviometro fino al raggiungimento del volume prefissato (vaschetta piena) in corrispondenza del quale il peso stesso dell'acqua provoca l'attivazione del meccanismo basculante, e quindi lo svuotamento della vasca ed il contemporaneo posizionamento della vasca gemella vuota sotto lo scarico del raccoglitore. Figura 2 - Pluviografo a bascula Ogni oscillazione trasmette uno scatto ad un pennino che registra la corrispondente altezza di precipitazione ( h=0.2 mm) su un rotolo di carta diagrammata montata su un tamburo ruotante controllato da un orologio.

7 Pluviografo a sifone L acqua proveniente dall imbuto raccoglitore finisce in un recipiente nel quale si è posto un galleggiante che sostiene una punta scrivente. Quando il recipiente è pieno l acqua trabocca da un sifone che una volta adescato svuota il recipiente in un tempo brevissimo. La punta scrivente lascia la traccia su una carta avvolta su un tamburo tenuto in lenta rotazione da un meccanismo ad orologeria. Lo strumento si predispone in modo tale che il sifone entri in funzione non appena la punta scrivente ha raggiunto il bordo superiore del foglio. Figura 3 - Pluviografo a sifone Pluvionivometro La misura della neve diventa di fondamentale importanza per i bacini in cui tale tipo di precipitazione non rappresenta un fatto sporadico. La nivometria si occupa anche della stima dello spessore del manto nevoso in un determinato punto, la neve può essere infatti misurata in cm di altezza oppure in mm d'acqua equivalente. Il pluvionivometro non è altro che una variante del pluviometro utilizzata per la misura dell'equivalente in acqua della precipitazione nevosa. In sostanza si provvede allo scioglimento della precipitazione nevosa o chimicamente o tramite una resistenza che scalda la bocca del pluviometro. Altri metodi per la misura puntuale delle precipitazioni solide: aste graduate: misurano la profondità della neve; snow pillow: misurano il peso del manto nevoso; a profondità della neve. È uno strumento molto diffuso negli Stati Uniti, ancora in via di sperimentazione in Italia, in cui un materasso, di materiale metallico o plastico, dello spessore di qualche cm e di superficie notevole (fino a 10 mq) viene riempito di liquido anticongelante. Il peso della neve accumulata sul materasso induce una variazione della pressione del fluido, misurabile attraverso un manometro, un trasduttore di pressione o un dispositivo galleggiante; nevometro ad ultrasuoni: una coppia di trasduttori ultrasonici in aria misura il tempo di percorrenza dell'impulso e viene compensato in base alla temperatura dell'aria.

8 Figura 4 Nevometro a ultrasuoni Cause di errori nelle misure di precipitazione Effetto del vento che devia la traiettoria delle più piccole gocce d acqua riducendo la quantità raccolta dal pluviometro rispetto a quella caduta al suolo (diminuzione variabile tra il 15% e l 80%. Fenomeno del wetting cioè dell acqua trattenuta dalle pareti interne dell imbuto raccoglitore o del serbatoio di raccolta (0.05 mm per evento) Evaporazione di parte dell acqua raccolta nel serbatoio (0.004 mm/h) Errori causati da insufficiente manutenzione degli strumenti (occlusione parziale o totale). Radar meteorologico Il radar è uno strumento che consente di rilevare la presenza di oggetti distanti, di localizzarli nello spazio e di ottenere informazioni sulla loro natura fisico-geometrica. Nel caso particolare di un radar meteorologico, tali oggetti sono tipicamente le idrometeore, siano esse gocce di pioggia oppure neve, grandine o pioggia ghiacciata. Il radar genera un impulso elettromagnetico che viene focalizzato da un antenna e trasmesso nell atmosfera (fascio radar). Gli oggetti che si trovano lungo il percorso di tale impulso elettromagnetico (le idrometeore, per esempio) diffondono nell ambiente circostante l energia elettromagnetica da cui vengono investiti. Parte di tale energia viene retrodiffusa verso il radar. L antenna ricevente riceve la radiazione retrodiffusa e la invia ad un apparecchio detto ricevitore. Tramite l analisi delle proprietà di tale segnale è possibile conseguire diverse informazioni circa l insieme delle idrometeore osservate, come la loro distanza rispetto all antenna radar, le loro dimensioni, e la loro velocità di spostamento rispetto al radar. Poiché l intensità di precipitazione è funzione del volume delle gocce e della loro velocità di caduta (funzione anch essa del diametro delle gocce), le informazioni ricavate dal radar consentono una stima indiretta dell intensità di precipitazione in atto. L antenna del radar può ruotare sia nel piano orizzontale che in quello verticale, esplorando in tal modo un vasto volume di atmosfera, ottenendo informazioni quantitative sulla struttura e la dinamica dei processi meteorologici in atto. L informazione meteorologica estratta dal segnale retrodiffuso ricevuto dall antenna radar è nota come riflettività Z. Per determinare la corrispondente intensità di precipitazione R si utilizza una relazione Z-R di conversione di forma Z=aR b. Tale relazione viene

