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Bando Viaggio Istruzione 2015.pdf - IISS "AM Mazzei

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Il bacino idrografico
Definizione generica: il bacino idrografico pu`
o 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: `e 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.
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Cap 2 - Il bacino idrografico
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Lo scorrimento nei bacini idrografici
Il moto dell’acqua nei bacini viene chiamato scorrimento.
Esso avviene per l’azione della forza di gravit`a.
Il deflusso superficiale osservato nell’alveo di un corso d’acqua pu`o
essere alimentato da tre tipi di scorrimento:
Scorrimento superficiale: avviene sopra la superficie topografica
lungo le linee di massima pendenza. Le velocit`a sono dell’ordine di
10−1 ÷ 100 m s−1 .
Scorrimento sotterraneo: avviene nelle falde che si formano sopra
` alimentato dall’acqua che si `e
strati impermabili del sottosuolo. E
infiltrata ed ha percolato (verticalmente) sino alla falda. Il moto
avviene in condizioni di saturazione. Le velocit`a sono dell’ordine di
10−4 ÷ 10−1 m s−1 nelle sabbie e di 10−10 ÷ 10−7 m s−1 nelle argille.
Scorrimento ipodermico: avviene nello strato pi`
u superficiale del
sottosuolo, se questo presenta una permeabilit`a maggiore dello suolo
sottostante. Il moto avviene in condizioni non sature.
Le velocit`a sono talvolta paragonabili a quelle dello scorrimento
superficiale ⇒ difficolt`a nel separare le due componenti
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Cap 2 - Il bacino idrografico
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Definizione di bacino idrografico
La definizione ed il tracciamento di un bacino idrografico `e 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.
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Cap 2 - Il bacino idrografico
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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
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Il bacino idrografico
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Il bacino idrografico
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Caratteristiche morfometriche: dimensioni planimetriche
Area Ab : 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 La : misurata attraverso
il ”percorso idraulicamente pi`
u lungo” (ovvero temporalmente pi`
u
lungo) partendo dallo spartiacque sino alla sezione di chiusura.
L’asta (fluviale) principale identifica il percorso dell’acqua pi`
u
importante, lungo il quale dovrebbero anche defluire le portate
maggiori.
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Caratteristiche morfometriche: forma
4πAb
Ab
= 12.6 2
2
P
P
P
P
= 0.28 √
Rapporto di uniformit`
a: Ru = √
2 πAb
Ab
Ab
Fattore di forma: Rf = 2
La
√
√
2 Ab
Ab
Rapporto di allungamento: Ra = √ = 1.13
La
La π
Rapporto di circolarit`
a: Rc =
=⇒ equivalenze: Ru2 = Rc−1 e Ra2 = Rf 4/π
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Caratteristiche morfometriche: rilievo
Z Ab
1
Altezza media: z =
zdA
Ab 0
Altezza mediana `e l’altezza z50 tale che il 50 % della superficie del
bacino ha una quota z > z50 e il restante 50 % della superficie del
bacino ha una quota z < z50
Curva ipsografica: `e un diagramma rovesciato in cui nelle ascisse
sono rappresentate le aree del bacino aventi elevazioni maggiori delle
quote z riportate nelle ordinate.
Rilievo: ∆zmax differenza di quota fra il punto pi`
u elevato dello
spartiacque e la sezione di chiusura del bacino.
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Caratteristiche morfometriche: pendenza del bacino
∆zL
Ab
◦ ∆z differenza di quota fra le curve di livello
◦ L lunghezza dello sviluppo totale delle curve di livello (∆z costante)
◦ lj lunghezza isoipsa j-esima
◦ dj distanza media fra isoipsa j-esima e (j + 1)-esima
∆zlj
∆zlj
∆z
=
=
ij =
dj
dj lj
Aj
X Aj
= ....
im =
ij
Ab
Metodo di Alvard-Horton: ib =
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 pi`
u vicine, e si misura la minima distanza dj fra queste due
N
∆z
1 X
curve. Si calcola: ij =
⇒ ib =
ij
dj
N
j
N `e il numero di nodi del reticolo che ricadono all’interno del bacino
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Caratteristiche morfometriche: pendenza asta principale
Pendenza media dell’asta principale - I:
p
im = P
La
k
√lk
ik
dove lk e ik sono la lunghezza e la pendenza del k-esimo tratto elementare
` ricavata ipotizzando moto uniforme assolutamente
dell’asta principale. (E
√
turbolento per ciascuno di questi tratti: Uk ∝ ik )
Pendenza media dell’asta principale - II (poco utilizzata):
im =
∆zmax
L
dove ∆zmax `e ora la differenza di quota fra il punto pi`
u 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)
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Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (I)
Tempo di corrivazione: si pu`
o 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: `e il tempo impiegato da una goccia
che cade nel punto idraulicamente pi`
u lontano a raggiungere la sezione di
` il massimo tempo di corrivazione fra tutti i punti del bacino.
