QaNAT collana di ambiente e ingegneria idraulica 1
Direttore Alessandro Peruginelli Università di Pisa Comitato scientifico Rudy Gargano Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale Valerio Milano Università di Pisa Giuseppe Oliveto Università degli Studi della Basilicata Stefano Pagliara Università di Pisa
QaNAT collana di ambiente e ingegneria idraulica La collana accoglie sia lavori teorici che di carattere sperimentale condotti a termine in Laboratori Universitari, che vertono sulla tematica delle Sistemazioni Idrauliche e sulla progettazione e realizzazione di Manufatti Idraulici.
Alessandro Peruginelli Idrologia dei bacini urbani
Copyright MMXIV ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it info@aracneeditrice.it via Raffaele Garofalo, 133/A B 00173 Roma (06) 93781065 isbn 978 88 548 7501 2 I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: settembre 2014
a mia moglie
Indice 11 Capitolo I Generalità 27 Capitolo II Modelli idrologici 35 Capitolo III Ciclo idrologico 40 Capitolo IV Bilancio idrologico 45 Capitolo V Precipitazioni 72 Capitolo VI Deflussi superficiali e perdite idrologiche 77 Capitolo VII Correlazioni afflussi-deflussi 80 Capitolo VIII Idrogrammi 91 Capitolo IX Indice di infiltrazione 99 Capitolo X Tempo di corrivazione 121 Capitolo XI Metodo razionale 157 Capitolo XII Metodo SCS 188 Capitolo XIII Idrogramma unitario 246 Bibliografia 247 Problemi
3 Capitolo 1 Capitolo 1 Generalità Generalità 1-1 Introduzione 1-2 Fasi storiche dell Idrologia 1-3 Finalità di uno studio idrologico 1-4 Processo di urbanizzazione 1-1 Introduzione L Idrologia, letteralmente scienza dell acqua, può essere considerata (adottando la definizione che ne dà il Chow) come la disciplina scientifica che tratta ed indaga fenomeni e processi fisici essenzialmente naturali, quali il movimento, la distribuzione, la circolazione, la trasformazione, la raccolta e le variazioni chimico fisiche che subiscono le acque atmosferiche; quindi in particolare si interessa delle diverse fasi che caratterizzano l intero ciclo idrologico, ovvero il susseguirsi dei fenomeni dinamici che, nella pratica, prende in esame la complessa e multiforme modalità con la quale le precipitazioni sulla terra scorrono lungo gli alvei, si raccolgono nelle depressioni superficiali e negli invasi, si infiltrano nel sottosuolo e raggiungono gli acquiferi, arrivano a laghi ed oceani, per successivamente evaporare, condensare, precipitare e quindi rinnovare nuovamente il processo sopra sintetizzato. L idrologia è quindi una scienza interdisciplinare di carattere essenzialmente ambientale; spazia in vari settori, quali la idrometeorologia, la geologia, l idrogeologia e le acque sotterranee, i deflussi superficiali, i sistemi di drenaggio di un bacino, la potabilità delle acque di un sistema idraulico, le proprietà chimicofisiche delle acque, la statistica, la fluido meccanica. I tecnici che si interessano di idrologia sono ingegneri, geologi, informatici, statistici, architetti, agronomi, ambientalisti, naturalisti, e sono impegnati in attività quali la modellazione idraulica, la ricerca operativa, l ecologia, la progettazione di sistemi di smaltimento delle acque, la difesa dalle piene, la protezione dei litorali, la salvaguardia del territorio, l utilizzazione delle risorse idriche superficiali e sotterranee e le relative strategie di ottimizzazione, la gestione integrata della qualità e della quantità delle acque di drenaggio, i sistemi di impianti idraulici per la produzione di energia. In realtà l idrologia si interessa di fenomeni molto complessi, nei quali compaiono numerosi fattori e parametri legati tra di loro da correlazioni e connessioni logiche; per la comprensione di tali correlazioni si deve sovente fare ricorso a procedimenti di interpretazione e di simulazione mediante algoritmi, i quali, a loro volta, in numerosi casi possono essere esaminati e trattati solamente se si fa ricorso a teorie, tecniche e procedure matematiche avanzate e sofisticate. In ogni caso uno studio idrologico sarà ovviamente tanto più affidabile e conforme agli obiettivi da raggiungere quanto più correttamente e fedelmente viene rappresentato il fenomeno fisico da comprendere, esaminare e controllare. Occorre peraltro osservare e sottolineare che proprio la molteplicità e la varietà