Il bacino idrografico

Транскрипт

1 Il bacino idrografico Definizione generica: il bacino idrografico può essere definito come il luogo geometrico dove le precipitazioni meteoriche vengono raccolte e trasformate in deflussi alla sezione di chiusura. In questa trasformazione le acque di origine meteorica possono essere soggette ad evaporazione, traspirazione, infiltrazione e possono muoversi con diverse forme di scorrimento. Rete idrografica: è l insieme dei corsi d acqua di un bacino ed ha una tipica struttura ramificata. Le caratteristiche morfologiche, geologiche e botaniche del bacino controllano la trasformazione degli afflussi meteorici in deflusso. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 1 / 26 )

2 Lo scorrimento nei bacini idrografici Il moto dell acqua nei bacini viene chiamato scorrimento. Esso avviene per l azione della forza di gravità. Il deflusso superficiale osservato nell alveo di un corso d acqua può essere alimentato da tre tipi di scorrimento: Scorrimento superficiale: avviene sopra la superficie topografica lungo le linee di massima pendenza. Le velocità sono dell ordine di m s 1. Scorrimento sotterraneo: avviene nelle falde che si formano sopra strati impermabili del sottosuolo. È alimentato dall acqua che si è infiltrata ed ha percolato (verticalmente) sino alla falda. Il moto avviene in condizioni di saturazione. Le velocità sono dell ordine di m s 1 nelle sabbie e di m s 1 nelle argille. Scorrimento ipodermico: avviene nello strato più superficiale del sottosuolo, se questo presenta una permeabilità maggiore dello suolo sottostante. Il moto avviene in condizioni non sature. Le velocità sono talvolta paragonabili a quelle dello scorrimento superficiale difficoltà nel separare le due componenti Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 2 / 26 )

3 Definizione di bacino idrografico La definizione ed il tracciamento di un bacino idrografico è sempre relativa ad una sezione di chiusura del bacino, posta su un corso d acqua. Fissata la sezione di chiusura, si definisce bacino idrografico (superficiale) o bacino imbrifero la superficie topografica dalla quale le acque di pioggia, defluendo naturalmente, attraversano la sezione di chiusura. Il bacino idrografico viene tracciato su carta topografica con curve di livello seguendo gli spartiacque. bacino idrografico (superficiale) o bacino imbrifero bacino idrografico sotterraneo o bacino idrogeologico I due bacini possono non coincidere planimetricamente. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 3 / 26 )

4 Caratteristiche di un bacino idrografico Caratteristiche morfometriche (o topografiche) dimensioni planimetriche forma rilievo pendenza del bacino e dell asta principale (organizzazione del reticolo fluviale) tempo di corrivazione, linee isocorrive, curva area-tempi ritardo Caratteristiche geologiche Caratteristiche botaniche Caratteristiche geografiche Caratteristiche indotte da modificazioni antropiche Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 4 / 26 )

5 Il bacino idrografico Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 5 / 26 )

6 Il bacino idrografico Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 6 / 26 )

7 Caratteristiche morfometriche: dimensioni planimetriche Area A b : superficie della proiezione orizzontale del bacino idrografico Perimetro P: lunghezza della proiezione orizzontale di tutto il contorno del bacino idrografico Lunghezza dell asta (fluviale) principale L a : misurata attraverso il percorso idraulicamente più lungo (ovvero temporalmente più lungo) partendo dallo spartiacque sino alla sezione di chiusura. L asta (fluviale) principale identifica il percorso dell acqua più importante, lungo il quale dovrebbero anche defluire le portate maggiori. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 7 / 26 )

8 Caratteristiche morfometriche: forma Rapporto di circolarità: R c = 4πA b P 2 = 12.6 A b P 2 P Rapporto di uniformità: R u = 2 = 0.28 P πa b Ab Fattore di forma: R f = A b L 2 a Rapporto di allungamento: R a = 2 A b L a π = 1.13 Ab L a = equivalenze: R 2 u = R 1 c e R 2 a = R f 4/π Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 8 / 26 )

9 Caratteristiche morfometriche: rilievo Altezza media: z = 1 Ab zda A b 0 Altezza mediana è l altezza z 50 tale che il 50 % della superficie del bacino ha una quota z > z 50 e il restante 50 % della superficie del bacino ha una quota z < z 50 Curva ipsografica: è un diagramma rovesciato in cui nelle ascisse sono rappresentate le aree del bacino aventi elevazioni maggiori delle quote z riportate nelle ordinate. Rilievo: z max differenza di quota fra il punto più elevato dello spartiacque e la sezione di chiusura del bacino. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 9 / 26 )