chiusura. E
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Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (II)
Formule per il calcolo del tempo di corrivazione del bacino tc [ore]:
0.7 −0.5
ib
• Soil Conservation Service: tc = 0.00227(1000La )0.8 [(1000/CN) − 9]
r
• Ventura: tc = 0.1272
Ab
im
√
4 Ab + 1.5La
√
• Giandotti: tc =
0.8 zm − z0
0.108
• Pasini: tc = √ (Ab La )1/3
im
• Viparelli: tc =
La
3.6V
Ab = area bacino [km2 ]
La = lunghezza dell’asta principale del bacino [km]
V = velocit`a media di scorrimento superf. [m/s]: si pu`
o porre 1 ÷ 1.5 m/s
zm = quota media del bacino [m.s.l.m.]
z0 = quota della sezione di chiusura del bacino [m.s.l.m.]
im = pendenza media dell’asta principale del bacino [-]
ib = pendenza media percentuale del bacino [-]
CN = Curve Number del Soil Conservation Service [-], compreso fra 0 e 100
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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 `e
proporzionale alla differenza di quota fra la isoipsa corrispondente e la
sezione di chiusura. La costante di proporzionalit`a `e tc /∆zmax , dove tc `e
il tempo di corrivazione del bacino e ∆zmax 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.
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( 16 / 26 )
Caratteristiche morfometriche: curva area-tempi
` una
Curva area-tempi: caratterizza il comportamento cinematico del bacino. E
curva monotona crescente.
Ascissa: i diversi tempi di
corrivazione dei punti del
bacino. L’intervallo delle
ascisse `e compreso fra 0 e
il tempo tc di corrivazione
del bacino.
Ordinata: le aree del bacino
aventi tempi di corrivazione
minori o uguali ai corrispondenti tempi letti in ascissa.
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( 17 / 26 )
Caratteristiche morfometriche: ritardo del bacino
Ritardo del bacino: `e l’intervallo di tempo fra i baricentri dello
ietogramma di pioggia e l’idrogramma dei deflussi di piena nella sezione
di chiusura.
h(t)
Ietogramma:
grafico delle altezze o intensit`a i(t)
di precipitazione in funzione del
tempo.
t
Q(t)
Idrogramma:
grafico delle portate (o altezze) di deflusso in funzione
del tempo.
t
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( 18 / 26 )
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)
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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)
• stabilit`a dei corsi d’acqua
• ... interrimento dei serbatoi.
.... ma non `e oggetto di questo corso.
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Bilanci idrologici nei bacini
Equazione generale di continuit`a (conservazione, bilancio) per un volume di
controllo (serbatoio, bacino):
dV = Qe (t) − Qu (t)
[L3 T−1 ]
dt t
• t = tempo [T]
• V (t) = volume invasato all’istante t [L3 ]
• Qe (t) e Qu (t) = portata entrante e uscente all’istante t [L3 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:
Z
t0 +∆t
Z
t0 +∆t
Qe (τ )dτ −
∆V =
t0
[L3 o L(∗) ]
Qu (τ )dτ = Ve − Vu
t0
• ∆V = variazione del volume invasato nell’intervallo ∆t [L3 o L(∗) ]
• Ve e Vu = volume entrato e uscito nell’intervallo ∆t [L3 o L(∗) ]
(∗) se i termini del bilancio sono divisi per l’area Ab del bacino.
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Bilancio superficiale del bacino
In un bacino idrografico, il bilancio superficiale per un assegnato intervallo di
tempo ∆t (es. giorno, mese, anno) pu`
o essere cos`ı scritto:
∆Vs = P − Qs + Qg −E − T −I
| {z }
[L3 o L]
−ET
dove tutte le grandezze devono essere riferite allo stesso intervallo ∆t:
∆Vs = variazione del volume invasato superficialmente (intercezione della
vegetazione, depressioni superficiali, canalizzazioni della rete idrografica,
invasi superficiali)
P = afflusso meteorico (precipitazione)
Qs = deflusso superficiale nella sezione di chiusura (tre componenti:
alimentate da scorrimento superficiale, sotterraneo, ipodermico)
Qg = 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 pu`
o essere scritto facendo riferimento anche ad altri volumi di
controllo (bilancio sotterraneo, bilancio totale)
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Perdite nel bilancio del bacino
Qs = Qg + P − ∆Vs −E − T −I
| {z }
[L3 o L]
−ET
Si classifica come ”perdita” quella parte dell’afflusso meteorico P che non
contribuisce al deflusso Qs .
Riferendosi alla equazione del bilancio si hanno le seguenti perdite:
Volumi immagazzinati ∆V :
a) Intercezione: acqua che non raggiunge il suolo perch`e 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
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Definizioni della pioggia depurata da alcune perdite
Pioggia meteorica: `e la pioggia che arriva in prossimit`a 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.
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( 25 / 26 )
Intercezione
Una parte della precipitazione si deposita sulla vegetazione e non
raggiunge il suolo.
Intercezione: `e 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 `e poco importante, spesso
trascurabile.
Bilanci di lungo periodo (valutazione risorse): `e importante, nelle foreste
pu`
o essere pari al 25 % dell’afflusso meteorico.
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