dei fenomeni idrologici rendono difficoltoso e problematico operare attraverso ragionamenti deduttivi rigorosi; inoltre l idrologia è una tipica scienza per la quale è indispensabile la osservazione, la raccolta, la classificazione, e l analisi dei dati storici, che è necessario elaborare ed interpretare caso per caso, dato che in generale ogni sito, studiato in termini idrologici, è unico per le sue specifiche e peculiari caratteristiche. Purtroppo, in genere, ogni analisi idrologica ha una valenza di natura solamente approssimata, che non può certificare ed assicurare una soluzione esatta del problema indagato; per esempio il processo di trasformazione afflussi-deflussi si basa su avvenimenti e fenomeni assai articolati ed in genere il suo esame è fondato, purtroppo, sulla elaborazione di dati disponibili poco numerosi e spesso fallaci, relativi a pochi casi indagati, per i quali è possibile fissare le correlazioni operative solamente con alcuni tra tutti i numerosi fattori che influenzano la trasformazione stessa. 11
4 In termini sommari la disciplina dell idrologia può essere affrontata da due diversi punti di vista: Ø ottica teorico-accademica (scientific hydrology); si tratta dell aspetto teorico dell idrologia, che, sulla base dei dati misurati e raccolti, sviluppa teorie esplicative dei fenomeni naturali esaminati; Ø ottica pratico-applicativa (engineering hydrology); si tratta dell aspetto attuativo e funzionale che si prefigge, sovente sulla base di considerazioni empiriche e anche sulla base delle teorie formulate nella fase teorica, di portare a soluzione i problemi pratici che si incontrano nella realtà. Il progettista ed il tecnico, che devono occuparsi di problemi idrologici, prendono in genere in esame l ottica pratico-applicativa e l analisi condotta a termine nel presente libro si prefigge fondamentalmente di sottolineare quali sono gli aspetti di natura ingegneristica della idrologia, soprattutto nell ambito specifico dei drenaggi urbani. Peraltro si deve notare che le problematiche, che si devono affrontare nella idrologia applicata, presentano, in termini molto schematici, un duplice aspetto, potendo assumere o un carattere progettuale o un carattere di esercizio; nella maggior parte dei casi i due aspetti si trovano combinati, dato che uno studio volto a fornire indicazioni di progetto e di dimensionamento relative, per esempio, allo studio ed alla realizzazione di un manufatto idraulico, è successivamente anche utile per controllare il funzionamento e l esercizio del manufatto stesso sotto le più varie condizioni operative. In ogni caso la progettazione idraulica e statica di numerose strutture di ingegneria civile da realizzare per raccogliere, convogliare, invasare, regolare, utilizzare le risorse idriche sia di superficie che sotterranee deve necessariamente prevedere un preliminare indispensabile studio idrologico; pertanto le reti di fognatura e di bonifica, i sistemi di drenaggio del territorio, i manufatti di invaso quali le dighe, le opere di regolarizzazione dei corsi d acqua quali le arginature, le traverse, i canali scolmatori, le difese di sponda, le vasche di laminazione vanno progettate e dimensionate solamente dopo che i valori critici dei parametri idraulici di proporzionamento sono stati definiti e valutati quantitativamente in seguito ad una indagine idrologica quanto più approfondita possibile. Quanto sopra osservato chiarisce che l idrologia tecnica non può limitarsi ad una analisi di tipo qualitativo, ma si deve prefiggere sia di fornire un strumento per valutare la fattibilità tecnico economica di opere spesso indispensabili per la salvaguardia del territorio, sia di ottenere soprattutto risultati di tipo quantitativo attraverso la misura e la valutazione di parametri quali portate, altezze di precipitazioni, velocità di deflusso, tiranti d acqua, tempi di corrivazione. In particolare, come meglio sarà sottolineato in seguito, assai spesso è chiamata a rispondere a domande connesse con l influenza e le ripercussioni che le attività umane e gli interventi sul territorio hanno sul ciclo idrologico, prendendo in considerazione gli eventi estremi e valutandone la frequenza di manifestazione o i relativi tempi di ritorno. 