16/03/2017. Maurizio Giugni CENNI DI IDROLOGIA IL CICLO IDROLOGICO. Idrologia. Lezione n. Parole chiave: Reti di drenaggio urbano

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1 Maurizio Giugni CENNI DI IDROLOGIA 11 Lezione n. Parole chiave: Reti di drenaggio urbano Corso di Laurea: IAeT Insegnamento: Infrastrutture idrauliche Docente: A.A IL CICLO IDROLOGICO Idrologia L' idrologia è la scienza che studia i flussi idrici dall'atmosfera al suolo, dai fiumi verso il mare e ancora verso l'atmosfera, che costituiscono il ciclo idrologico. Trasporto Condensazione Precipitazioni, P Evaporazione, E v Traspirazione, E t Evapotraspirazione, E=E v +E t Infiltrazione, I Ruscellamento superficiale, Q s Deflussi sotterranei, Q g Ciclo idrologico L interesse dell Ingegneria riguarda la quantificazione ai fini tecnici, piuttosto che la piena comprensione, di questi fenomeni. 1

2 IL CICLO IDROLOGICO IL SERVIZIO IDROGRAFICO Nel 1917 fu istituito in Italia il Servizio Idrografico Italiano (S.I.I.) presso il Ministero dei Lavori Pubblici, affidando ad esso la misura, la raccolta e l elaborazione dei principali dati meteorologici. Con il D. L. 183/1989 le competenze del S.I.I. furono trasferite alla Presidenza del Consiglio dei Ministri (sul finire degli anni novanta tali competenze vennero poi trasferite alle Regioni), e venne istituto il Servizio Idrografico e Mareografico Italiano (S.I.M.I.). Il S.I.M.I. era costituito da un Ufficio centrale di coordinamento con sede presso la Presidenza del Consiglio dei Ministri e da 12 compartimenti idrografici distribuiti su tutto il territorio nazionale che avevano in gestione delle stazioni meteorologiche. Le potenzialità del S.I.M.I. sul finire degli anni 80, in termini di stazioni gestite, erano: 650 stazioni freatimetriche 1200 stazioni termometriche 3500 stazioni pluviometriche (1 stazione all incirca ogni 86 km 2 ) 750 stazioni idrometriche 400 stazioni di misura della portata 60 stazioni di misura del trasporto solido Ogni anno il S.I.I., prima, e il S.I.M.I., poi, hanno pubblicato gli Annali Idrologici, suddivisi in due fascicoli: I Termo-pluviometria II Idrometria 2

3 IL SERVIZIO IDROGRAFICO 5 IL SERVIZIO IDROGRAFICO Con il D.Lgs. n. 112 del 31 marzo 1998 Conferimento di funzioni e compiti amministrativi dello Stato alle regioni ed agli enti locali, in attuazione del capo I della legge 15 marzo 1997, n. 59 (Legge Bassanini), venne disposto che gli uffici periferici del Dipartimento dei Servizi Tecnici Nazionali fossero trasferiti alle regioni (art. 92, comma 4). Il trasferimento venne sancito definitivamente con il DPCM del 24/07/2002, in cui si stabilì che a far data dal 1 ottobre 2002 gli uffici compartimentali e le sezioni staccate del SIMN con esclusione della sezione dell Ufficio compartimentale di Venezia deputata al monitoraggio della laguna, fossero trasferiti alle regioni presso le quali avevano sede per essere incorporati nelle strutture operative regionali competenti in materia. 6 3

4 IL SERVIZIO IDROGRAFICO Le competenze del Servizio Idrografico sono quindi passate a enti regionali (agenzie ARPA, oppure servizi tecnici regionali, singoli Dipartimenti di Protezione Civile, ecc.), e i precedenti Compartimenti che erano molto spesso sovraregionali sono stati smembrati sotto enti aventi estensione regionale. Il SIMN ha proceduto, fino alla sua dismissione, alla pubblicazione degli Annali idrologici, relativi ai vari compartimenti in cui era stato diviso il territorio. A seguito della regionalizzazione, la pubblicazione degli Annali è stata sospesa e ogni struttura regionale si è incaricata di pubblicare i dati di sua competenza, come e se voleva. 7 IL SERVIZIO IDROGRAFICO Nel 1999 con D.Lgs. n. 300 (art. 38) venne istituita l Agenzia per la Protezione dell Ambiente e per i Servizi Tecnici (APAT) alla quale furono trasferite le attribuzioni dell Agenzia Nazionale per la Protezione dell Ambiente (ANPA) e quelle dei Servizi Tecnici Nazionali (ad eccezione di quelle del servizio sismico nazionale) contestualmente soppressi. Con il D.L. 112/2008 e successivamente con la L. 133/2008 venne istituito, sotto la vigilanza del Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare, l Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale (ISPRA) con l accorpamento in un unico Istituto dei tre enti: l APAT, l Istituto Nazionale per la fauna selvatica (INFS) e l Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare (ICRAM). 8 4

5 IDROLOGIA Stazione meteorologica ANNALI IDROLOGICI Annali Idrologici - Parte 1 a - Elenco e caratteristiche delle stazioni pluviometriche 5

6 ANNALI IDROLOGICI Annali Idrologici - Parte 1 a - Tabella 1: Osservazioni pluviometriche giornaliere ANNALI IDROLOGICI Annali Idrologici - Parte 1 a - Tabella 3: Precipitazioni di massima intensità 6

