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. 14: Ciclo e bilancio idrologico Anno Accademico

2 Indice Generalità sulle scienze idrologiche Il ciclo idrologico Il bilancio idrologico Il bilancio idrologico a scala di bacino Il bilancio energetico della Terra La circolazione atmosferica I regimi pluviometrici Generalità sul clima italiano I regimi pluviometrici in Italia Bilancio idrico globale del territorio nazionale

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 Generalità sulle scienze idrologiche L idrologia (dal greco: υδρος - ydros, acqua e λογος - logos, studio υδρολογια - hydrologia = "studio dell acqua") è una scienza che studia: il movimento la distribuzione la qualità dell acqua sulla Terra Essa si indirizza specificamente verso: l analisi del ciclo idrologico la previsione ed il controllo delle piene la gestione e l uso l delle risorse idriche

5 Generalità sulle scienze idrologiche Lo specialista in idrologia è l idrologo,, che opera in diversi campi: scienza della Terra e dell ambiente geomorfologia geografia fisica ingegneria civile e ambientale

6 Generalità sulle scienze idrologiche Allo specialista in idrologia si richiedono competenze in tre campi specifici: 1. Gestione delle risorse idriche: : si devono definire i flussi idrici di ingresso in un sistema di gestione delle risorse idriche per diversi scenari (inclusi quelli relativi a condizioni di magra) e simulare il comportamento del sistema a fronte di diverse politiche di prelievo o di definizione dei vincoli ambientali (es.: a fronte di specifici valori di deflusso minimo vitale) In tale ambito l idrologia l fornisce indicazioni specifiche per la gestione e la pianificazione delle risorse idriche, dove la validità di diverse opzioni di uso sono esaminate con valutazioni di tipo economico, tecnico, legale e politico

7 Generalità sulle scienze idrologiche 2. Controllo delle acque superficiali e difesa del suolo: controllo degli eventi idrologici estremi, principalmente delle piene, nonché dei processi erosivi e di trasporto di sedimenti che hanno luogo durante le piene progettazione di interventi strutturali di controllo (arginature, briglie, ecc.) e di sistemi di gestione (perimetrazione di aree inondabili, previsione di piene, ecc.)

8 Generalità sulle scienze idrologiche 3. Controllo della qualità delle acque: analisi dell inquinamento di origine concentrata e diffusa prevenzione dei processi di diffusione di inquinanti o contaminanti nei diversi corpi idrici naturali (superficiali e profondi) progettazione e gestione delle operazioni di bonifica

9 Generalità sulle scienze idrologiche L idrologia e l ingegneria l delle risorse idriche si relazionano con vari altri campi della conoscenza: idrometeorologia idrologia delle acque superficiali idrogeologia (idrologia delle acque sotterranee) gestione dei bacini di drenaggio qualità delle acque, in cui l acqua l ha un ruolo centrale Di solito l oceanografial e la meteorologia non sono considerate incluse nelle scienze idrologiche

10 Generalità sulle scienze idrologiche I processi di gestione delle risorse idriche sono preceduti dall analisi analisi idrologica, che prevede lo studio di: distribuzione spaziale e temporale dell acqua circolazione dell acqua nelle diverse fasi (solida, liquida, vapore) e nei diversi ambienti disponibilità idrica proprietà fisiche e chimiche dell acqua e sue interrelazioni con l ambiente, l comprese quelle con gli organismi viventi

11 Generalità sulle scienze idrologiche La capacità di prevedere i fenomeni idrologici e quindi di verificare tali previsioni con l aiuto l delle osservazioni è resa complessa dal fatto che: i processi sono innescati dalle precipitazioni, le cui caratteristiche sono aleatorie ed incerte l estensione spaziale e la variabilità temporale dei processi sono tali da rendere estremamente difficili sia le previsioni, sia le misure

12 Il ciclo idrologico Il ciclo idrologico (o ciclo dell'acqua) rappresenta l insieme l di tutti i fenomeni inerenti alle acque nel loro naturale movimento sulla superficie terrestre, nell atmosfera, sulle terre emerse e negli oceani