10 Caratteristiche morfometriche: pendenza del bacino Metodo di Alvard-Horton: i b = zl A b z differenza di quota fra le curve di livello L lunghezza dello sviluppo totale delle curve di livello ( z costante) l j lunghezza isoipsa j-esima d j distanza media fra isoipsa j-esima e (j + 1)-esima i j = z d j i m = j = zl j d j l j i j A j A b =... = zl j A j Metodo del reticolo: si sovrappone un reticolo a maglie quadrate regolari su una carta topografica. Per ogni nodo del reticolo si individuano le due curve di livello più vicine, e si misura la minima distanza d j fra queste due curve. Si calcola: i j = z d j i b = 1 N N è il numero di nodi del reticolo che ricadono all interno del bacino N j i j Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 10 / 26 )

11 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 11 / 26 )

12 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 12 / 26 )

13 Caratteristiche morfometriche: pendenza asta principale Pendenza media dell asta principale - I: im = L a ik l k k dove l k e i k sono la lunghezza e la pendenza del k-esimo tratto elementare dell asta principale. (È ricavata ipotizzando moto uniforme assolutamente turbolento per ciascuno di questi tratti: U k i k ) Pendenza media dell asta principale - II (poco utilizzata): i m = z max L dove z max è ora la differenza di quota fra il punto più elevato dell asta principale (posto nello spartiacque) e la sezione di chiusura del bacino Pendenza media dell asta principale - III (poco utilizzata): retta di compenso (Figura 3.8) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 13 / 26 )

14 Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (I) Tempo di corrivazione: si può definire, ed associare ad ogni punto del bacino, il tempo impiegato da una goccia che cade in quel punto a raggiungere la sezione di chiusura. (questo tempo viene considerato una costante dipendente solo dal punto e non dalle condizioni di moto). Tempo di corrivazione del bacino: è il tempo impiegato da una goccia che cade nel punto idraulicamente più lontano a raggiungere la sezione di chiusura. È il massimo tempo di corrivazione fra tutti i punti del bacino. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 14 / 26 )

15 Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (II) Formule per il calcolo del tempo di corrivazione del bacino t c [ore]: Soil Conservation Service: t c = (1000L a ) 0.8 [(1000/CN) 9] 0.7 i 0.5 b Ventura: t c = Ab i m Pasini: t c = im (A b L a ) 1/3 Giandotti: t c = 4 A b + 1.5L a 0.8 z m z 0 Viparelli: t c = L a 3.6V A b = area bacino [km 2 ] L a = lunghezza dell asta principale del bacino [km] V = velocità media di scorrimento superf. [m/s]: si può porre m/s z m = quota media del bacino [m.s.l.m.] z 0 = quota della sezione di chiusura del bacino [m.s.l.m.] i m = pendenza media dell asta principale del bacino [-] i b = pendenza media percentuale del bacino [-] CN = Curve Number del Soil Conservation Service [-], compreso fra 0 e 100 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 15 / 26 )

16 Caratteristiche morfometriche: linee isocorrive Linee isocorrive: luogo dei punti aventi lo stesso tempo di corrivazione. Il tracciamento delle linee isocorrive richiederebbe il calcolo e la determinazione del tempo di corrivazione per ogni punto del bacino. Si ricorre a metodi semplificati. Metodo 1 (Viparelli, 1961). Le isocorrive si considerano coincidenti con le curve di livello. Il tempo di corrivazione di ciascuna isocorriva è proporzionale alla differenza di quota fra la isoipsa corrispondente e la sezione di chiusura. La costante di proporzionalità è t c / z max, dove t c è il tempo di corrivazione del bacino e z max il rilievo. Metodo 2. Tempo di corrivazione proporzionale alla distanza fra il punto considerato e la sezione di chiusura. Le isocorrive sono archi di cerchio con centro nella sezione di chiusura. Metodo 3. Tempo di corrivazione proporzionale alla lunghezza del percorso compiuto dalla goccia d acqua che cade nel punto per raggiungere la sezione di chiusura. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 16 / 26 )

17 Caratteristiche morfometriche: curva area-tempi Curva area-tempi: caratterizza il comportamento cinematico del bacino. È una curva monotona crescente. Ascissa: i diversi tempi di corrivazione dei punti del bacino. L intervallo delle ascisse è compreso fra 0 e il tempo t c di corrivazione del bacino. Ordinata: le aree del bacino aventi tempi di corrivazione minori o uguali ai corrispondenti tempi letti in ascissa. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 17 / 26 )

18 Caratteristiche morfometriche: ritardo del bacino Ritardo del bacino: è l intervallo di tempo fra i baricentri dello ietogramma di pioggia e l idrogramma dei deflussi di piena nella sezione di chiusura. Ietogramma: grafico delle altezze o intensità di precipitazione in funzione del tempo. Idrogramma: grafico delle portate (o altezze) di deflusso in funzione del tempo. h(t) i(t) Q(t) t t Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 18 / 26 )

19 Altre caratteristiche dei bacini Le caratteristiche geologiche (suoli permeabili/impermeabili, rocce compatte o sciolte) influenzano i seguenti processi: infiltrazione scorrimento sotterraneo trasporto solido Le caratteristiche della vegetazione influenzano i seguenti processi: infiltrazione (aumenta con la vegetazione) ripartizione fra scorrimento superficiale e sotterraneo evapotraspirazione resistenza all erosione (trasporto solido) Le caratteristiche geografiche influenzano i seguenti processi: climi continentali e marittimi regimi di precipitazione evaporazione e evapotraspirazione (quota e latitudine) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 19 / 26 )