9 determinata sulla base di misure di distribuzioni dimensionali delle gocce al suolo. I parametri a e b che figurano nella relazione possono variare da punto a punto e da un evento di precipitazione all altro, ma sono indipendenti da R. Tali coefficienti riflettono in qualche modo le caratteristiche climatologiche di una particolare località o stagione, o, più specificamente, il tipo di precipitazione (stratiforme, convettiva, orografica) per la quale sono state derivate. Il radar meteorologico ha esteso e perfezionato considerevolmente la possibilità di osservare in tempo reale, con elevata risoluzione spaziale e temporale, la struttura dei campi di precipitazione. Il suo impiego presenta alcuni sostanziali vantaggi rispetto a quanto si può ottenere con una rete di stazioni pluviometriche. Il radar meteorologico offre infatti le seguenti opportunità: visione globale, in tempo reale, dei fenomeni di precipitazione in atto su un area molto vasta (dell ordine dei km 2 ), e determinazione dell intensità di precipitazione su elementi di griglia di dimensione di 1-4 km 2 ; monitoraggio della precipitazione con continuità spaziale, e quindi possibilità di rilevare anche fenomeni estremamente localizzati; elevata frequenza temporale della osservazione (dell ordine dei 5 minuti); analisi dell andamento della precipitazione lungo la verticale; possibilità di seguire lo spostamento e l evoluzione dei fenomeni e di individuare le zone che potranno essere interessate da precipitazione nell immediato futuro. In particolare, il radar ha dimostrato una notevole efficacia nel monitoraggio dei fenomeni a spiccata caratterizzazione locale, quali, ad esempio, le celle temporalesche.

10 IL SERVIZIO IDROGRAFICO E GLI ANNALI IDROLOGICI In Italia la raccolta e la pubblicazione delle osservazioni pluviometriche è stata curata dal Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale, prima alle dirette dipendenze della Presidenza del consiglio dei Ministri, oggi delle singole Regioni, con il nome di Centro Funzionale. Il Servizio era organizzato secondo un'articolazione territoriale comprendente la direzione centrale e 10 uffici compartimentali. I singoli uffici compartimentali pubblicavano annualmente gli Annali Idrologici, che contengono in due volumi (parte prima e parte seconda), i risultati di misure e studi idrologici relativi al territorio di competenza dell'ufficio. Per gli anni più recenti, i dati sono disponibili in formato digitale.