13 Il ciclo idrologico Schema del ciclo idrologico della Terra

14 Il bilancio idrologico Il ciclo idrologico può essere descritto in termini sistematici analizzando i flussi in ingresso,, quelli in uscita,, le trasformazioni e le varie forme di immagazzinamento Il bilancio può essere formulato con riferimento ad un qualsiasi "volume di controllo, ovvero un elemento tridimensionale attraverso il quale si esplicano i flussi in ingresso ed uscita

15 Il bilancio idrologico L equazione generale che esprime il principio di conservazione della massa,, tramite il quale è possibile impostare un bilancio idrologico applicabile ad ogni volume di controllo, è la seguente: Essa sostiene che "la variazione nel tempo della massa d'acqua (M) corrispondente alla fase assegnata è pari alla differenza fra il flusso entrante (input, I) e quello uscente (output, O)"

16 Il bilancio idrologico L'unità territoriale più conveniente da assumere come volume di controllo per l'indagine idrologica è quella del bacino idrografico Altrettanto importante è l identificazione del periodo di riferimento nel quale effettuare il bilancio idrologico (scale temporali mensile, stagionale, annuale, pluriennale) In ogni caso è essenziale quando si effettua un bilancio idrologico fissare il volume di controllo ed il periodo di riferimento

17 Il bilancio idrologico Il bilancio di massa può essere applicato a tre diversi volumi di controllo: 1) Volume di controllo relativo alle acque superficiali 2) Volume di controllo relativo alle acque sotterranee 3) Volume di controllo complessivo

18 Il bilancio idrologico a scala di bacino Schema a blocchi per il bilancio idrologico a scala di bacino

19 Il bilancio idrologico a scala di bacino Nella figura i blocchi rappresentano forme di immagazzinamento dell acqua e le linee che li collegano rappresentano i singoli processi che trasferiscono l acqua da una forma di accumulo all altra altra Complessivamente il contorno tratteggiato blu delimita la parte del ciclo idrologico che rappresenta la trasformazione afflussi-deflussi operata dal bacino idrografico, che in questo caso è il volume di controllo

20 Il bilancio idrologico a scala di bacino Applicando l equazione l generale che esprime il principio di conservazione della massa al volume di controllo che ha la base coincidente con lo strato impermeabile su cui poggiano gli acquiferi, il limite superiore al di sopra della vegetazione ed un contorno cilindrico che passa per lo spartiacque del bacino, possiamo scrivere la seguente relazione per l unitl unità di tempo considerato: P + Q e = = E a + E a + E t + E v + T + Q + Q u + + V v + V s + V u + V a + V r

21 Il bilancio idrologico a scala di bacino P è la precipitazione complessiva sul bacino Q e è la quantità d acqua entrata nel bacino per scorrimento sotterraneo E a è la quantità d acqua evaporata dalla rete idrografica o da altri specchi d acqua d E a è la quantità evaporata dal velo d acqua d che copre la superficie del suolo durante e dopo la precipitazione E t è la quantità d acqua evaporata dallo strato areato del terreno E v è la quantità d acqua evaporata dalla copertura vegetale durante e dopo la precipitazione T è la quantità di acqua traspirata dalla vegetazione Q è il deflusso totale alla sezione di chiusura del bacino Q u è la quantità d acqua uscita dal bacino per scorrimento sotterraneo

22 Il bilancio idrologico a scala di bacino V v è l incremento del volume d acqua d immagazzinato dalla vegetazione ipotizzato in gran parte dovuto al fenomeno di intercezione vegetale I V s è l incremento del volume d acqua d immagazzinato nelle depressioni superficiali V u è l incremento del volume d acqua d immagazzinato come umidità nello strato del suolo areato V a è l incremento del volume d acqua d immagazzinato negli acquiferi V r è l incremento del volume d acqua d immagazzinato nella rete idrografica del bacino

