Il deflusso (superficiale)

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1 Il deflusso (superficiale) Con il termine deflusso (superficiale) indichiamo la portata o il volume d acqua che defluisce in alveo attraverso una sezione trasversale di un corso d acqua (in genere la sezione di chiusura di un bacino). Q(t) è la portata defluente all istante t nella sezione di interesse. Dimensione L 3 /T. Le unità di misura spesso utilizzate sono m 3 /s. V D = t2 t 1 Q(t)dt è il volume attraverso la sezione di interesse nell intervallo di tempo da t 1 a t 2. Dimensione L 3, unità di misura: m 3. D = V D /A b è l altezza di deflusso ragguagliato all area A b del bacino (quando la sezione di misura coincide con la sezione di chiusura del bacino). Dimensione L, unità di misura: mm. Valutazione della risorsa. Si utilizza in genere il deflusso ragguagliato D, ma talvolta anche V D. Non ha grande interesse conoscere in dettaglio come Q(t) è distribuita negli intervalli elementari considerati (mese/stagione/anno). Valutazione delle piene. Ha interesse conoscere in dettaglio l idrogramma, ovvero come Q(t) è distribuita nel tempo durante un evento di piena, o almeno conoscere il picco di piena: la portata al colmo di piena. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 1 / 22 ) Misura di portata nella sezione di un corso d acqua Le misure delle portate nelle sezioni dei corsi d acqua vengono generalmente effettuate in modo indiretto. Si misura infatti l altezza idrometrica (del pelo libero dell acqua) rispetto al fondo dell alveo o allo zero idrometrico e si ricava la portata per mezzo di diagrammi costruiti appositamente per ciascuna sezione, che vengono chiamati scala delle portate. La scala delle portate è una curva riportata in un diagramma avente in ascissa i valori di portata e nell asse delle ordinate le corrispondenti altezze idrometriche. Quindi basta misurare le altezze idrometriche per ottenere immediatamente dalla scala delle portate il valore di portata corrispondente. La relazione portate-altezze idrometriche non è sempre biunivoca. Essa può essere influenzata dalla presenza di rigurgiti e richiami, e dalla condizione di moto vario. Inoltre la conformazione dell alveo e del corso d acqua possono cambiare nel tempo... quindi cambia anche la scala delle portate. La scala delle portate deve essere ricavata per ciascuna sezione di misura. Solo in pochi casi si può ricavare con le equazioni dell idraulica, in genere occorre ricavarla sperimentalmente attraverso misure dirette di portata. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 2 / 22 )

2 La scala delle portate o dei deflussi h h 4 h 3 h 2 h 1 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 3 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 4 / 22 )

3 Idrometri e idrometrografi Le altezze idrometriche si misurano mediante gli idrometri e gli idrometrografi: Idrometri. Sono delle aste graduate su cui si possono misurare le altezze idrometriche a partire da uno zero idrometrico fissato. Convenzionalmente a mezzogiorno un operatore legge l altezza idrometrica e la riporta su un registro. Idrometrografi. Sono degli idrometri che registrano i livelli nel tempo su supporto cartaceo. Sono costituiti da un galleggiante collegato ad un sistema di pulegge collegate ad un pennino che scrive su un nastro. Gli idrometrografi possono misurare il picco di piena. Oggi per lo più registrano su memoria digitale. Idrometri ad ultrasuoni o radar. Misurano il tempo impiegato dal segnale nel percorso dall apparecchio al pelo libero e ritorno. È opportuno riparare dalla corrente gli idrometrografi (così come gli idrometri) sia per evitare i disturbi delle eventuali onde che si producono nel canale, sia per proteggerli dagli eventi di piena. Le altezze idrometriche sono misurate rispetto allo zero idrometrico, di cui è opportuno conservare la posizione rispetto ai capisaldi, nel caso gli apparecchi vengano travolti da un evento di piena. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 5 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 6 / 22 )

4 Costruzione della scala delle portate La parte più delicata nella misura delle portate è la costruzione della scala delle portate. Le imprecisioni commesse nella costruzione di questo diagramma sono la principale fonte di errore nella misura delle portate. La scala delle portate può essere ricavata: Teoricamente dalle equazioni dell idraulica. È possibile solo in pochi casi, ad esempio realizzando opere che impongono alla corrente il passaggio per uno stato critico, ed in presenza di sezioni e profili regolari. La scelta della scabrezza è spesso fonte di incertezza. Sperimentalmente. È il caso più frequente. Occorre rilevare le portate corrispondenti a diversi livelli idrometrici. Per ogni livello idrometrico le portate si determinano sperimentalmente mediante misura diretta delle velocità della corrente in diversi punti della sezione in cui è installato l idrometro. La scala delle portate si ricava infine per interpolazione (e talvolta per estrapolazione... con grande incertezza) delle coppie di valori portate-altezze ricavati sperimentalmente. Questa procedura di costruzione della scala delle portate è lunga ed onerosa. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 7 / 22 ) Misure dirette di portata con mulinello Q = S vds S è la superficie della sezione trasversale della corrente v è la componente di velocità normale all area ds Mulinello: misura della velocità (circa puntuale) della corrente. Ne esistono diversi tipi: principalmente ad asse orizzontale o ad asse verticale. Vengono montati su pertiche per la misura da passerella o da guado, altre volte sono sospesi ad un cavo. Alcuni mulinelli forniscono direttamente la velocità della corrente v, altri la velocità angolare ω dell elica, da cui si ricava la velocità: v = a + bω. Oggi esistono anche radar per misuare le velocità. La portata viene stimata discretizzando l integrale riportato sopra: si determinano prima le portate, per unità di larghezza, q(l) = H(l) v(h, l)dh in corrispondenza 0 di un certo numero di verticali profonde H(l) e distanti l da una sponda e successivamente si calcola la portata Q = L q(l)dl, dove L è la larghezza del pelo 0 libero della corrente. Fig e 5.16: risoluzione grafica di detti integrali. Per non dover calcolare gli integrali nelle verticali per la stima di q(l), alcuni autori suggeriscono di determinare la misura di velocità media nelle verticali sollevando con velocità costante il mulinello lungo le verticali di interesse e di moltiplicarla per la profondità H(l) corrispondente. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 8 / 22 )