11 Nella parte prima degli Annali sono raccolti i dati relativi a meteorologia e pluviometria; nella parte II quelli che riguardano idrometria, portate, bilanci idrologici. Le osservazioni pluviometriche sono contenute nella sezione B (Pluviometria) della parte prima. Dopo alcune brevi spiegazioni della terminologia usata e del contenuto delle tabelle seguenti, la sezione B presenta l'elenco delle stazioni pluviometriche del compartimento, raggruppate per bacini idrografici, corredato delle principali caratteristiche delle stazioni; tipo dell'apparecchio, altezza sul livello del mare, altezza della bocca dell'apparecchio sul suolo, anno dell'inizio delle osservazioni. Dopo questo elenco vengono alcune tabelle, per ciascuna delle quali si riporta, a titolo di esempio, una pagina tratta dalla parte prima dell Annale Idrologico relativo all'anno 2000 pubblicato dal compartimento di Catanzaro dell'ufficio idrografico e mareografico. La tabella I (Osservazioni pluviometriche giornaliere) riporta, per ogni stazione, l'altezza di pioggia giornaliera per ogni giorno dell'anno (le osservazioni sono eseguite generalmente alle 9 del mattino e il risultato è attribuito al giorno stesso della misura), le altezze di pioggia mensili e l'altezza di pioggia annuale, il numero, dei giorni piovosi (si considera piovoso un giorno con un'altezza di pioggia uguale o superiore a 1 mm) per ogni mese e per l'intero anno. La tabella II (Totali annui e riassunto dei totali mensili delle quantità di precipitazione) riporta semplicemente parte dei dati già presentati nella tabella 1, mettendo in evidenza il massimo e il minimo dei totali mensili. La tabella III (Precipitazioni di massima intensità registrate ai pluviografi) riporta, per le sole stazioni munite di apparecchio registratore, i massimi annuali delle precipitazioni relative a periodi con inizio in un istante qualsiasi, purché nell'anno a cui la tabella si riferisce, e durata, rispettivamente, di 1, 3, 6, 12 e 24 ore. E' il caso di sottolineare che il massimo di 24 ore, che si riferisce a un periodo con inizio in un istante qualsiasi, è generalmente diverso dalla massima altezza giornaliera, di cui non può mai essere minore. La tabella IV (Massime precipitazioni dell'anno per periodi di più giorni consecutivi) riporta, per alcune stazioni opportunamente scelte, i massimi valori delle precipitazioni di 1, 2, 3, 4 e 5 giorni consecutivi. La tabella V (Precipitazioni di notevole intensità e breve durata registrate ai pluviografi) riporta il valore, la durata e la data delle precipitazioni di notevole intensità e breve durata (generalmente inferiore o eguale a 1 ora) registrate ai pluviografi. In questo caso il criterio non è quello di scegliere il valore di pioggia massimo per una fissata durata, ma di riportare i valori particolarmente elevati. Quindi per la stessa durata si possono avere in una stazione anche due o più valori. La tabella VI (Manto nevoso) riporta, per alcune stazioni e per i mesi da gennaio a maggio e da ottobre a dicembre, l'altezza dello strato di neve presente sul suolo a fine mese, la quantità di neve caduta nel mese (in centimetri), il numero dei giorni di precipitazione nevosa e il numero dei giorni di permanenza della neve sul suolo. La parte prima degli Annali Idrologici è anche corredata, per quanto riguarda la pluviometria, da una carta delle piogge per l anno a cui il volume si riferisce, nella quale è rappresentata con il metodo delle isoiete (che sarà più avanti illustrato) la distribuzione dell'altezza di pioggia annua nel territorio di competenza del compartimento.

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19 I REGIMI PLUVIOMETRICI ITALIANI I regimi pluviometrici che si incontrano nelle diverse regioni italiane presentano in genere caratteristiche intermedie tra quelle dei due tipi estremi, il regime continentale e il regime marittimo. Il regime pluviometrico continentale è caratterizzato da un massimo di pioggia in estate e da un minimo in inverno. In Italia si ritrova solo in una stretta striscia di territorio posta lungo lo spartiacque alpino in Lombardia e nell Alto Adige. Il regime pluviometrico marittimo è caratterizzato da una distribuzione delle piogge nell arco dell anno esattamente opposta a quella del regime continentale. Il massimo si presenta in inverno e il minimo in estate. In Italia si incontra sulla costa tirrenica dalla Maremma alla Lucania, in Sicilia, in Sardegna. Come detto la maggior parte del territorio della penisola si trova in un regime intermedio. Questi regimi intermedi sono tutti caratterizzati dalla presenza di due massimi e di due minimi di pioggia. I massimi si presentano in autunno e in primavera, i minimi in estate e in inverno. Il regime sublitoraneo alpino si incontra in buona parte della pianura padana e presenta un massimo principale in autunno e una secondario in primavera e un minimo principale in inverno. Nell interno della penisola si incontra invece il regime sublitoraneo appenninico caratterizzato da un massimo principale in autunno e da un minimo principale in estate. La media della precipitazione totale annua in Italia è di circa 970 mm (quella mondiale è di circa 1500 mm). In Calabria la media è di circa 1170 mm di pioggia per anno.

