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Questo documento contiene i seguenti argomenti: IDROLOGIA E DISSESTO IDROGEOLOGICO, BACINI IDREOGRAFICI (caratteristiche e bilancio), ANALISI DI FREQUENZA DI VARIABILI CASUALI IDROLOGICHE, ANALISI DELLE PRECIPITAZIONI, ANALISI DELLE PORTATE...

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LM in Ingegneria Civile - Appunti del Corso di IDROLOGIA – A.A. 2019-20 – VERSIONE IN BOZZA

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Sommario 1.

IDROLOGIA E DISSESTO IDROGEOLOGICO....................................................................................................3 1.1 Definizioni, ambiti e finalità dell’idrologia nelle scienze ambientali ....................................................3 1.2 Principali eventi alluvionali in Calabria .................................................................................................3

2.

I BACINI IDROGRAFICI ...................................................................................................................................8 2.1 Caratteristiche geomorfologiche e reticolo idrografico .......................................................................8 • • • •

2.2 • • •

3.

Caratteristiche planimetriche.............................................................................................................................. 8 Caratteristiche altimetriche ................................................................................................................................ 9 Ordinamento dei reticoli idrografici .................................................................................................................. 10 Leggi empiriche dei reticoli idrografici .............................................................................................................. 13

Bilancio idrologico ............................................................................................................................. 14 Infiltrazione ....................................................................................................................................................... 15 Evapotraspirazione ............................................................................................................................................ 17 Tempi caratteristici del bacino .......................................................................................................................... 18

ANALISI DI FREQUENZA DI VARIABILI CASUALI IDROLOGICHE .................................................................. 20 3.1 Frequenze campionarie e distribuzioni di probabilità ............................................................................. 20 • • • •

Distribuzioni di frequenza campionaria di variabili casuali ............................................................................... 20 Densità di probabilità e probabilità cumulata ................................................................................................... 22 Momenti della serie campionaria ..................................................................................................................... 23 Momenti della distribuzione di probabilità ....................................................................................................... 25

3.2 Analisi di frequenza at-site ...................................................................................................................... 27 • • • •

Distribuzioni di tipo discreto (processi di conteggio di occorrenze casuali) ..................................................... 27 Distribuzioni di tipo continuo ............................................................................................................................ 28 Distribuzioni dei valori estremi (Gumbel, Frechet, Weibull, 𝐺𝐸𝑉, 𝑇𝐶𝐸𝑉) ........................................................ 29 Momenti delle principali distribuzioni di probabilità ........................................................................................ 32

3.3 Metodi di stima dei parametri................................................................................................................. 32 • • •

Metodo dei momenti ........................................................................................................................................ 32 Metodo della massima verosimiglianza ............................................................................................................ 33 Metodi di stima dei parametri applicati alle principali distribuzioni. ................................................................ 33

3.4 Verifica delle ipotesi statistiche............................................................................................................... 34 3.5 Regressione e correlazione lineare.......................................................................................................... 35 4.

ANALISI DELLE PRECIPITAZIONI ................................................................................................................. 39 4.1 Formazione delle precipitazioni ........................................................................................................ 39 4.2 Strumenti e reti di misura delle piogge ............................................................................................. 39 • •

4.3 • •

4.4 • • •

4.5 • • •

4.6

5.

Misura delle precipitazioni ................................................................................................................................ 39 Annali del Servizio Idrografico ........................................................................................................................... 40

Regimi pluviometrici.......................................................................................................................... 40 Variabilità annuale e stagionale ........................................................................................................................ 40 Aridità e siccità meteorologica .......................................................................................................................... 40

Piogge intense ................................................................................................................................... 40 Curve caratteristiche delle piogge giornaliere .................................................................................................. 41 Curve di probabilità pluviometrica .................................................................................................................... 42 Pluviogrammi di progetto ................................................................................................................................. 44

Distribuzione spaziale delle piogge ................................................................................................... 45 Precipitazione media areale .............................................................................................................................. 45 Valutazione della pioggia netta ......................................................................................................................... 47 Coefficienti di afflusso e di deflusso .................................................................................................................. 51

Modelli stocastici di pioggia .............................................................................................................. 51

•

Processi puntuali marcati .................................................................................................................................. 52

4.7

Preannuncio meteorologico delle piogge ......................................................................................... 53

•

Modelli GCM e LAM .......................................................................................................................................... 53

ANALISI DELLE PORTATE ............................................................................................................................ 54 5.1 Formazione dei deflussi ..................................................................................................................... 54 5.2 Strumenti e reti di misura delle portate ............................................................................................ 54 •

Misure di livello idrico ....................................................................................................................................... 54

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5.3 5.4 5.5 • •

5.6 • • • • • • • •

5.7 • • •

2

Misure di velocità .............................................................................................................................................. 56 Scala delle portate in moto uniforme................................................................................................................ 57

