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Il bacino idrografico

Definizione generica: il bacino idrografico puo essere definito come illuogo geometrico dove le precipitazioni meteoriche vengono raccolte etrasformate in deflussi alla sezione di chiusura.In questa trasformazione le acque di origine meteorica possono esseresoggette ad evaporazione, traspirazione, infiltrazione e possono muoversicon diverse forme di scorrimento.

Rete idrografica: e l’insieme dei corsi d’acqua di un bacino ed ha unatipica struttura ramificata.

Le caratteristiche morfologiche, geologiche e botaniche del bacinocontrollano la trasformazione degli afflussi meteorici in deflusso.

Idrologia - A.A. 17/18 - R. Deidda Cap 2 - Il bacino idrografico ( 1 / 26 )

Lo scorrimento nei bacini idrografici

Il moto dell’acqua nei bacini viene chiamato scorrimento.Esso avviene per l’azione della forza di gravita.Il deflusso superficiale osservato nell’alveo di un corso d’acqua puoessere alimentato da tre tipi di scorrimento:

Scorrimento superficiale: avviene sopra la superficie topograficalungo le linee di massima pendenza. Le velocita sono dell’ordine di10−1 ÷ 100 m s−1.Scorrimento sotterraneo: avviene nelle falde che si formano soprastrati impermabili del sottosuolo. E alimentato dall’acqua che si einfiltrata ed ha percolato (verticalmente) sino alla falda. Il motoavviene in condizioni di saturazione. Le velocita sono dell’ordine di10−4÷10−1 m s−1 nelle sabbie e di 10−10÷10−7 m s−1 nelle argille.Scorrimento ipodermico: avviene nello strato piu superficiale delsottosuolo, se questo presenta una permeabilita maggiore dello suolosottostante. Il moto avviene in condizioni non sature.Le velocita sono talvolta paragonabili a quelle dello scorrimento su-perficiale ⇒ difficolta nel separare le due componenti


Definizione di bacino idrografico

La definizione ed il tracciamento di un bacino idrografico e semprerelativa ad una sezione di chiusura del bacino, posta su un corsod’acqua.

Fissata la sezione di chiusura, si definisce bacino idrografico(superficiale) o bacino imbrifero la superficie topografica dalla quale leacque di pioggia, defluendo naturalmente, attraversano la sezione dichiusura.

Il bacino idrografico viene tracciato su carta topografica con curve dilivello seguendo gli spartiacque.

• bacino idrografico (superficiale) o bacino imbrifero• bacino idrografico sotterraneo o bacino idrogeologicoI due bacini possono non coincidere planimetricamente.


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


Caratteristiche morfometriche: dimensioni planimetriche

Area Ab: superficie della proiezione orizzontale del bacino idrografico

Perimetro P: lunghezza della proiezione orizzontale di tutto il con-torno del bacino idrografico

Lunghezza dell’asta (fluviale) principale La: misurata attraverso ilpercorso idraulicamente piu lungo (ovvero temporalmente piu lungo)partendo dallo spartiacque sino alla sezione di chiusura. L’asta (flu-viale) principale identifica il percorso dell’acqua piu importante, lungoil quale dovrebbero anche defluire le portate maggiori.


Caratteristiche morfometriche: forma

Rapporto di circolarita: Rc =4πAb

P2= 12.6

Ab

P2

Rapporto di uniformita: Ru =P

2√πAb

= 0.28P√Ab

Fattore di forma: Rf =Ab

L2a

Rapporto di allungamento: Ra =2√

Ab

La√π

= 1.13

√Ab

La

=⇒ equivalenze: R2u = R−1

c e R2a = Rf 4/π


Caratteristiche morfometriche: rilievo

Altezza media: z =1

Ab

∫ Ab

0zdA

Altezza mediana e l’altezza z50 tale che il 50 % della superficie delbacino ha una quota z > z50 e il restante 50 % della superficie delbacino ha una quota z < z50

Curva ipsografica: e un diagramma rovesciato in cui nelle ascissesono rappresentate le aree del bacino aventi elevazioni maggiori dellequote z riportate nelle ordinate.

Rilievo: ∆zmax differenza di quota fra il punto piu elevato dellospartiacque e la sezione di chiusura del bacino.


Caratteristiche morfometriche: pendenza del bacino

Metodo di Alvard-Horton: ib =∆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

ij =∆z

dj=

∆zljdj lj

=∆zljAj

im =∑j

ijAj

Ab= ....

