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1 Università della Calabria FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Civile CORSO DI IDROLOGIA N.O. Prof. Pasquale Versace SCHEDA DIDATTICA N 8 A.A

2 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.

3 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 verticali che potrebbero avere influenza sulle quantità di acqua raccolta, sia per effetto di spruzzi riflessi, sia per azione protettrice da scrosci inclinati. Una delle principali causa di errore nella misura delle precipitazioni è dovuta all'azione del vento intorno alla bocca del sensore (Tab. 1), dal momento che l'aumento della velocità dell'aria e l'insorgenza di vortici nelle immediate vicinanze del pluviometro deviano le traiettorie delle gocce di precipitazione. Velocità del vento [Km/h] Sottostima della misura [%] Tabella 1- Relazione fra la velocità del vento e sottostima della precipitazione (Hydrologic Center,Christchurch ) 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. Le figure rappresentano: un pluviometro non riscaldato un pluviometro riscaldato 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.

4 Figura 2 - Nevometro ad ultrasuoni 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.

5 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. Il pluviografo è quindi costituito da: - sensore (che rileva istante per istante il valore dell altezza di pioggia caduta) - apparato di registrazione (foglio di carta, nastro magnetico) Con gli strumenti registratori è possibile rilevare l intensità degli eventi pluviometrici relativa ad una qualsiasi durata, cogliendone incrementi di h = 0.2 mm. Sono qui descritti brevemente due tipi di pluviografi: il pluviografo a basculla e quello a sifone. Pluviografo a bascula (in inglese: 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 e man mano che il recipiente si riempie il baricentro del sistema basculante si sposta. Al raggiungimento del volume prefissato (vaschetta piena), il peso stesso dell'acqua innesca l'attivazione del meccanismo basculante, che provoca lo svuotamento della vasca e il contemporaneo posizionamento della vasca gemella vuota sotto lo scarico del raccoglitore. Durante il moto del sistema si ha una perdita d acqua, che in occasione di precipitazioni intense può raggiungere il 5%. Ogni oscillazione trasmette un impulso ad una punta scrivente che registra la corrispondente altezza di precipitazione (dh=0.2 mm) su un rotolo di carta diagrammata montata su un tamburo ruotante controllato da un orologio. Quando la punta ha raggiunto il margine superiore la punta si inverte.. Figura 3 - Pluviografo a bascula. Figura 3.1 dettaglio fotografico delle vaschette basculanti

6 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 4 - Pluviografo a sifone. Figura 5 Schema grafico con i due pluviografi a confronto.

7 Al fine della predisposizione di sistemi di allerta in caso di eventi di particolare intensità si va sempre più sviluppando il sistema di teletrasmissione dei dati osservati. I dati di pioggia vengono registrati e trasmessi in tempo reale su intervalli di tempo molto brevi, anche dell ordine del minuto. pluviometro Data logger Pannello solare Figura 6 Centralina in telemisura. 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 14 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. Nella parte prima 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., mentre nella sezione A sono contenuti i dati relativi alla Termometria.

8 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 2004 pubblicato dal compartimento di Genova 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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10 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. Per livello idrometrico h (o altezza idrometrica) si intende l elevazione della superficie dell acqua al di sopra di un prefissato ed opportuno piano quotato di riferimento stabile nel tempo (zero idrometrico). 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. Esistono, infatti, numerose tecniche di misura indirette, basate su: misure di livello idrico (costruzione di scale di deflusso); misure puntuali di velocità (ricostruzione del solido di velocità); Misure di livello idrico. In sostanza si misura il livello idrometrico e da questo, sulla base di una relazione fra livelli e portate, in generale non biunivoca, si stima il dato di portata. Si assume, tuttavia, come ipotesi semplificativa che per una data sezione di un corso d acqua esista una relazione biunivoca 1 tra portate e livelli (scala delle portate o scala di deflusso), 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. Interpolando con una curva i punti sperimentali che rappresentano in un diagramma cartesiano, le osservazioni contemporanee di livello h e portata Q si traccia la scala di deflusso che si utilizza per stimare i valori delle portate sulla base dei livelli idrometrici misurati. Un esempio del legame funzionale che è possibile adottare 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. Non è necessario che le misure di portata destinate all individuazione della scala delle portate siano eseguite esattamente nella stessa sezione in cui si misurano i livelli. E infatti del tutto sufficiente che le portate nella sezione di misura si possano ritenere uguali a quelle della sezione in cui si osservano i livelli. Per questo, basta che non ci siano immissioni o perdite di portata e che la distanza fra le due sezioni sia abbastanza piccola da poter considerare uguali le portate anche in condizione di moto vario. 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. 1 Relazione biunivoca significa che per un dato livello esiste un unico valore di portata e che per una data portata esiste un unico valore di livello