1-2 Fasi storiche dell Idrologia Nella pratica applicazione, per quanto sopra accennato, l idrologia è una scienza legata a molte differenti discipline, la quale si è sensibilmente evoluta nel tempo così da essere in grado di fare fronte ai problemi che sono insorti soprattutto come conseguenza dello sviluppo della urbanizzazione e dei processi di industrializzazione condotti a termine sul territorio. Il Chow (tecnico che ha dato un gran contributo alle scienze idrauliche in generale ed alla idrologia in particolare) ha cercato di sintetizzare in otto successive fasi lo sviluppo storico dell idrologia: fase di speculazione dalla antichità fino al 1400, lungo periodo nel corso del quale l idrologia non era certo una scienza, ma una interpretazione quasi di carattere filosofico e sciamanico della realtà e ci si interessava solamente dell aspetto pratico per realizzare manufatti in grado di sfruttare le risorse idriche, (peraltro già Teofrasto [300 A.C.] aveva intuito, anche se in maniera sommaria, la natura del ciclo idrologico e l architetto romano Vitruvio [100 B.C.] già asseriva che le falde erano alimentate dalle acque di pioggia, constatazione d altra parte non ovvia per un lungo periodo di tempo), 12
5 fase di osservazione, dal 1400 al 1600 circa, durante la quale, soprattutto con Leonardo, si cercava di esaminare e comprendere l essenza dei processi naturali, prendendo in considerazione ciò che si poteva constatare osservando i fenomeni spontanei, fase di misurazione dal 1600 al 1700 (soprattutto con Bernoulli e Chezy) nel corso della quale si è iniziato a rilevare dati in termini quantitativi, anche se con strumentazioni e macchinari molto grossolani e poco precisi, fase di sperimentazione dal 1700 al 1800 nel corso della quale l idrologia ha cominciato ad avere le caratteristiche di una disciplina scientifica in senso moderno, basata sulla ricerca e sulla sperimentazione, fase di modernizzazione dal 1800 al 1900 (soprattutto con studiosi come Hagen, Poiseuille, Darcy, Manning) nel corso della quale l idrologia ha iniziato a divenire una vera e propria scienza moderna basata e descritta da algoritmi matematici, fase di empirismo dal 1900 mal 1930 nel corso della quale (per opera di ricercatori come Green, Ampt, Hazen, Sherman) l idrologia ha iniziato a dare risposte di tipo quantitativo alla correlazione esistente tra afflussi e deflussi, fase di razionalizzazione dal 1930 al 1960 nella quale si è iniziato a cercare una sintesi tra l approccio matematico-scientifico derivato dalla fluidomeccanica classica e l approccio sperimentale ed empirico, fase di specializzazione e teorizzazione dal 1960 ad oggi; nel corso di tale fase, grazie all uso di computer con elevate capacità di memoria, al controllo satellitare, alla avanzata strumentazione elettronica e meccanica, alla facilità di accesso a strumentazioni informatiche, l idrologia ha potuto operare su larga scala giovandosi di precise metodologie di raccolta, tabulazione, memorizzazione, elaborazione dati. Ciò, in particolare, ha consentito la realizzazione di modelli matematici molto avanzati e sofisticati, in grado di descrivere sia in termini globali che per celle diffuse e capillari, la stragrande maggioranza dei fenomeni naturali connessi con il ciclo dell acqua ed in particolare ha permesso di calcolare le caratteristiche proprie degli idrogrammi di piena. 1-3 Finalità di uno studio idrologico Le finalità di uno studio idrologico sono, invero, molteplici ed assai varie; comunque si può in via preliminare osservare che gli scopi principali e di maggiore valenza, specialmente in un settore applicativo come quello dei drenaggi urbani, sono in genere i seguenti: determinazione della portata maxima di un bacino ed eventuale ricostruzione dell idrogramma di piena in corrispondenza della sua sezione terminale di chiusura, stima della frequenza e di conseguenza del relativo tempo di ritorno [T r ] del pluviogramma di progetto e della maxima intensità degli eventi meteorici, individuazione dei parametri indispensabili per la progettazione dei sistemi di smaltimento e allontanamento delle acque meteoriche e per il dimensionamento dei manufatti idraulici di drenaggio, regolazione e controllo, individuazione della natura e delle caratteristiche delle falde sotterranee e comprensione del ruolo che le acque sotterranee hanno sul ciclo idrologico, valutazione della potenzialità delle risorse idriche di un bacino ed indagine sulla loro eventuale pericolosità, previsione dell influenza che i processi di urbanizzazione hanno sulla qualità delle acque di un bacino. In termini molto semplificati l idrologia tecnica, che studia i deflussi urbani, è una disciplina che si basa su tre distinti gradini di conoscenza: v caratteristiche fisiografiche del bacino (forma, area ed estensione dei bacini, pendenza dei versanti, uso del suolo, permeabilità dei terreni ), 13