20 Geomorfologia fluviale La geomorfologia fluviale studia i processi di evoluzione del bacino, in particolare: evoluzione della morfologia dei bacini e degli alvei trasporto solido (carico di fondo, carico sospeso e misto) stabilità dei corsi d acqua... interrimento dei serbatoi.... ma non è oggetto di questo corso. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 20 / 26 )

21 Bilanci idrologici nei bacini Equazione generale di continuità (conservazione, bilancio) per un volume di controllo (serbatoio, bacino): dv dt = Q e (t) Q u (t) [L 3 T 1 ] t t = tempo [T] V (t) = volume invasato all istante t [L 3 ] Q e (t) e Q u (t) = portata entrante e uscente all istante t [L 3 T 1 ] Spesso si scrive l equazione di bilancio per un assegnato periodo di tempo t (es. giorno, mese, anno). Questo equivale ad integrare nell intervallo t: V = t0+ t t 0 t0+ t Q e (τ)dτ Q u (τ)dτ = V e V u [L 3 o L ( ) ] t 0 V = variazione del volume invasato nell intervallo t [L 3 o L ( ) ] V e e V u = volume entrato e uscito nell intervallo t [L 3 o L ( ) ] ( ) se i termini del bilancio sono divisi per l area A b del bacino. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 21 / 26 )

22 Bilancio superficiale del bacino In un bacino idrografico, il bilancio superficiale per un assegnato intervallo di tempo t (es. giorno, mese, anno) può essere così scritto: V s = P Q s + Q g E T I [L }{{} 3 o L] ET dove tutte le grandezze devono essere riferite allo stesso intervallo t: V s = variazione del volume invasato superficialmente (intercezione della vegetazione, depressioni superficiali, canalizzazioni della rete idrografica, invasi superficiali) P = afflusso meteorico (precipitazione) Q s = deflusso superficiale nella sezione di chiusura (tre componenti: alimentate da scorrimento superficiale, sotterraneo, ipodermico) Q g = deflusso proveniente dal sottosuolo (componente sotterranea + ipodermica) riaffiorato a monte della sezione di chiusura E = evaporazione dalla superficie del suolo e degli specchi d acqua T = traspirazione della vegetazione I = infiltrazione Il bilancio può essere scritto facendo riferimento anche ad altri volumi di controllo (bilancio sotterraneo, bilancio totale) Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 22 / 26 )

23 Perdite nel bilancio del bacino Q s = Q g + P V s E T I [L }{{} 3 o L] ET Si classifica come perdita quella parte dell afflusso meteorico P che non contribuisce al deflusso Q s. Riferendosi alla equazione del bilancio si hanno le seguenti perdite: Volumi immagazzinati V : a) Intercezione: acqua che non raggiunge il suolo perchè trattenuta dalla vegetazione b) Detenzione superficiale: acqua necessaria a bagnare le superfici (velo d acqua che scorre sul terreno) c) Depressioni superficiali: acqua immagazzinata nelle depressioni del terreno (piccoli avallamenti... zone paludose) d) Volumi invasati nella rete idrografica: nei corsi d acqua, nei laghi naturali o artificiali Evaporazione: E Traspirazione T o meglio Evapotraspirazione: ET (=E + T ) Infiltrazione: I Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 23 / 26 )

24 Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 24 / 26 )

25 Definizioni della pioggia depurata da alcune perdite Pioggia meteorica: è la pioggia che arriva in prossimità del suolo e della vegetazione, in seguito ai diversi meccanismi microfisici in atmosfera che danno origine alla precipitazione. Pioggia efficace = pioggia meteorica - intercezione della vegetazione. Pioggia eccedente= pioggia efficace - infiltrazione. Pioggia netta: 1) Quella parte di pioggia che contribuisce al deflusso nella sezione di chiusura, scorrendo sempre in superficie (pioggia eccedente - evapotraspirazione - volumi invasati nella rete e nelle depressioni). Solo scorrimento superficiale. 2) Quella parte di pioggia che contribuisce alla componente veloce del deflusso nella sezione di chiusura. Scorrimento superficiale + scorrimento ipodermico. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 25 / 26 )

26 Intercezione Una parte della precipitazione si deposita sulla vegetazione e non raggiunge il suolo. Intercezione: è la differenza fra l altezza di precipitazione misurata da un pluviometro posto in terreno scoperto e la somma (delle altezze) della precipitazione che raggiunge il suolo attraverso il fogliame e scivolando lungo il tronco. Piene (eventi estremi): l intercezione è poco importante, spesso trascurabile. Bilanci di lungo periodo (valutazione risorse): è importante, nelle foreste può essere pari al 25 % dell afflusso meteorico. Idrologia - A.A. 12/13 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 26 / 26 )