23 Il bilancio idrologico a scala di bacino In particolare: i termini P + Q e rappresentano il flusso entrante o input i termini E a + E a + E t + E v + T + Q + Q u rappresentano il flusso uscente o output i termini V v + V s + v u + v a + V r rappresentano la variazione di massa d acqua d all interno del volume di controllo nel tempo considerato Più sinteticamente si può porre l evapotraspirazione ET pari alla somma dell evaporazione evaporazione e della traspirazione: ET = E a + E a + E t + E v + T

24 Il bilancio idrologico a scala di bacino Ugualmente, nell equazione equazione di bilancio globale si può condensare nella variazione complessiva di volume la somma dei termini corrispondenti nei cinque blocchi: V V = V v + V s + V u + V a + V r Pertanto l equazione l di continuità globale (bilancio idrologico di bacino) si può scrivere nella forma: P + Q e = ET + Q + Q u + V

25 Il bilancio idrologico a scala di bacino Spesso si può assumere che le due quantità Q e e Q u siano trascurabili o siano circa uguali tra loro La forma più sintetica dell equazione equazione di continuità globale risulta pertanto: P = ET + Q + V L equazione del bilancio idrologico ci dice che la precipitazione è pari alla somma delle perdite per evaprotraspirazione ET, del deflusso superficiale Q alla sezione di chiusura e dell incremento V V del volume d acqua immagazzinato in varie forme all interno del volume di controllo, assunto come rappresentazione del bacino nel tempo di riferimento considerato

26 Il bilancio idrologico a scala di bacino Le dimensioni utilizzate per la quantificazione dei flussi idrici (portate) sono: volume per unità di tempo (L 3 T - 1 ) (es( es: : m 3 s - 1 ) lunghezza per unità di tempo (quando ci si riferisce all unit unità di superficie) ) (L T - 1 ) (es( es: : mm h - 1 )

27 Il bilancio idrologico a scala di bacino Vale la pena porre l attenzione l sul caso di estremo interesse in cui il volume di controllo considera solo lo strato superficiale del terreno A meno della risalita capillare ritenuta trascurabile, l unico flusso idrico entrante nel volume di controllo è costituito dalla precipitazione P, depurata dell aliquota I trattenuta per effetto dell intercezione dalla copertura vegetale

28 Il bilancio idrologico a scala di bacino I flussi uscenti sono rappresentati: dalla componente superficiale del deflusso superficiale Q, dall infiltrazione F verso gli strati più profondi del suolo e dal contributo all evapotraspirazione ET Il termine V coincide, in questo caso, con il solo V s, cioè al volume di acqua immagazzinato nelle depressioni superficiali del terreno L equazione di bilancio pertanto diventa: P = ET + Q s + F + I + V s

29 Il bilancio idrologico a scala di bacino Nelle applicazioni pratiche la grandezza che più spesso è oggetto di investigazione è rappresentata dal termine Q (deflusso superficiale) Per questo motivo tutti quei fenomeni per i quali il deflusso superficiale alla sezione di chiusura risulta minore dell afflusso meteorico al bacino sono spesso indicati come perdite

30 Il bilancio idrologico a scala di bacino Facendo riferimento alla perdite del bacino è possibile introdurre le definizioni di pioggia efficace e pioggia netta La pioggia efficace è la frazione di pioggia che riesce effettivamente a raggiungere il suolo dopo la perdita per intercezione dovuta alla copertura vegetale La quantità di pioggia efficace, depurata delle altre perdite,, che effettivamente alimenta il deflusso superficiale è chiamata pioggia netta

31 LA CORREZIONE SI E E FERMATA QUI

32 Il bilancio energetico della Terra La comprensione delle caratteristiche climatiche e della distribuzione spaziale e temporale delle componenti del ciclo idrologico (es. precipitazione e deflusso) richiedono l analisi l della struttura del bilancio energetico del sistema Terra La distribuzione della radiazione sulla superficie del globo e sulla sua atmosfera induce degli squilibri di energia termica che mettono in moto i processi idrologici e meteorologici

33 Il bilancio energetico della Terra Una superficie appena sopra l atmosfera l e orientata perpendicolarmente a un raggio di sole riceve una radiazione solare di 1367 W/m 2 (detta anche costante solare ); posta questa pari a 100%, la figura mostra cosa accade mediamente a tale flusso di energia