Regimi fluviali .................................................................................................................................... 57 Curva di durata .................................................................................................................................. 57 Analisi statistica delle portate ........................................................................................................... 60 Analisi di frequenza regionale delle portate ...................................................................................................... 62 Analisi di frequenza delle portate di magra ...................................................................................................... 64

Modelli di trasformazione afflussi-deflussi ....................................................................................... 65 Metodo razionale .............................................................................................................................................. 66 Metodo della corrivazione ................................................................................................................................ 66 Idrogramma unitario (UH) ................................................................................................................................. 68 Idrogramma unitario istantaneo (IUH) .............................................................................................................. 68 Modelli concettuali dell’IUH .............................................................................................................................. 71 IUH geomorfologico (GIUH) ............................................................................................................................... 76 IUH geomorfoclimatico...................................................................................................................................... 78 IUH della funzione di ampiezza.......................................................................................................................... 79

Analisi delle serie temporali con processi stocastici ......................................................................... 79 Caratteristiche dei processi stocastici ................................................................................................................ 81 Processi stocastici basilari ................................................................................................................................. 83 Modelli stocastici lineari (Box-Jenkins, 1976) .................................................................................................... 84

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1. IDROLOGIA E DISSESTO IDROGEOLOGICO 1.1 Definizioni, ambiti e finalità dell’idrologia nelle scienze ambientali L'idrologia è la scienza che studia la dinamica dei flussi idrici che compongono il ciclo idrologico, cioè dei quantitativi di acqua che passano dall'atmosfera al suolo e quindi nei fiumi verso il mare e ancora verso l'atmosfera. I flussi dall'atmosfera alla superficie terrestre si chiamano precipitazioni, poi avviene l'infiltrazione nei suoli e la ripartizione tra ruscellamento superficiale e deflussi sotterranei e tra questi e l'evaporazione dai suoli, dalle superfici idriche e la traspirazione dalle piante e dagli animali (evapotraspirazione). Il ciclo idrologico costituisce un legame indissolubile con le forme viventi la cui forma, crescita, diversificazione sono regolate, oltre che dalla quantità di energia presente in un determinato luogo, dalla quantità d'acqua. A loro volta le specie viventi influenzano il clima locale e globale, come nel caso delle foreste pluviali, dove dimorano la maggior parte delle specie viventi: quasi metà della pioggia è generata dall'evapotraspirazione dalle foreste stesse. I processi ambientali correlati al ciclo idrologico sono molteplici ed intimamente connessi con la crescita delle piante e degli esseri viventi, la diversificazione degli ecosistemi, il fissaggio dell'anidride carbonica e la produzione di cibo. Osservando dall'alto i reticoli fluviali, non si può fare a meno di considerare la loro unità con il territorio che innervano. L'erosione delle montagne da parte del ruscellamento e il conseguente trasporto di sedimento plasma il paesaggio montano e forma le pianure creando forme frattali che solo di recente abbiamo imparato a riconoscere. Il ciclo idrologico è composto da “sottocicli” di diversa durata. Il ciclo più veloce è quello dell'acqua piovana che evapora prima ancora di toccare il suolo. Il ciclo più lungo si ha quando l'acqua percola nel profondo della crosta terrestre, per ritornare in superficie dopo migliaia di anni. Nel mezzo vi sono cicli di variabilità giornaliera, mensile, stagionale ed annuale. Anche spazialmente, i flussi idrologici si possono studiare su scale diverse, dalla singola pianta o appezzamento di terreno, al piccolo bacino fluviale montano sino al grande bacino fluviale che si estende su più nazioni. Alle scale spaziali e temporali più grandi, come alle più piccole, i flussi idrologici regolano il clima, con il concorso degli oceani e delle masse continentali. La conoscenza del ciclo idrologico consente di gestire con maggiore efficacia le risorse idrich e per i vari usi civili e per la prevenzione da esondazioni fluviali, erosione dei suoli e fenomeni franosi. L'idrologia è perciò il punto d'incontro di diverse discipline e professioni, tra cui ingegneri, ma anche climatologi, agronomi, geologi, fisici dell'atmosfera, meteorologi, geografi e biologi. Benché la conoscenza dei cicli idrologici sia così importante, l'idrologia è una scienza relativamente giovane. La comprensione semplificata del ciclo idrologico risale al Rinascimento, ma solo nell’ultimo secolo i fenomeni idrologici sono stati analizzati nel dettaglio con modelli matematici e statistici. Una caratteristica importante di molti flussi del ciclo idrologico è proprio la loro variabilità spaziale e temporale, che li rende difficili da modellare matematicamente. Questo spiega il ricorso agli strumenti statistici e probabilistici (teoria delle variabili casuali) e l’uso di concetti matematici nuovi, come le tecniche derivate dallo studio del caos deterministico e dalla meccanica statistica dei sistemi complessi. Un notevole impulso allo studio dei fenomeni idrologici è venuto anche dalla disponibilità in tempi recenti di tecnologie sconosciute nel passato: soprattutto computer e strumenti di rilevamento remoto (satelliti, strumenti laser e radar). Queste tecnologie, accoppiate ai nuovi strumenti matematici, promettono di consentire il controllo e la previsione in tempo reale del ciclo idrologico su vaste regioni della Terra, fornendo aiuti importanti alle tecniche agricole e aiutando a prevenire perdite di vite umane e di infrastrutture durante eventi meteorici estremi. 1.2 Principali eventi alluvionali in Calabria L’elenco degli eventi di dissesto da frana e inondazioni nella storia della Calabria di cui si ha notizia è interminabile. Negli archivi storici, in particolare nell’archivio di Stato di Napoli, è rimasta traccia delle alluvioni disastrose del 1790 (fiumi della piana di Rosarno ed Ancinale), del 1795 (Calopinace, Annunziata e Torbido), del 1827 (Catona e Gallico) e del 1880 (tutti i corsi d'acqua da Pellaro a Villa). E nei decenni successivi i fenomeni continuano a causare morti e danni incalcolabili, con la distruzione di interi centri abitati. Per tutta la seconda metà dell’800 e la prima metà del 900, le frane e le alluvioni