6 v caratteristiche pluviometriche degli eventi di pioggia (durata, intensità, distribuzione spaziotemporale), v leggi idrauliche di deflusso lungo superfici, depressioni, canali, collettori, alvei a pelo libero. Tali conoscenze fanno sì che, partendo dai dati di pioggia in INPUT e quindi in particolare dagli ietogrammi, grazie ad una funzione di trasferimento e trasformazione, che è legata alle caratteristiche del bacino ed alle leggi fisiche di formazione, propagazione ed invaso delle acque, si arriva a valutare in OUTPUT l idrogramma di piena. La funzione di trasferimento, che in sintesi consente di passare dallo ietogramma all idrogramma, è intimamente legata alle caratteristiche del bacino, le quali possono essere raggruppate in tre categorie: o o o caratteristiche geologiche e litologiche: intervengono sul fenomeno del trasporto solido, sulla infiltrazione, sullo scorrimento sotterraneo; caratteristiche della copertura vegetale: giocano sulla entità delle infiltrazioni (che aumenta con la vegetazione), sulla evapotraspirazione, sulla suddivisione tra scorrimento superficiale e scorrimento sotterraneo, sulla resistenza ai fenomeni erosivi; caratteristiche geografiche: pesano sul regime delle piogge, sulla entità della evaporazione e della evapotraspirazione, sul clima. Onde meglio fissare le idee sulla natura dell Idrologia è opportuno specificare alcune definizioni preliminari che verranno utilizzate nelle successive indagini idrologiche: Ø bacino di drenaggio: superficie complessiva, delimitata dalla linea spartiacque, che convoglia le acque di precipitazione in corrispondenza di una unica sezione terminale di chiusura, Ø evapotraspirazione: passaggio di fase dal liquido al vapore in corrispondenza delle superfici liquide degli invasi e fenomeno di traspirazione dalla vegetazione, Figura 1-3-1 Ø frequenza di un evento: numero di volte che un particolare evento può probabilisticamente verificarsi in un prefissato intervallo di tempo (l inverso è detto tempo di ritorno [T r ] ), Ø idrogramma: rappresentazione grafica dell andamento delle portate defluenti in funzione del tempo (sulla Figura 1-3-1 è indicato il tipico andamento di un idrogramma di piena, e sono messe in evi- denza le sue principali caratteristiche, Ø idrogramma unitario: idrogramma di volume unitario conseguente ad un evento pluviometrico di prefissata distribuzione temporale e spaziale, Ø ietogramma: diagramma che fornisce le altezze [h] o le intensità di poggia [i] in funzione del tempo [t], Ø infiltrazione: quota parte delle precipitazione che si infiltra nel terreno (in genere tale definizione è utilizzata in alternativa a percolazione), Ø intercettazione: acqua di precipitazione trattenuta dalla vegetazione, Ø invaso di depressione: spontaneo immagazzinamento dell acqua di precipitazione nelle cavità naturali o artificiali presenti sulla superficie del bacino, Ø perdite o sottrazioni: convenzionalmente si tratta delle acque di pioggia che non si trasformano in deflussi superficiali, ma si infiltrano nel sottosuolo, evaporano nella atmosfera e vengono intercettate dalla vegetazione, 14
7 Ø portata di base: parte dell idrogramma di piena, in genere nettamente individuabile, non riconducibile ai deflussi effettivi o diretti e quindi in genere corrispondente ai deflussi relativi a precipitazioni precedenti ed al regime di esaurimento del bacino, Ø pioggia effettiva o diretta: parte della precipitazione che si trasforma in deflussi, dopo che si è manifestata l intercettazione, l infiltrazione, gli invasi e l evapotraspirazione, Ø portata di picco: valore maximo della portata defluente nella sezione di indagine, Ø portata di progetto: portata maxima introdotta a base dei calcoli di proporzionamento dei vari manufatti idraulici di un reticolo di drenaggio (in genere tale portata deve essere contraddistinta