34 La circolazione atmosferica La eterogenea distribuzione della radiazione sulla superficie terrestre dàd luogo ad un moto di circolazione atmosferica (nella troposfera), che nella sua versione più idealizzata (assenza di rotazione terrestre) assume la struttura indicata in figura

35 La circolazione atmosferica L energia è trasportata, a causa del gradiente di temperatura, che dàd origine a sua volta a gradienti di pressione, verso le zone polari come energia termica o come calore latente (vapore)

36 La circolazione atmosferica Ovviamente la distribuzione risultante viene ad essere influenzata anche dalla dislocazione geografica di terre emerse ed oceani e dalla presenza dei rilievi orografici La struttura idealizzata presenta una fascia di bassa pressione localizzata presso l Equatore ed una di alta pressione presso il Polo

37 La circolazione atmosferica Nella troposfera la temperatura dell aria decresce con la quota:

38 La circolazione atmosferica Cause del moto delle masse d ariad L energia del sole non riscalda uniformemente la Terra (a causa dell angolo fra raggi solari e superficie: l aria l più calda all equatore sale e l aria l più fredda ai poli scende La forza di Coriolis che, agendo sul moto dei fluidi che si muovono sulla superficie del pianeta, determina moti di circolazione in senso orario od antiorario a seconda che ci si trovi nell emisfero emisfero australe o boreale

39 La circolazione atmosferica Pertanto i fattori che determinano essenzialmente il regime pluviometrico di un dato punto della superficie terrestre sono: la latitudine (da cui dipende l irraggiamento l solare) la distanza dalla sorgente di umidità (perciò le precipitazioni sono più abbondanti lungo le coste esposte ai venti carichi di umidità che non all interno dei continenti, dove le masse d aria d arrivano più asciutte perché hanno perso una parte del loro contenuto d acqua) l orografia (la precipitazione generalmente aumenta con l altitudine) l

40 La circolazione atmosferica Processi di raffreddamento e sollevamento Le precipitazioni meteoriche sono causate dal sollevamento e dal successivo raffreddamento di masse d aria per: convergenza orizzontale o non-frontale la convergenza orizzontale (tipica delle zone tropicali) in un punto di bassa pressione genera uno spostamento verticale dell aria, che può condurre a condensazione e precipitazione

41 La circolazione atmosferica sollevamento frontale o ciclonico fronte caldo: la massa d aria d calda scivola su una massa di aria fredda; fronte freddo: la massa d aria d fredda si incunea al di sotto di una massa di aria calda: piogge prolungate ed estese di modesta intensità (fronte caldo) + piogge di medio-breve durata e forte intensità (fronte freddo)

42 La circolazione atmosferica sollevamento orografico la massa d aria d in moto è costretta a sollevarsi dall ostacolo: elevata piovosità sul versante esposto al vento dominante + aridità relativa sul versante riparato dal vento dominante

43 La circolazione atmosferica sollevamento convettivo una massa d aria d si solleva localmente per riscaldamento differenziale: nubifragio di breve durata e forte intensità (temporale)

44 La circolazione atmosferica Sollevamento frontale o ciclonico Zone di circolazione cicloniche: : i venti girano intorno ad un polo di bassa pressione in senso antiorario nell emisfero emisfero boreale Zone di circolazione anticicloniche: : i venti girano intorno ad un polo di alta pressione in senso orario nell emisfero emisfero boreale

45 La circolazione atmosferica Isobara: : luogo dei punti dell atmosfera aventi lo stesso valore di pressione Fronte: : superficie di separazione fra due masse d aria d provenienti da aree diverse e con temperature diverse

46 La circolazione atmosferica

47 I regimi pluviometrici

48 I regimi pluviometrici

49 Climi caldi: I regimi pluviometrici Zona equatoriale: precipitazioni convettive, regimi molto abbondanti ( mm/y) Zona sub-equatoriale: precipitazioni molto variabili ( mm/y) Zona tropicale: precipitazioni scarse ( mm/y)