11 E inevitabile ed indispensabile una continua verifica ed aggiornamento della scala delle portate e dei limiti entro cui è valida. Infatti, 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 si 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. Può essere utile confrontare l andamento della scala di deflusso con l andamento teorico di un equazione del moto ottenuta nell ipotesi di moto uniforme (es. formula di Chezy, di Gauckler- Strickler, etc.) o di moto permanente (profilo di rigurgito). Strumenti di misura del livello idrico. Lo strumento di misura del livello dell acqua nei fiumi si chiama idrometro. La sezione in cui si installa l idrometro deve essere stabile (altrimenti si perde la consistenza della scala delle portate). Nel caso di correnti lente, che sono influenzate dalle perturbazioni che vengono da valle, l idrometro non deve mai essere posto a monte di un tratto d alveo in cui sia verosimile attendersi dei cambiamenti particolarmente consistenti, dei quali si deve evitare l influenza. Per migliorare la precisione delle misure è bene scegliere una sezione in cui, a parità di variazione di portata, la variazione di livello sia particolarmente sensibile. 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. La letture delle aste si fa generalmente una volta al giorno a ora fissa (alle 12:00). L asta idrometrica può essere materialmente divisa in più segmenti separati, fissati in posizioni diverse, così che si possa seguire l escursione dei livelli senza difficoltà. 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.

12 Figura 7 - Asta idrometrica. Quando la registrazione dei livelli deve essere continua si utilizzano degli strumenti automatici, di nome idrometrografi. Questi strumenti differiscono fra loro sia per il principio su cui si basa l organo di rilevamento vero e proprio (sensore di livello), che produce un segnale variabile al variare del livello, sia per il tipo di apparecchio utilizzato per registrare le misure. Esistono, infatti, 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 asse verticale, tenuto in lenta rotazione da un meccanismo ad orologeria. Gli strumenti oggi più comunemente usati sono gli idrometri ad ultrasuoni. Il principio di funzionamento è basato su di un trasduttore a ultrasuoni che trasmette un impulso verso la superficie da misurare (la superficie liquida, in questo caso) e rileva l'eco riflessa risultante. Il tempo intercorso fra l'impulso trasmesso e l'eco ricevuta è convertito in una distanza. Il sensore deve essere compensato in temperatura, in quanto la celerità di propagazione del segnale acustico in aria dipende, fra l altro, dalla temperatura.

13 Figura 8 - Idrometrografo a galleggiante. Idrometrografo a Peschiera Idrometrografo a galleggiante Pozzo di calma per idrometrografo

14 Figura 9 - Idrometro ad ultrasuoni. dettaglio fotografico Misure di velocità. 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 = r v nda ˆ A dove v ed n sono rispettivamente il vettore velocità e il versore, concorde con il moto dell acqua, normale alla superficie nel punto considerato; A area bagnata. La ricostruzione dell andamento della componente del vettore velocità, normale alla sezione in cui si esegue la misura, viene effettuata attraverso l esecuzione di misure puntuali di velocità nei punti di una griglia con cui viene suddivisa idealmente la sezione retta. È opportuno infittire la griglia nelle zone della sezione dove più elevati sono i gradienti della velocità.

15 L integrale viene poi approssimato tramite una sommatoria, attribuendo il valore osservato nell iesimo punto della griglia ad una area opportunamente individuata intorno al punto stesso Q = v n A i, i In particolare, la portata viene valutata con procedimenti grafici od analitici basati sui dati di velocità rilevati in campagna. 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). i Strumenti di misura della velocità Le misure di velocità si eseguono generalmente con un mulinello, 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. Figura 10 - 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. Le misure di velocità si possono effettuare in diversi modi: i) a guado; ii) da ponte; iii) da teleferica; iv) da natante.

16 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. In questa figura un tecnico sta eseguendo una misura di velocità della corrente di un fiume da ponte. La lunghezza del ponte indica che il fiume è troppo largo per poter effettuare una misura a guado (come nel caso di piccoli corsi d acqua). 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. L apparecchio è alloggiato su un equipaggio mobile, a ruote, ed è dotato di contrappesi per evitare di capovolgersi appena il mulinello entra in acqua.

17 In questo caso, il mulinello viene 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. Misura di portata tramite sensore montato su mini-natante, (trainato da teleferica in una sezione del fiume) 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 11 - Esempio di distribuzione delle velocità in una sezione rappresentata con il metodo delle isotachie.

18 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 Ideologici). 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. A titolo di esempio, alcune pagine tratte dalla parte seconda dell Annale Idrologico pubblicato dal compartimento di Napoli.

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