Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale

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1 Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale Docente: Prof. Santo Marcello Zimbone Collaboratori: Dott. Giuseppe Bombino - Ing. Demetrio Zema Lezione n. 15: Le precipitazioni (parte prima) Anno Accademico

2 Indice Le precipitazioni i temporali Lo studio delle precipitazioni La misura delle precipitazioni Pluviometri e pluviografi Pluviografi a sifone ed a bascula Manutenzione dei pluviografi Errori di misura Le reti di misurazione pluviometrica Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale Gli annali idrologici

3 Materiale didattico Slides delle lezioni frontali Greppi M.: Idrologia. Il ciclo dell acqua e i suoi effetti, Ed. Hoepli, Milano, 1999 Moisello U.: Idrologia tecnica, Ed. La Goliardica Pavese, Pavia, 1999

4 Le precipitazioni Con il termine precipitazione,, il più importante elemento di ingresso nel ciclo idrologico, si indicano gli afflussi meteorici sia liquidi (pioggia), sia solidi (neve, nevischio e grandine) Tra le precipitazioni atmosferiche le più importanti sono le piogge,, sia per la loro maggiore diffusione sulla Terra, sia per i loro apporti idrici superiori a quelli relativi alle nevi e alla grandine

5 Le precipitazioni Le precipitazioni sono causate dalla condensazione del vapore acqueo nell atmosfera (contenuto nelle nubi) che per diversi fattori raggiunge la terra La condensazione del vapore in gocce è facilitata dalla presenza di particelle microscopiche, dette nuclei di condensazione

6 Le precipitazioni Il processo di formazione della pioggia è dunque il risultato congiunto di due fenomeni: la condensazione del vapore sulla superficie di alcune goccioline di aerosol (che costituisce una nube), tenute in sospensione dalla turbolenza atmosferica la coalescenza,, ossia il fenomeno per cui una goccia incorpora altre gocce più piccole

7 Le precipitazioni E,, inoltre, necessario un continuo apporto di vapore acqueo dall esterno che contribuisce a mantenere la massa della nube Un movimento generale di aria umida verso l altol alto,, che trasporta vapore acqueo in quota, dove il vapore si condensa in goccioline estremamente fini, è pertanto condizione necessaria per assicurare il mantenimento della precipitazione una volta che il fenomeno di formazione della pioggia si è innescato

8 I temporali Un temporale è alimentato da una o più nubi cumuliformi o celle,, per la cui formazione è necessario che l atmosfera l sia instabile e che l aria l contenga un elevata quantità di vapore acqueo Il ciclo di vita di un temporale si distingue in tre fasi: formazione e sviluppo del cumulo l aria calda sale nell atmosfera, si espande e si raffredda, mentre il vapore acqueo si condensa formando la nube; grazie ad un continuo apporto di vapore acqueo con una corrente ascendente dai lati, quando le goccioline si ingrandiscono (coalescenza), cominciano a precipitare

9 I temporali maturità compresenza di una corrente ascendente (di alimentazione) e di una discendente (di precipitazione) con moti verticali che raggiungono la massima intensità dissipazione quando la corrente ascendente è cessata, si assiste all esaurimento ed al dissolvimento della nube

10 I temporali

11 Lo studio delle precipitazioni Altezza di precipitazione [mm]: altezza h alla quale si eleverebbe sul suolo lo strato di acqua caduta se questa non scorresse, non si infiltrasse e non si perdesse per evaporazione Quando si parla di altezza di precipitazione è dunque necessario specificare sempre l intervallo l di tempo in cui la precipitazione è caduta (durata, d) Durata [minuti, ore o giorni]: intervallo di tempo fra l inizio e la fine di un evento di precipitazione

12 Lo studio delle precipitazioni Se A è piccola rispetto all estensione del fenomeno si parla di altezza puntuale di precipitazione h d,a,a Intensità media di precipitazione [mm/h]: è pari al rapporto fra l altezza l di precipitazione e la durata corrispondente