50 Climi temperati: I regimi pluviometrici Zona sub-tropicale: inverni piovosi, estati secche (regime mediterraneo), viceversa nel regime sinico Zona delle medie latitudini: forti contrasti stagionali e geografici fra zone marittime, più piovose ed a distribuzione piovosa più uniforme (regime oceanico) e zone continentali, meno piovose con precipitazioni concentrate in estate (regime continentale)

51 Climi freddi: I regimi pluviometrici Zona sub-artica: piogge abbondanti nelle zone costiere (a clima più mite) ( mm/y) Zona artica: precipitazioni scarse di carattere nevoso (150 mm/y)

52 Generalità sul clima italiano A determinare il clima in Italia intervengono: - la posizione astronomica, compresa fra i 36 ed i 45 N di latitudine, sede di un fronte di convergenza da Nord e da Sud di masse d aria d di contrastanti caratteristiche termodinamiche - la posizione geografica, gravante sul lato occidentale della grande massa dei vecchi continenti, prossima all Oceano Atlantico ed all Africa Settentrionale - l estensione della penisola, in direzione Nord-Sud per oltre 10 di latitudine

53 Generalità sul clima italiano - l influenza del mare sul clima (almeno per la penisola), per la forma lunga e stretta della penisola nel Mar Mediterraneo - la configurazione orografica, influente in particolare sul clima invernale, con la barriera dell arco alpino a protezione dai venti freddi provenienti dal I e IV quadrante e con la dorsale appenninica a riparo del versante tirrenico dai venti freddi di Nord-Est

54 I regimi pluviometrici in Italia

60 Caratteri distintivi: I regimi pluviometrici in Italia diminuzione della precipitazione al diminuire della latitudine coerenza della sua distribuzione con le linee fondamentali dell orografia influenza sulla sua distribuzione dell orientamento dei versanti rispetto alla direzione dei venti prevalenti

61 I regimi pluviometrici in Italia Nei mesi invernali (dicembre-febbraio) quando le formazioni cicloniche investono tutta l Italia, l le piogge risultano piuttosto uniformi sull intera penisola, fatta eccezione per limitate aree dell Appennino Centrale, in Calabria (superiori a 500 mm) e sulla pianura pugliese (inferiori a 200 mm)

62 I regimi pluviometrici in Italia Nei mesi estivi (giugno-agosto) si nota una netta diminuzione della piovosità con il diminuire della latitudine; la precipitazione si concentra sulle regioni alpine Valori di precipitazione di poco superiori a 100 mm predominano su vaste aree dell Italia centrale e lungo la dorsale dell Appennino Le precipitazioni si mantengono su valori generalmente inferiori a i 100 mm sul resto del territorio peninsulare ed ai 50 mm in Sicilia e Sardegna

63 Bilancio idrico globale del territorio nazionale Bilancio idrologico a scala nazionale 10 9 mm % m 3 /anno Afflusso meteorico medio annuo Evaporazione e traspirazione Deflussi superficiali Deflussi profondi Nota 1: la superficie dell Italia è pari circa a km 2 Nota 2: l afflusso l medio è maggiore rispetto a quello medio europeo (646 mm/anno) ed anche rispetto a quello medio delle terre emerse (730 mm/anno)

64 Bilancio idrico globale del territorio nazionale Questi volumi idrici, che sono potenzialmente sufficienti a soddisfare il fabbisogno complessivo nazionale, stimato in poco oltre m 3 /anno, sono però soggetti a consistenti variazioni stagionali che ne determinano una disuniforme distribuzione nel tempo, in controfase con le necessità derivanti dai fabbisogni Si verificano quindi maggiori disponibilità nella stagione di minore domanda e minori disponibilità in quella di maggiore domanda

65 Bilancio idrico globale del territorio nazionale Stagionalità dei deflussi dei corsi d acqua italiani Regime di deflusso dei Deflusso stagionale (in % del deflusso annuo) bacini inverno primavera estate autunno Alpini Appenninici impermeabili Appenninici permeabili Insulari del Po I dati indicano una forte stagionalità crescente al diminuire della latitudine dei deflussi, E quindi importante studiare i regimi fluviali