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21 MISURA DELLE PORTATE La portata istantanea Q rappresenta il volume di acqua che attraversa una data sezione nell unità di tempo e viene usualmente misurata in m 3 /s. Il deflusso superficiale D corrisponde, invece, alla quantità d acqua che attraversa una certa sezione in un intervallo generico di tempo e può essere ad esempio misurato in m 3. D= t Q(t)dt Le misure dirette di portata sono decisamente laboriose ed onerose, con notevole impiego di attrezzatura e di personale come sarà brevemente descritto di seguito. Il problema del rilevamento sistematico delle portate dei corsi d acqua naturali è risolto nella pratica facendo ricorso a misure indirette più semplici ed immediate che consentono di disporre di serie lunghe e complete. In sostanza si misura il livello idrometrico, che rappresenta il livello del pelo libero, misurato rispetto ad un determinato riferimento, e da questo, sulla base di una relazione fra livelli e portate, in generale non biunivoca, si stima il dato di portata. Si assume come ipotesi semplificativa che per una data sezione di un corso d acqua esista una relazione biunivoca tra portate e livelli (scala delle portate o scala di deflusso), Q=f(h), che permette di trasformare le osservazioni di altezza d acqua in osservazioni di portata. Naturalmente la determinazione della scala delle portate richiede l esecuzione di un certo numero di misure contemporanee di livello e di portata da effettuare in alveo. Il deflusso della corrente in un corso d acqua generalmente avviene in condizioni di moto permanente, cioè in condizioni idrodinamiche costanti nel tempo, ma variabili da sezione a sezione. Ipotizzando, dunque, che il moto della corrente sia uniforme a tratti, è possibile utilizzare la nota formula di Chézy, che lega in modo univoco la portata Q all altezza h della corrente: Q A Ri dove: - A(h) = area della sezione idrica; - i= pendenza dell alveo; - R(h)= raggio idraulico (R=A(h)/P(h)); - coefficiente di scabrezza. Al coefficiente di scabrezza sono state assegnate varie espressioni da diversi autori, tra cui le più utilizzate sono quelle di Chézy, secondo la quale è una costante, e di Gauckler- 1/ 6 Stickler, che assume k s R (con k s indice di scabrezza). A partire dalla formula di Chézy, considerando che sia il raggio idraulico R che l area della sezione idrica A possono essere considerati direttamente proporzionali al tirante idrico h, si può notare come, a seconda dell espressione scelta per il coefficiente di resistenza, la portata defluente nella sezione sia proporzionale al tirante idrico secondo un prefissato esponente: 3 / 2 Q ah (Chézy) 5 / 3 Q ah (Gauckler-Stickler) b Q ah

22 Interpolando con una legge di questo tipo i punti sperimentali che rappresentano in un diagramma cartesiano, le osservazioni contemporanee di livello idrico (riferite ad uno zero idrometrico) h e portata Q è possibile tracciare la scala di deflusso che si utilizza per stimare i valori delle portate sulla base dei livelli idrometrici misurati. Le altezze idrometriche sono misurate rispetto allo zero idrometrico, che non sempre corrisponde al fondo effettivo dell alveo fluviale, di cui si conserva la posizione rispetto ai capisaldi, nel caso gli apparecchi vengano travolti da un evento di piena. Le misure sono quindi riferite a questa quota fissa, per mantenere la congruenza e la confrontabilità dei valori misurati nel tempo. La validità nel tempo della scala delle portate implica che l alveo sia stabile e la pendenza del pelo libero costante, condizioni quasi mai pienamente verificate. Il problema è complesso, in quanto possono intervenire una serie di fattori, di origine sia naturale che antropica, ad indurre modificazioni alla morfologia dell'asta fluviale, e quindi al regime idrometrico che in essa si instaura in occasione di eventi naturali estremi. E inevitabile ed indispensabile una continua verifica ed aggiornamento della scala delle portate. Un altro esempio del legame funzionale che è possibile adottare, proposta da Herschy (1985), è del tipo: Q a h h ) ( 0 b dove la costante h 0 dovrebbe avere il significato di quota del punto più depresso dell alveo rispetto allo zero idrometrico. Un problema importante che si presenta nell uso delle scale di deflusso è quello dell estrapolazione. A causa delle difficoltà di effettuare le misure durante le piene, le osservazioni di portata di fermano sempre a livelli decisamente inferiori a quelli osservati in condizioni di piena. Per determinare le portate in queste condizioni si deve necessariamente ricorrere ad una estrapolazione della scala delle portate al di fuori del campo delle osservazioni. Questa estrapolazione richiede alcune cautele. Ad esempio non è detto che l area della sezione bagnata cresca in maniera regolare al di fuori del campo a cui si riferiscono le misure, e pertanto si deve fissare il livello idrometrico minimo e massimo tra i quali è valida la scala di deflusso.