13 Lo studio delle precipitazioni Intensità istantanea di precipitazione [mm/h]: è il limite di i d,a quando d 0 Il grafico che rappresenta l andamento nel tempo dell intensit intensità di precipitazione (che in pratica è sempre un intensit intensità media, calcolata su intervalli di tempo di una certa durata) prende il nome di ietogramma

14 Lo studio delle precipitazioni Tempo secco fra un evento e l altro: l tempo tra la fine di un evento di precipitazione e l inizio l di quello successivo Distribuzione nel tempo: modo in cui la precipitazione varia nel tempo

15 La misura della precipitazione Le reti di misura della precipitazione Gli strumenti utilizzati per la misura delle precipitazioni raccolgono ovviamente soltanto l acqua l caduta su una superficie molto ridotta; la principale caratteristica delle misure di precipitazione tradizionali è quindi di essere misure puntuali La stima dell altezza di precipitazione relativa ad una superficie più o meno estesa (tipico problema idrologico) può essere fatta solo a partire da misure puntuali (se si esclude la stima radar di precipitazione, ancora non disponibile in molte regioni)

16 La misura della precipitazione E quindi necessario installare parecchi strumenti di misura, la cui posizione geografica deve essere scelta con cura al fine di limitarne il più possibile il numero (problema di costo della rete per l installazione l e la sua manutenzione) Inoltre si deve tener conto che non è possibile ripetere le misure di precipitazione (come per la maggior parte delle misure idrometeorologiche) Infine la quantità di pioggia misurata dipende dalle caratteristiche dello strumento e da quelle dell ambiente circostante; quindi è necessario porre grande cura nella scelta dello strumento e del punto in cui disporlo

17 I pluviometri Sono strumenti (realizzati con un ricevitore ad imbuto munito di bordo tagliente che si appoggia su un recipiente raccoglitore) che permettono di misurare i volumi totali di pioggia,, ma non le intensità

18 I pluviometri Il Servizio Idrografico Italiano ha adottato pluviometri con bocca di diametro pari a 0,357 m (corrispondente ad una superficie di 0,1 m 2 ) Ad ogni litro di acqua raccolta corrispondono così 10 mm di altezza di precipitazione Le altezze di precipitazione misurate dai pluviometri vengono lette normalmente una volta al giorno

19 I pluviometri Il pluviometro viene installato ad un altezza dal suolo di 1,5 m circa in luogo aperto,, lontano da alberi e da fabbricati, in modo che la pioggia sia in ogni parte libera di cadere sul ricevitore del pluviometro Nelle pubblicazioni del Servizio Idrografico e Mareografico Italiano le altezze di precipitazione ai pluviometri sono misurate con la precisione di 0,2 mm

20 I pluviografi Per numerosi scopi pratici è l intensità di precipitazione necessario conoscere La registrazione dell altezza di pioggia era effettuata in passato (e talvolta ancora oggi in molti casi) in forma di grafico su un diagramma; da qui il nome di pluviografi

21 I pluviografi Il pluviografo è quindi costituito dai seguenti dispositivi: sensore (che rileva istante per istante il valore dell altezza di pioggia caduta) apparato di registrazione magnetico, memoria solida) (foglio di carta, nastro

22 Modalità di registrazione I pluviografi registrazione su striscia settimanale informazione attendibile fino alla durata di un'ora registrazione su striscia giornaliera informazione attendibile fino ad intervalli di un minuto

23 Modalità di registrazione I pluviografi registrazione digitale: si ottengono informazioni molto dettagliate sulla distribuzione della pioggia nel tempo, con risoluzioni (temporale e volumetrica) che dipendono dalla meccanica dello strumento

24 Pluviografi a sifone (o a galleggiante)

25 Pluviografi a bascula Nel pluviografo a bascula l acqua proveniente dall imbuto finisce ora nell uno ora nell altro di una coppia di piccoli recipienti, solidali ad una base basculante attorno ad un perno Man mano che il recipiente si riempie, il baricentro del sistema basculante si sposta

