Idrologia. Acqua che scorre sui, e attraverso, gli elementi dell ambiente

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1 Idrologia Acqua che scorre sui, e attraverso, gli elementi dell ambiente

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3 Precipitazione E la variabile più importante che pilota i processi idrologici. Si forma dal vapore acqueo in atmosfera. Quando l aria raffredda, la sua abilità di trattenere acqua diminuisce, una parte si trasforma in liquido o solido.

4 Cause delle precipitazioni

5 Meteorologia vs. Clima Meteorologia (o tempo meteorologico) (giorno per) vs. clima (anni-decadi) A cosa sono più interessati gli Idrologi? Clima e geografia portano alla classificazione dei Biomi.

6 Biomi e Precipitazioni

7 Sorgenti di umidità negli USA Sorgenti di umidità in Europa

8 Nelle aree temperate delle medie latitudini, temporali depositano grandi quantità di precipitazioni. La radiazione solare netta è minore che nell equatore per cui c è meno energia per l evaporazione. Posti con maggiore precipitazione che evaporazioni sono i panieri del Mondo. I grandi deserti del Pianeta si trovano dove il bilancio idrico è negativo. Le alte pressioni sub-tropicali stabilmente posizionate a 30 nord e sud, tengono lontane le piogge. La mancanza di nuvole porta a giorni intensamente soleggiati fornendo energia per l evaporazione.

9 Evaporazione & Traspirazione Evapotraspirazione Fig. 4.1 Evaporazione Traspirazione Superfici acqua Suoli Superfici vegetate Piante

10 Fig. 4.4 Superficie del Suolo

11 Traspirazione delle Piante Buona parte dell assorbimento dell acqua avviene nella parte superiore della zona delle radici.

12 Evaporazione annuale negli USA

13 Evapotraspirazione annuale in Europa

14 Lago salato (playa) in evaporazione con sale sulle sponde, est di Washington

15 Precipitazioni e impatti sui sistemi naturali ed antropici

16 Molte serie di dati, se plottati verso la probabilità, possono essere fittati con una retta. Questo permette di estrapolare i tempi di ritorno degli eventi fino a oltre 100 anni ( ), con una serie di dati anche di soli 20 anni. Quando questo stesso set di dati viene plottato su assi lineari, si evidenzia quanta estrapolazione è necessaria per arrivare ai 100 anni ( ).

17 Idrologia dei versanti Flusso dell acqua Processi di scorrimento: Flusso superficiale Flusso sotterraneo, Flusso di ritorno Flusso di falda

18 Fattori che influenzano i flussi d acqua nei suoli

19 Meccanismi di scorrimento superficiale (runoff) Come discusso nel capitolo meccanismi, ricordiamo Molti processi avvengono simultaneamente Tra I processi possono esserci variazioni in spazio e tempo Le condizioni di umidità precedenti sono importanti Le caratteristiche del bacino idrografico giocano un ruolo centrale

20 Flusso superficiale di Horton Questo avviene quando le precipitazioni eccedono la capacità di infiltrazione dei suoli.

21 Il tasso di infiltrazione decresce nel tempo pian piano che i pori del suolo vengono riempiti da acqua. Questo tasso di infiltrazione decresce e diventa costante alla saturazione del suolo. Dopo la saturazione, l infiltrazione è funzione della conducibilità idraulica del suolo stesso. Lo scorrimento superficiale (runoff) aumenta nel tempo perché i pori del suolo sono riempiti d acqua, riducendo la possibilità di penetrare nel terreno. A partire dalla saturazione del suolo il runoff varia con il variare delle precipitazioni.

22 Flusso superficiale di Horton Una volta si pensava fosse l'unico meccanismo di generazione di deflusso Codificato anche nei modelli idrologici utilizzati fino ad oggi. Successivamente è stato osservato il ruolo parziale dell area sorgente dove il flusso superficiale da saturazione viene prodotto.

23 Flusso superficiale di Horton Se le precipitazioni eccedono la capacità di infiltrazione dei suoli: L acqua riempie le depressioni quindi alla base del versante con il flusso superficiale troviamo delle sorgenti d acqua e può formarsi anche un torrente

24 Flusso sotterraneo Flusso all interno dei sedimenti a disopra di livelli a bassa conducibilità idraulica. Consiste in un flusso lento nella matrice, ma un veloce flusso in macropori.

25 Flusso in macropori, Valle di Tennessee, California

26 Flusso superficiale in aree sature Piove direttamente su aree già sature. Si ottiene un flusso di ritorno dai suoli saturi alla superficie nei bassi topografici e lungo le valli; dove la tavola d acqua risale id intercetta la superficie.