23 Stima della portata (metodo velocità-area) La portata è per definizione il flusso del vettore velocità attraverso la sezione trasversale A del corso d acqua, ed è dunque data dall espressione: Q vda A dove v è la componente del vettore velocità normale alla superficie elementare da. In particolare, la portata viene valutata con procedimenti grafici od analitici basati sui dati di velocità rilevati in campagna. Poiché a livello pratico è molto difficile determinare la velocità in ogni punto, l area della sezione trasversale viene discretizzata in un numero n di elementi. Le misure di portata si riducono di fatto ad un certo numero di misure di velocità eseguite in diversi punti, opportunamente distribuiti, della sezione liquida (ipotizzata piana, verticale e disposta ortogonalmente alla direzione generale della corrente). La procedura di lavoro consiste nel selezionare un certo numero di verticali, e per ciascuna di esse una serie di punti di assegnato passo spaziale e nel determinarne la velocità (Figura. 5.15). Le verticali sono generalmente spaziate uniformemente, al fine di fornire una rappresentazione adeguata delle variazioni di velocità lungo l orizzontale. Come regola generale, l intervallo fra due verticali non dovrebbe eccedere il 5% della larghezza dell alveo sede del flusso e la portata fra due verticali non dovrebbe eccedere il 10% della portata totale (World Meteorological Organization, 1965). Per ciascuna della verticali, distanti l dalla sponda, si determina la portata q(l) per unità di larghezza: q( l) e quindi la portata dell intera sezione (Figura. 5.16): Q L 0 H 0 v( h) dh q( l) dl

24 Il calcolo della portata di gran lunga più diffuso si basa sull approssimazione dell integrale con una sommatoria. Nella gran parte dei casi, operativamente il flusso viene suddiviso verticalmente in un certo numero di setti, per ciascuno dei quali si determinano la velocità media e la relativa superficie di competenza. Ad ogni verticale si assegna una velocità media ottenuta attraverso una misura diretta in punti interni o perimetrali all areola stessa, e la portata totale è calcolata come la somma delle portate dei singoli elementi: Q n i 1 q i n i 1 v A i i

25 Strumenti di misura della velocità idrica Lo strumento per misurare la velocità dell acqua in un punto si chiama mulinello, ed è costituito di due parti: - un equipaggio mobile che, investito dalla corrente, ruota ad una velocità che è funzione della velocità della corrente; - un dispositivo utilizzato per contare il numero di giri, che provoca la chiusura di un contatto elettrico. Il mulinello, quindi, misura la velocità della corrente nel punto in cui è immerso. La velocità si ricava in base al numero di giri dell elica in un prefissato intervallo di tempo, nota l equazione di taratura dello strumento. Il mulinello di tipo più comune è quello ad asse orizzontale o mulinello ad elica, che si dispone nella direzione della corrente.

26 Figura 4 - Mulinello ad asse orizzontale. Per ottenere la velocità media della sezione è necessario effettuare più misure distribuite su una serie di verticali lungo la sezione. La figura riporta un esempio dell andamento delle isotachie, ovvero delle linee che congiungono i punti aventi uguale velocità, nella sezione trasversale di un corso d acqua. Il tipico andamento mostra una velocità inferiore in prossimità del fondo e delle pareti e massima al centro della sezione poco sotto il pelo libero. Figura 5 - Esempio di distribuzione delle velocità in una sezione rappresentata con il metodo delle isotachie. Le misure di velocità si possono effettuare in diversi modi: i) a guado; ii) da ponte; iii) da teleferica; iv) da natante. Le misure a guado sono riservate ai casi di profondità limitate e di velocità della corrente modeste. Quando le manovre si eseguono a guado (vedi figure), si utilizza normalmente una micropertica, che si tiene verticale e appoggiata sul fondo, con il mulinello fissato in modo da poter scorrere lungo l asta.

27 Nella figura un tecnico sta eseguendo una misura di velocità della corrente di un fiume da ponte. In questo caso, il tecnico divide la sezione bagnata del corso d acqua in una serie di segmenti verticali, ed esegue una misura di profondità e di velocità in corrispondenza di ciascun segmento. Per misure in corsi d acqua di elevata dimensione, profondità e/o forte corrente, il mulinello può essere immerso nella corrente a mezzo di una sospensione a fune da teleferica, l asse del mulinello stesso si dispone nella direzione della corrente, fornendo il valore massimo della velocità del corso d acqua.