26 Pluviografi a bascula Una volta raggiunto un certo grado di riempimento il sistema si ribalta: sotto il tubo collegato all imbuto si presenta il recipiente vuoto, mentre quello pieno si svuota rapidamente Durante il moto del sistema si ha una perdita d acqua, che in occasione di precipitazioni intense può raggiungere il 5%

27 Manutenzione del pluviografo Un pluviografo a bascula può consentire misure affidabili di intensità di precipitazione solo se è sottoposto a manutenzione e calibrato nella maniera appropriata La calibrazione si rende necessaria in quanto nel pluviografo viene perso parte del volume di acqua di pioggia in arrivo dall imbuto durante il movimento di ribaltamento della bascula

28 Manutenzione del pluviografo Questo induce delle sottostime dell intensit intensità di pioggia, crescenti al crescere del numero di ribaltamenti della bascula nell unit unità di tempo, ossia crescenti con l intensità di precipitazione Con la manutenzione si accerta, fra l altro, l che: la bocca dello strumento sia orizzontale l imbuto e la bascula siano liberi e non intasati da detriti l eventuale vegetazione circostante non disturbi lo strumento

29 Errori di misura

30 Errori di misura Le misure di precipitazione sono soggette in misura notevole ad errori sia casuali, sia sistematici L'errore sistematico è determinato da diverse cause La più rilevante deriva dall'accelerazione, accelerazione, verticale ed orizzontale, del vento in corrispondenza del pluviometro, che devia la traiettoria delle più piccole gocce d'acqua (effetto splash) Ne deriva che la quantità d'acqua raccolta è minore della quantità d'acqua che effettivamente cade al suolo

31 Errori di misura Ulteriori cause di errore sistematico sono: acqua trattenuta dalle pareti interne del pluviometro, dell'imbuto raccoglitore o del serbatoio di raccolta evaporazione di una parte dell'acqua raccolta nel serbatoio gocce che entrano od escono dal pluviometro sotto forma di schizzi neve accumulata dal vento sopra o dentro il pluviometro

32 Stazioni meteorologiche

33 Stazioni meteorologiche Schema di una moderna centralina agrometeorologica

34 Le reti di misurazione pluviometrica Le osservazioni effettuate da un singolo pluviometro sono rappresentative di un area più o meno ristretta all intorno dello strumento Per conoscere la distribuzione delle piogge in una zona di una certa estensione è necessario installare una rete di strumenti Il numero dei pluviometri l installazione dipende da: di cui è necessaria uso delle osservazioni distribuzione spaziale delle precipitazioni

35 Le reti di misurazione pluviometrica Quanto minore è l intervallo di aggregazione temporale delle piogge areali che si intendono stimare, tanto maggiore deve essere la densità di stazioni nella rete che si sta considerando (a parità di accuratezza della stima) Pertanto, se per effettuare una stima di precipitazione media areale giornaliera può essere sufficiente un pluviometro ogni 100 km 2, per ottenere la stessa accuratezza di stima per le piogge medie areali orarie va installata una rete di densità maggiore (es.: 1 strumento ogni 10 km 2 ) La densità della rete pluviometrica italiana (tra le più fitte) è di circa 1 strumento ogni 80 km 2, quella francese è pari a 1 su 150 km 2, quella degli Stati Uniti è pari a 1 su 700 km 2

36 Le reti di misurazione pluviometrica Anche per le reti di osservazione idrometrica sono state sviluppate delle norme relative alla densità minima accettabile per la maggior parte degli obiettivi posti dalla gestione delle risorse idriche Il WMO (World Meteorological Organization) indica dei valori di densità idrometrica minima nella forma di estensione massima dei bacini monitorati: aree di pianura: km 2 aree caratterizzate da un orografia complessa: km 2