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28 Flusso superficiale, Tennessee Valley, California

29 Flusso superficiale, Tennessee Valley, California

30 Precipitazioni dirette nei canali fluviali Generalmente contribuiscono meno al runoff, perché?

31 Acqua di falda e zona vadosa

32 Acqua di falda Pilotate dal gradiente idraulico Q = K I A K = conducibilità idraulica A = sezione trasversale I = gradiente idraulico

33 Durante l evento di pioggia l intensità di precipitazione varia nel tempo. La pioggia di picco, cioè con l intensità maggiore, non avviene necessariamente a metà dell evento precipitativo. Per cui il picco ed il centro di massa delle precipitazioni (il punto in cui metà della precipitazione totale è caduta non corrispondono. Parte delle precipitazioni infiltrano nel suolo ed altre scorrono sulla superficie entrando nei canali, che aumentando la portata dei fiumi. Alla saturazione dei suoli, molta più acqua di precipitazione entra nei canali, finisce nelle acque di falda o scorrono nel sottosuolo. La quantità d acqua aumenta fino a raggiungere un picco, o un massimo di portata. Con il drenaggio continuo, dopo la fine delle precipitazioni, questa portata diminuisce fino a tornare ad un livello di base che rappresenta il normale deflusso dovuto alle acque sotterrane (in aree umide).

34 Poco prima dell inizio delle piogge, l unico flusso nel canale è il flusso di base, cioè acqua di falda drenata nel canale. Il reticolo idrografico è semplice di piccole dimensioni. Solo pochi tributari, normalmente i più grandi, presentano un flusso d acqua. Con le piogge l acqua comincia ad infiltrarsi ed a scorrere sotto la superficie come scorrimento sotterraneo. Molto presto quest acqua raggiunge i canali e aumenta la loro portata. Il reticolo idrografico si espande ed anche canali effimeri, normalmente vuoti, si riempiono di acqua. Al massimo delle piogge, dopo che molta acqua è caduta, i suoli delle aree più basse presso i canali si saturano, portando il reticolo idrografico ad espandersi ulteriormente. L acqua in queste aree che scorre in superficie raggiunge direttamente i canali. L acqua nelle parti più basse del bacino rifluisce in superficie come flusso di ritorno.

35 La portata di un fiume aumenta con l area del suo bacino idrografico. Più il bacino idrografico è ampio più lentamente avremo l aumento della portata, e viceversa. Gli idrogrammi di piena sono più abrupti e stretti per bacini idrografici più piccoli e con pendenze maggiori.

36 Appena dopo l inizio delle piogge, la portata aumenta sopra il livello di base (t 1 ) e si impenna sul picco (t 2 ). Quando le piogge cominciano a diminuita, diminuisce il flusso insieme alla portata ritornando al livello di base (t 3 ) Molta dell acqua che raggiunge il canale all inizio delle piogge (t 1 ) è vecchia acqua stoccata nei pori e arricchita di ioni dissolti. Dopo che le precipitazioni hanno raggiunto il massimo (t 2 ), nuova acqua che ha passato meno tempo a contatto con il terreno, e quindi più diluita, raggiunge il canale. La coda della piena riporta ad aumentale la quantità di soliti nell acqua (t 3 ). Questo comportamento delle concentrazione di soluti in funzione della portata, mostrata in grafico viene chiamato Ciclo di Isteresi della piena Quando il flusso dell acqua aumenta (t 1 ), i sedimenti non si muovono fino ad una determinata soglia di sforzo che l acqua applica estensivamente sul letto del canale. Quando i materiali sul letto del fiume cominciano a muoversi una grande quantità di materiale fine viene immessa nel flusso (t 2 ). Alla fine delle piogge, il flusso decresce, ma i sedimenti continuano per un certo tempo a muoversi nel sistema (t 3 ).

37 Bilancio idrico di un bacino idrografico Il bilancio netto tra precipitazioni ed evapotraspirazione controlla l entità del flusso superficiale e la ricarica delle acque di falda.

38 Canali alimentati o drenati Canale drenato In regioni aride i canali fluviali sono normalmente secchi. Quando piove il flusso che riempie i canali permette all acqua di infiltrarsi nel terreno ed alimentare la falda. Canale alimentato Nelle regioni umide, i canali contengono acqua. La falda ricaricata dalle precipitazioni frequenti, fornisce acqua ai canali per flusso laterale, permettendo di mantenere il livello di base.

39 Effetto dell urbanizzazione Prima dello sviluppo urbano, le piogge influenzano il rilievo, con stoccaggi differenti influenzati dalla topografia (valli e monti), infiltrano nei suoli ricchi di sostanza organica e si muovono lentamente verso i canali. L acqua infiltrata determina, con il suo lento movimento, il deflusso di base durante i periodi senza pioggia. I picchi di piena sono meno intensi ed arrivano generalmente dopo. A seguito dell urbanizzazione, le precipitazioni fluiscono velocemente nei canali con poca possibilità di infiltrarsi, per cui il livello di base è decisamente ridotto. Fluendo velocemente dalle superfici impermeabili, come un parcheggio, il runoff entra velocemente nei canali aumentando la loro portata. I picchi di piena arrivano prima con portate maggiori, maggiori rischi di esondazione e di cambiamenti geomorfologici. Esempio. Il naturale tempo di ritorno di 25 anni, diventa molto più veloce con un abbassamento a 2 anni.

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