da una frequenza ovvero da un tempo di ritorno), Ø saturazione del suolo: condizione di umidità del suolo all inizio dell evento di pioggia, in grado di condizionare i volumi di deflusso generati da un evento pluviometrico, Ø sezione di chiusura: sezione terminale dell alveo principale di drenaggio di un bacino dove si raccolgono i deflussi di monte, Ø sottobacino : parte interna e praticamente omogenea di un bacino più grande, Ø tempo di corrivazione (o di concentrazione): tempo necessario perché l acqua raggiunga la sezione terminale di chiusura dal punto del bacino idraulicamente più lontano; una ulteriore definizione (Figura 1-3-1) è quella che considera tale tempo come l intervallo di tempo compreso tra la fine dello ietogramma ed il punto di inflessione (dove cambia la pendenza) lungo la fase di recessione dell onda, Ø tempo di ritardo: tempo compreso tra il baricentro delle piogge effettive ed il colmo dell onda di piena, Ø tempo di sfasamento: tempo compreso tra il baricentro delle piogge effettive ed il baricentro della onda di piena, Ø volume di deflusso: area al di sotto dell idrogramma dopo la elminazione della portata di base. 1-4 Processo di urbanizzazione Nel corso degli ultimi due secoli il processo di urbanizzazione dei territori ha subito una brusca accelerazione, soprattutto in seguito alla Rivoluzione Industriale; se infatti nel 1800 solamente il 2% della popolazione mondiale viveva nelle città, tale percentuale diventava pari al 12 % nel 1900, fino a pervenire a valori superiori al 47 % nel 2000, e continua ad aumentare. Tale incremento ha avuto e continua ad avere sensibili ripercussioni ed influenze sul ciclo dell acqua e produce una forte sollecitazione sulle risorse idriche dell intero pianeta. Si deve inoltre sottolineare che in generale è proprio lo sviluppo dei piccoli bacini urbani che necessita di una specifica ed attenta indagine idrologica; in effetti, pur essendo assai numerosi gli studi volti ad esaminare il comportamento di tali bacini e pur essendo proprio tali bacini ad avere tratto i maggiori vantaggi dai progressi fatti dalla scienza idrologica nel corso della attuale fase di sviluppo e di specializzazione, si deve constatare che le catastrofi ed i disastri, conseguenti ad eventi di pioggia eccezionali di breve durata e forte intensità, che si susseguono nelle aree densamente abitate e industrializzate sono sempre più frequenti e più drammatici. Proprio il desiderio di studiare e comprendere il comportamento dei bacini urbani e la volontà di prevedere gli scenari futuri relativi alle potenziali condizioni di drenaggio di un territorio interessato dalla urbanizzazione hanno favorito e praticamente imposto lo sviluppo di una specifica branca dell Idrologia, che va sotto la generica denominazione di Idrologia dei deflussi urbani. Si sono così sviluppati specifici modelli concettuali in grado sia di valutare l impatto che l urbanizzazione ha sul reticolo di drenaggio di un territorio, sia di determinare la risposta che un bacino idrografico ha (in termini idraulici, geomorfologici, ambientali, ecologici, gestionali) quando viene sollecitato da interventi dell uomo altamente dirompenti. Lo spopolamento delle campagne, la migrazione dalle zone rurali alle aree metropolitane, le modifiche socio-economiche ed il sempre più marcato ed inevitabile sviluppo delle aree industriali, commerciali ed urbane sono tutti fattori che hanno avuto ed hanno tuttora una notevole influenza sul meccanismo del ciclo idrologico e sulle sue differenti componenti e contribuiscono in maniera assai pronunciata e radicale a variare la reazione con la quale i bacini idrografici rispondono agli eventi atmosferici; inoltre si deve tenere presente che le trasformazioni conseguenti ad un diverso uso del suolo colpiscono aree, ben al di fuori delle stesse zone urbanizzate, ubicate soprattutto a valle e purtroppo, nella grande maggioranza dei casi, è assai limitato o manca del tutto un attento monitoraggio, che sia in grado di rilevare quali siano i cambiamenti che un territorio subisce in conseguenza degli interventi umani. I tecnici hanno potuto constatare quanto siano preoccupanti, potenzialmente dannosi e spesso difficilmente prevedibili i cambiamenti delle caratteristiche naturali di un intero bacino in conseguenza di alterazioni e 15