37 Le reti di misurazione pluviometrica Tuttavia la densità di una rete idrometrica è in molti casi vincolata dalla disponibilità di sezioni adeguate per ospitare stazioni di misura idrometrica Il concetto di rete integrata pluvio-idrometrica idrometrica è particolarmente importante per il caso di sistemi di previsione di piena (sistemi di monitoraggio in grado di alimentare modelli di previsione dei deflussi di piena)

38 Le reti di misurazione pluviometrica Per trasmissione dei dati si intende l invio l di informazioni alfanumeriche da una stazione remota (appartenente alla rete considerata) ad un stazione centrale di archiviazione ed elaborazione Tecnologie disponibili: linee telefoniche frequenze radio VHF/UHF e microonde satelliti geostazionari e polari

39 La scelta fra queste tecnologie dipende da molti fattori, tra cui: tempo minimo ammissibile fra acquisizione del dato presso la stazione remota e suo invio alla stazione centrale scala spaziale dell applicazione costi Le reti di misurazione pluviometrica

40 Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale In Italia la raccolta e diffusione dei dati idrometeorologici è curata attualmente dal Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN), alle dirette dipendenze della Presidenza del Consiglio dei Ministri Il Servizio fa parte, con il Servizio Dighe, il Servizio Geologico ed il Servizio Sismico, del Dipartimento per i Servizi Tecnici Nazionali

41 Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale Le attività del Servizio Idrografico sono rivolte al: rilevamento, validazione e pubblicazione di dati climatologici, idrologici, mareografici ed ondametrici studio delle risorse idriche e delle portate di piena delimitazione dei bacini idrografici e rilievo dei corsi d acqua

42 Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale Il Servizio è organizzato secondo un articolazione territoriale, comprendente la Direzione Centrale e dieci Uffici Compartimentali A questi Uffici si aggiungono quelli delle Regioni Autonome (Bolzano, Trento, Cagliari e Palermo); in alcuni Compartimenti esistono stazioni staccate (in tutto 7)

43 Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale Il SIMN cura in maniera continuativa il monitoraggio del territorio tramite: la rete idrometeorologica di telemisura in tempo reale,, attualmente costituita da circa 400 idrometri, 250 termometri e 500 pluviometri, che raccoglie anche i dati di altri Enti e di alcune Regioni la rete idrometeorologica tradizionale, costituita da circa 700 idrometri, 1200 termometri e 3100 pluviometri la rete mareografica nazionale costituita attualmente da 25 mareografi ubicati nei principali porti italiani per lo studio delle maree e delle variazioni del livello medio del mare

44 Il Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale la rete ondametrica nazionale,, basata su 8 boe ubicate in tutti i mari prospicienti la penisola la rete freatimetrica nazionale,, con oltre 300 stazioni su tutto il territorio nazionale l'archivio dei dati idrometeorologici, pubblicati e raccolti dalla rete tradizionale e di telemisura, con dati dal 1921 ad oggi e concernenti oltre 5000 stazioni di misura, di cui circa 1000 in tempo reale la rete di misura di dati chimico-fisici delle acque sorgentizie: : portate, ph e temperature

45 Gli annali idrologici Pubblicazioni fondamentali del SIMN sono gli Annali Idrologici Attualmente ogni Ufficio Compartimentale pubblica due fascicoli degli annali idrologici

46 Gli annali idrologici La parte prima si riferisce alla termometria,, alla pluviometria e alla meteorologia e contiene i seguenti elementi: termometria: massime e minime temperature giornaliere; valori medi estremi delle temperature mensili pluviometria: totali giornalieri mensili ed annuali; precipitazioni massime di 1, 3, 6, 12, 24 ore consecutive; massime precipitazioni dell'anno per periodi di più giorni consecutivi; precipitazioni di notevole intensità e breve durata; manto nevoso meteorologia: pressione atmosferica; umidità relativa; nebulosità; ; vento al suolo