28 In entrambi i casi l apparecchio è alloggiato su un equipaggio mobile ed è dotato di opportuni contrappesi per evitare di capovolgersi appena il mulinello entra in acqua. Inifine, nelle figure che seguono è mostrata una misura di velocità tramite sensore montato su mini-natante, (trainato da teleferica in una sezione del fiume). Strumenti di misura del livello idrico: Idrometri Lo strumento di misura del livello dell acqua nei fiumi si chiama idrometro. L idrometro più semplice è l asta idrometrica. Si tratta di un asta graduata lunga abbastanza da rimanere immersa anche quando il livello è molto basso e visibile quando è eccezionalmente alto, solidamente fissata alla sponda. L asta misura il livello idrometrico rispetto ad uno zero idrometrico che dovrebbe trovarsi ad una quota tale che le misure risultino sempre positive anche in caso di magre eccezionali. In ogni caso si prende sempre nota della quota dello zero idrometrico rispetto ad un caposaldo topografico posto al sicuro dalle piene, così che in caso di distruzione dell idrometro si possa provvedere alla sua sostituzione senza dover determinare di nuovo la scala delle portate.la letture delle aste si fa generalmente una volta al giorno a ora fissa (alle 12:00). La registrazione continua dei livelli si ottiene per mezzo di strumenti automatici che prendono il nome di idrometrografi.

29 Figura 6 - Asta idrometrica. Esistono diversi tipi di sensore per questo scopo. Il più classico è l idrometro a galleggiante, che misura l altezza d acqua attraverso un galleggiante in un pozzetto di calma posto a lato del corso d acqua. Le variazioni di livello del pelo libero fanno salire e scendere il galleggiante a cui è collegata una punta scrivente che lascia traccia su una carta avvolta su tamburo rotante. Gli strumenti oggi più comunemente usati sono gli idrometri ad ultrasuoni. Il sensore utilizza un trasduttore ad ultrasuoni in grado di emettere impulsi verso la superficie del pelo libero e rilevare gli echi di ritorno. In base al tempo intercorso tra emissione e ricezione si determina la distanza da misurare.

30 Figura 7 - Idrometrografo a galleggiante. Figura 8 - Idrometro ad ultrasuoni. Sensore idrometrico a pressione Il sensore è basato su un elemento sensibile piezoresistivo al silicio che converte la pressione idrostatica in un segnale elettrico corrispondente al livello idrometrico. Unitamente all elettronica di misura è contenuto in una custodia in titanio stagna alla immersione che garantisce il massimo isolamento sia elettrico che fisico dal fluido. Per una maggiore precisione di misura il segnale emesso dal sensore è compensato in temperatura.

31 E inoltre compensato staticamente in pressione mediante un tubo pneumatico che lo collega alla atmosfera, integrato nel cavo di collegamento. Figura 9 Sensore a pressione

32 ANNALI IDROLOGICI PARTE II Le osservazioni idrometriche e di portata sono contenute nella parte seconda degli annali Idrologici. La osservazioni idrometriche sono contenute nella Sezione B (Idrometria) quelle di portata nella sezione C (Portate e Bilanci Idrologici). La sezione B riporta l elenco delle stazioni idrometriche raggruppate per bacini idrografici. Dopo questo elenco vengono diverse tabelle per alcune delle quali si riporta a titolo di esempio una pagina tratta dagli Annali Idrologici dell Ufficio Idrografico e Mareografico di Napoli. Tra le varie informazioni particolare importanza assume la tabella I (Osservazioni Idrometriche Giornaliere) che riporta le altezze idrometriche meridiane (lette a mezzogiorno). La sezione C presenta, invece, una tabella per ogni stazione composta di più parti. Oltre alle caratteristiche della stazione e del relativo bacino idrografico sono riportate la portate medie giornaliere espresse in m 3 /s. Tra le altre informazioni è fornita in forma numerica la scala delle portate.

33 Figura 10. Esempio della Tabella I della Sezione B della parte Seconda degli Annali Idrologici.

34 Figura 11. Esempio della Tabella della Sezione C della parte Seconda degli Annali Idrologici. Generalmente le scale di deflusso, numeriche o analitiche, riportate negli Annali sono variabili da un anno all altro e, a volte, anche all interno dello stesso anno. Oltre alle già citate cause naturali, le variazioni possono essere legate a cambiamenti dell ubicazione

35 dello strumento di misura o alla realizzazione di manufatti lungo l alveo tali da modificare il regime dei deflussi. In tutti questi casi si ha la modificazione dello zero idrometrico. In tali casi per rappresentare la variabilità delle curve è più appropriato definire la scala di deflusso tramite la relazione proposta da Herschy (1985).