7 ANNALI IDROLOGICI Annali Idrologici - Parte 1 a - Tabella 5 Precipitazioni di notevole intensità e breve durata PROTEZIONE CIVILE 14 7

8 PROTEZIONE CIVILE 15 PROTEZIONE CIVILE 16 8

9 PIOGGE PIOGGE Ai fini tecnici delle piogge interessa: il volume idrico complessivamente precipitato la loro distribuzione nel tempo. Si definisce altezza di pioggia h(t) caduta dal tempo 0 al tempo t, la quantità di acqua che si depositerebbe al suolo in assenza di deflusso, infiltrazione ed evaporazione. Essa dipende da: latitudine altitudine orografia direzione e frequenza dei venti posizione rispetto ai mari più prossimi dh i dt h i t intensità di pioggia al generico istante t intensità media di pioggia nella durata t RISCHIO E PERIODO DI RITORNO 9

10 RISCHIO E PERIODO DI RITORNO RISCHIO E PERIODO DI RITORNO 10

11 RISCHIO E PERIODO DI RITORNO RISCHIO E PERIODO DI RITORNO 11

12 CURVA DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA La curva di probabilità pluviometrica esprime la relazione fra l altezza di precipitazione h e la sua durata t, per un assegnato valore del periodo di ritorno T. L altezza di precipitazione h presa in considerazione è la massima annuale relativa alla durata in esame. Diverse formule sono utilizzate per descrivere questa relazione. In Italia viene generalmente utilizzata una legge di potenza monomia del tipo: h t, T a t n in cui: - h : altezza di precipitazione - t : durata della precipitazione - a, n : coefficienti dipendenti dal periodo di ritorno T CURVA DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA La curva di probabilità pluviometrica può essere desunta in modo orientativo a partire dai dati presenti negli Annali Idrologici - in particolare quelli in tabella III e V della parte 1 a - mediante un semplice approccio deterministico. n h at Linea delle massime altezze probabili di pioggia (Fantoli) i n at 1 Linea delle massime intensità probabili di pioggia Curva di probabilità pluviometrica 12

13 CURVA DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA Approccio deterministico CURVA DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA Un più moderno approccio probabilistico per la determinazione delle curve di probabilità pluviometrica deve invece essere basato sull analisi delle curve di frequenza (CDF), costruite per le serie storiche dei massimi annuali delle piogge di durata 1, 3, 6, 12, 24 ore, adattando a ciascuna di esse, attraverso la stima dei parametri, un predefinito modello probabilistico (Gumbel, TCEV, etc.). La serie dei dati dei valori massimi annuali di pioggia riferiti ad un assegnata durata t, h i,t (i=1,2,,n) si può considerare un campione di dimensione n (anni di osservazione) di una variabile casuale. Attraverso le tecniche d inferenza statistica si può ricavare la funzione di distribuzione di probabilità più adatta a interpretarlo. Trattandosi dei valori massimi, si può fare riferimento in prima battuta alla distribuzione di Gumbel (distribuzione asintotica del valore massimo del primo tipo, EV1 Extreme Value of first type). Va osservato però che per un valore del periodo di ritorno assunto T maggiore della durata del periodo di osservazione, la legge di Gumbel tende in generale a sottostimare h t,t

14 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA 27 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA 28 14

15 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA d : parametro centrale (media, moda) della d.d.p. della variabile aleatoria x d K T : fattore di crescita con il periodo di ritorno T, che in realtà dipende dal periodo di ritorno attraverso il modello probabilistico prescelto 29 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA 30 15

16 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA X= h t : massimo annuale dell altezza di pioggia di durata t h t, T h t K T h t K T media di h t fattore di crescita con T, indipendente da t, dipendente dal modello probabilistico utilizzato Con riferimento, tra le distribuzioni di probabilità dei valori estremi, a quella di Gumbel: K T T 1 k' ln ln T k' 31 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA CV s t t / h t CV 5 t 1 CV t CV t coefficiente di variazione di h t / 5 ht n i 1 h ti / n s t n i 1 ( h ti n 1 h ) t 2 h t at n I coefficienti a e n possono essere stimati mediante regressione lineare dei valori medi su un piano logaritmico 32 16

17 CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA 17

18 EFFETTO AREA Effetto AREA: h' a' t n' in modo da non sovrastimare il deflusso ( tanto più quanto maggiore è l area A del bacino) a' A A a A n' n Formule del Poggi (Fognatura di Milano) - A : area del bacino (ha) In realtà, essendo molto ridotti i dati sperimentali, non conviene generalizzare. In genere si consiglia: - per piccoli bacini (A<200 ha) di non considerare l effetto area - per bacini estesi (A ha) di prendere in esame l effetto area - per bacini molto estesi ( A>1000 ha) di utilizzare i valori corrispondenti a 1000 ha TCEV TCEV (Two Components Extreme Value) (Rossi et al.) E una generalizzazione del modello di Gumbel, essendo costituita dal prodotto di due leggi di Gumbel. La prima, atta ad interpretare in chiave probabilistica i massimi valori ORDINARI di piena; la seconda, quelli STRAORDINARI (aventi secondo Gumbel una probabilità di superamento inferiore al 5% (T>20 anni) e, quindi, teoricamente classificabili come eccezionali), meno frequenti ma più intensi. 18

19 TCEV TCEV 19

20 IPPOLITO, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore Materiali di studio AA. VV., Sistemi di fognatura. Manuale di Progettazione, Centro Studi Deflussi Urbani, Hoepli Editore 20