47 Gli annali idrologici La parte seconda si riferisce ai dati relativi ai corsi d'acqua e contiene le seguenti tabelle riguardanti: afflussi meteorici su alcuni bacini imbriferi osservazioni idrometriche giornaliere portate e bilanci idrologici osservazioni freatimetriche trasporto torbido indagini, studi idrologici ed eventi di carattere eccezionale (in questo capitolo conclusivo vengono descritti, qualora si verifichino, i fenomeni eccezionali, come alluvioni o lunghi periodi di siccità)

48 Gli annali idrologici

49 Gli annali idrologici Pluviometria (osservazioni pluviometriche giornaliere) La Tabella I riporta, per ogni stazione, l altezza di pioggia per ogni giorno dell anno (le osservazioni sono eseguite generalmente alle 9 del mattino ed il risultato è attribuito al giorno stesso di misura), le altezze di pioggia mensili e l altezza di pioggia annuale, il numero di giorni piovosi (si considera piovoso un giorno con un altezza di pioggia uguale o superiore ad 1 mm) per ogni mese e per l intero anno

50 Pluviometria (totali annui e riassunto) Gli annali idrologici La Tabella II riporta semplicemente parte dei dati già presentati in Tab. I, mettendo in evidenza il massimo ed il minimo dei totali mensili

51 Pluviometria (precipitazioni di massima intensità) Gli annali idrologici La Tabella III riporta, per le sole stazioni munite di apparecchio registratore, i massimi annuali delle precipitazioni relativi a periodi con inizio in istanti qualsiasi, purché nell anno a cui la tabella si riferisce, e durata, rispettivamente, pari a 1, 3, 6, 12 e 24 ore

52 Pluviometria (precipitazioni di massima intensità) Il massimo di 24 ore, che si riferisce ad un periodo con inizio in un istante qualsiasi, è generalmente diverso dalla massima altezza giornaliera, di cui non può mai essere minore I massimi annuali riportati in questa tabella vengono generalmente utilizzati per la costruzione delle Curve di Probabilità Pluviometrica Gli annali idrologici

53 Pluviometria (precipitazioni massime di più giorni) Gli annali idrologici La Tabella IV riporta, per alcune stazioni opportunamente scelte, i massimi valori di precipitazione di 1, 2, 3, 4, 5 giorni consecutivi

54 Pluviometria (precipitazioni di notevole intensità) Gli annali idrologici La Tabella V riporta il valore, la durata e la data delle precipitazioni di maggiore intensità e breve durata registrate dai pluviografi La scelta delle durate e degli eventi è soggettiva Non c èc alcuna garanzia che il valore riportato per una certa durata sia il massimo dell anno e per una stessa durata possono essere riportati anche più valori tra loro diversi

55 Gli annali idrologici Pluviometria (manto nevoso) La Tabella VI riporta, per alcune stazioni e per i mesi da gennaio a maggio e da ottobre a dicembre, la quantità di neve caduta nel mese (in centimetri), il numero di giorni di precipitazione nevosa e il numero di giorni di permanenza della neve al suolo

56 Idrometria (osservazioni idrometriche giornaliere) La Tabella I riporta, per ogni stazione, le altezze idrometriche meridiane,, lette direttamente dall osservatore oppure rilevate dai diagrammi registrati in corrispondenza del mezzogiorno Gli annali idrologici

57 Idrometria (sezione C) La Sezione C presenta una tabella per ogni stazione idrometrica Ogni tabella è composta di più parti; sono riportate: le caratteristiche della stazione e del relativo bacino idrografico (Area bacino, altitudine massima e media, quota zero idrometrico, ), insieme con le altezze idrometriche e le portate massime e minime dell intero periodo di osservazione Gli annali idrologici

58 Idrometria (sezione C) le portate medie giornaliere (in m 3 /s) gli elementi caratteristici per l anno considerato e per i singoli mesi gli elementi caratteristici relativi all intero periodo di osservazione la curva di durata (compresa fra 10 e 355 giorni) la scala delle portate Gli annali idrologici