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continuano senza sosta a martoriare il territorio e le popolazioni della Calabria. La piena dell’Ancinale nel novembre 1935 e le devastazioni di Serra San Bruno e di Cardinale sono l’esempio più tragico. Gli Annali Idrologici, negli anni in cui più sensibile è stato il tributo di vittime e di danni economici per gli intensi eventi di piena, contenevano speciali appendici con il resoconto dei fatti idrologicamente più rilevanti successi nelle zone colpite dagli eventi estremi. Nei resoconti di queste appendici si trovano descritte le maggiori situazioni di danno desunte da documenti e sopralluoghi. Spesso si procedeva anche alla ricostruzione idrologica delle portate di piena transitanti nelle sezioni fluviali, nel tentativo di fornirne valori attendibili, sia pure con l’inevitabile approssimazione dell’epoca. Come esempio degli utili calcoli idrologici pubblicati in questi Annali, si riporta la ricostruzione dell’evento disastroso che colpì la fiumara Valanidi, nella provincia di Reggio Calabria, tra il 21 e il 22 ottobre 1953 (Parte seconda dell’Annale Idrologico del 1953). “Le piogge del pomeriggio del 21 provocarono le intumescenze iniziali in tutti i corsi d’acqua a Sud della stretta di S. Eufemia, Golfo di Squillace, che furono trasformate dai successivi rovesci in piene nella tarda notte sul 22. Le registrazioni idrometrografiche su alcuni fiumi confermano il carattere di violenza dell’alluvione nella sua fase iniziale. Precisamente per due corsi d’acqua del versante Jonico, sottoposti a sistematiche osservazioni, l’Ancinale (a Razzona) e il Corace (a Grascio), si notano rapidissimi incrementi di portata rispettivamente da 4 a 106 m3/s e da 5 a 75.3 m3/s. La portata massima peraltro persiste per breve tempo decrescendo con la stessa rapidità della salita. Le piene dei corsi d’acqua con foce all’Jonio provenienti dal versante orientale appenninico, da Serra S. Bruno a Monte Crocco, sono da segnalare per l’imponenza dei trasporti solidi depositati nelle zone vallive, specie per l’Alaco, il Gallipari che ha esondato a monte e a valle della strada Statale 106 ed il Vodà che ha sollevato il proprio alveo di un paio di metri. Si segnalano inoltre esondazioni dell’Assi a monte della Statale 106 e del Favaco a valle della detta Statale con estese corrosioni della scarpata del rilevato ferroviario. Passando ai corsi d’acqua provenienti dell’Aspromonte con foce all’Jonio è da rilevare la piena del Careri che ha asportato la centina della luce centrale del ponte distrutto dall’alluvione del 1951 ed ora in corso di ricostruzione e le piene dei corsi d’acqua della zona di Melito Porto Salvo a Reggio Calabria che hanno prodotto i più gravi danni con le esondazioni e i rilevanti depositi di materiale ghiaioso e sabbioso. Hanno esondato con maggiore o minore gravità: l’Annà, l’Oliveto, che hanno fatto crollare i ponte ferroviario per il sifonamento della spalla sinistra, diversi valloncelli notevoli per i trasporti di materiale sproporzionati alla modestissima estensione dei bacini. La Fiumara di S, Giovanni che ha prodotto danni nella zona di Pellaro, il Valanidi e l’Armo che hanno provocato diecine di vittime umane e gravissimi danni nei loro bacini. Queste due fiumare per quasi dieci mesi all’anno sono asciutte, tanto che l’alve...