5 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 9 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 10 / 22 )

6 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 11 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 12 / 22 )

7 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 13 / 22 ) Annali idrologici PARTE I Sezione A: termometria Sezione B: pluviometria PARTE II Sezione A: afflussi meteorici Sezione B: idrometria Sezione C: portate e bilanci idrologici Sezione D: freatimetria Sezione E: indagini, studi ed eventi eccezionali Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 14 / 22 )

8 Deflussi: elaborazioni di base - regimi di deflusso Gli annali contengono già una pre-elaborazione dei dati di deflusso. Diagrammi cronologici dei deflussi annui. Forniscono indicazione sulla distribuzione della risorsa da un anno all altro. Informazione di base per la valutazione e gestione della risorsa, e per le analisi di siccità idrologiche. Diagrammi cronologici dei deflussi mensili. Forniscono una indicazione sulla distribuzione della risorsa da un mese all altro nell arco di un anno. Se ricavati dai deflussi mensili mediati su un numero significativo di anni, forniscono una indicazione climatologica sui regimi di deflusso. REGIMI DI DEFLUSSO In prima approssimazione seguono i regimi pluviometrici, presentando i massimi nelle stesse stagioni in cui si registrano i massimi di precipitazione. Si possono discostare dai regimi pluviometrici per varie ragioni, fra cui: permeabilità del bacino e presenza di deflusso di base: i massimi risultano smorzati, e il deflusso distribuito su periodi più ampi. scioglimento di ghiacciai/nevai nella stagione calda. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 15 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 16 / 22 )

9 Analisi dell idrogramma di piena Il deflusso superficiale: è quello che avviene nell alveo (al di sopra della superficie topografica). Il deflusso superficiale può essere osservato anche durante un periodo non piovoso. In tal caso esso è generalmente alimentato dallo scorrimento sotterraneo, è poco variabile, e segue circa una legge esponenziale: Q(t) = Q 0 exp[ α(t t 0 )] In occasione di un evento di precipitazione intensa si osserva una crescita repentina del livello idrometrico e della portata, sino al raggiungimento di un massimo, detto colmo di piena, ed in seguito una descrescita, in genere più lenta, del livello idrometrico. A questo fenomeno, dovuto alle componenti veloci del deflusso, diamo il nome di piena. Idrogramma di piena: diagramma cronologico Q(t) durante la piena. Tratti caratteristici dell idrogramma di piena: Inizio del deflusso di pioggia: la portata inizia ad aumentare quando la precipitazione cumulata diventa maggiore delle perdite iniziali. Curva di concentrazione (o di crescita) Colmo dell onda di piena Curva di esaurimento (della componente veloce) Curva di esaurimento (della componente lenta). Può anche non esservi. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 17 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 18 / 22 )

10 Componenti dell idrogramma di piena La necessità di identificare i diversi contributi o componenti del deflusso superficiale è dettata dal diverso comportamento, sopratutto cinematico, delle diverse forme di scorrimento nel bacino. Il deflusso superficiale che osserviamo su un alveo può essere alimentato da: 1 scorrimento superficiale (componente veloce) 2 scorrimento ipodermico (componente veloce) 3 scorrimento sotterraneo (componente lenta) Spesso, piuttosto che scomporre l idrogramma di piena nelle tre componenti sopra richiamate, ha interesse semplicemente separare il deflusso superficiale nelle due componenti veloce e lenta: defusso di pioggia o componente veloce (scorr. sup. + ipo.) defusso di base o componente lenta (scorr. sotterraneo) La maggior parte dei modelli di trasformazione afflussi-deflussi utilizzati nello studio delle piene descrivono soltanto la componente di deflusso di pioggia (includendo o meno il contributo dello scorrimento ipodermico) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 19 / 22 ) Separazione dei componenti dell idrogramma di piena La separazione dei componenti dell idrogramma di piena è un operazione sempre affetta da grandi incertezze. Sono stati proposti alcuni metodi grafici: 1 Nel grafico dell idrogramma si traccia una linea che congiunga il punto di inizio del deflusso di pioggia (che identifichiamo dal brusco innalzamento dell idrogramma) con il punto di fine del deflusso di pioggia (quando la curva diventa esponenziale). Questa linea separa la componente del deflusso di base (sotto la linea) da quella del deflusso di pioggia (sopra la linea). 2 Si rappresenta l idrogramma in un diagramma semilogaritmico (log Q-t). Terminato il deflusso di pioggia, l idrogramma del deflusso di base è approssimabile con una retta: ln Q = ln Q 0 αt. Prolungando questa retta all indietro nel tempo si identifica il punto corrispondente all istante del colmo e lo si unisce con il punto di inizio del deflusso di pioggia (mimando così la ricarica della falda). La parte inferiore rappresenta il deflusso di base, la parte superiore il deflusso di pioggia. Alcuni autori hanno proposto procedure di calcolo automatico, perlopiù basate sull applicazione di filtri passa-basso/passa-alto, per per la separazione del deflusso di base (basse frequenze) da quello di pioggia (alte frequenze). Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 20 / 22 )

11 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 21 / 22 ) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 6 - Deflussi ( 22 / 22 )