Metodo del reticolo: si sovrappone un reticolo a maglie quadrate regolarisu una carta topografica. Per ogni nodo del reticolo si individuano le duecurve di livello piu vicine, e si misura la minima distanza dj fra queste due

curve. Si calcola: ij =∆z

dj⇒ ib =

1

N

N∑j

ij

N e il numero di nodi del reticolo che ricadono all’interno del bacino


Caratteristiche morfometriche: pendenza asta principale

Pendenza media dell’asta principale - I:

√im =

La∑k

lk√ik

dove lk e ik sono la lunghezza e la pendenza del k-esimo tratto elementaredell’asta principale. (E ricavata ipotizzando moto uniforme assolutamenteturbolento 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 piu elevato dell’astaprincipale (posto nello spartiacque) e la sezione di chiusura del bacino

Pendenza media dell’asta principale - III (poco utilizzata):retta di compenso (Figura 3.8)


Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (I)

Tempo di corrivazione: si puo definire, ed associare ad ogni punto delbacino, il tempo impiegato da una goccia che cade in quel punto araggiungere la sezione di chiusura. (questo tempo viene considerato unacostante dipendente solo dal punto e non dalle condizioni di moto).

Tempo di corrivazione del bacino: e il tempo impiegato da una gocciache cade nel punto idraulicamente piu lontano a raggiungere la sezione dichiusura. E il massimo tempo di corrivazione fra tutti i punti del bacino.


Caratteristiche morfometriche: tempo di corrivazione (II)

Formule per il calcolo del tempo di corrivazione del bacino tc [ore]:

• Soil Conservation Service: tc = 0.00227(1000La)0.8 [(1000/CN)− 9]0.7 i−0.5b

• Kirpich: tc = 0.06628L0.77a

i0.385r

dove ir =zmax − z0

1000La

• Ventura: tc = 0.1272

√Ab

im• Pasini: tc =

0.108√im

(AbLa)1/3

• Giandotti: tc =4√

Ab + 1.5La

0.8√

zm − z0• Viparelli: tc =

La

3.6V

Ab = area bacino [km2]La = lunghezza dell’asta principale del bacino [km]V = velocita media di scorrimento superf. [m/s]: si puo porre 1÷ 1.5 m/szm, zmax = quota media e quota massima 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


Caratteristiche morfometriche: linee isocorrive

Linee isocorrive: luogo dei punti aventi lo stesso tempo di corrivazione.Il tracciamento delle linee isocorrive richiederebbe il calcolo e ladeterminazione del tempo di corrivazione per ogni punto del bacino.Si ricorre a metodi semplificati.

Metodo 1 (Viparelli, 1961). Le isocorrive si considerano coincidenticon le curve di livello. Il tempo di corrivazione di ciascuna isocorriva eproporzionale alla differenza di quota fra la isoipsa corrispondente e lasezione di chiusura. La costante di proporzionalita e tc/∆zmax , dove tc eil tempo di corrivazione del bacino e ∆zmax il rilievo.Metodo 2. Tempo di corrivazione proporzionale alla distanza fra ilpunto considerato e la sezione di chiusura. Le isocorrive sono archi dicerchio con centro nella sezione di chiusura.Metodo 3. Tempo di corrivazione proporzionale alla lunghezza delpercorso compiuto dalla goccia d’acqua che cade nel punto perraggiungere la sezione di chiusura.


Caratteristiche morfometriche: curva area-tempi

Curva area-tempi: ca-ratterizza il comportamen-to cinematico del baci-no. E una curva monotonacrescente.

Ascissa: i diversi tempi dicorrivazione dei punti delbacino. L’intervallo delleascisse e compreso fra 0 eil tempo tc di corrivazionedel bacino.

Ordinata: le aree del ba-cino aventi tempi di corri-vazione minori o uguali aicorrispondenti tempi letti inascissa.

Forma standard adimensionale (HEC-HMS):

A(t)

Ab=

√

2

(t

tc

)1.5

per t ≤ tc/2

1−√

2

(1− t

tc

)1.5

per t > tc/2


Caratteristiche morfometriche: ritardo del bacino

Ritardo del bacino: e l’intervallo di tempo fra i baricentri delloietogramma di pioggia e l’idrogramma dei deflussi di piena nella sezionedi chiusura.

Ietogramma:grafico delle altezze o intensitadi precipitazione in funzione deltempo.

t

i(t)

h(t)

Idrogramma:grafico delle portate (o altez-ze) di deflusso in funzione deltempo.

t

Q(t)


Altre caratteristiche dei bacini

Le caratteristiche geologiche (suoli permeabili/impermeabili, roccecompatte 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)


Geomorfologia fluviale

La geomorfologia fluviale studia i processi di evoluzione del bacino, inparticolare:• evoluzione della morfologia dei bacini e degli alvei• trasporto solido (carico di fondo, carico sospeso e misto)• stabilita dei corsi d’acqua• ... interrimento dei serbatoi.

.... ma non e oggetto di questo corso.


Bilanci idrologici nei bacini

Equazione generale di continuita (conservazione, bilancio) per un volume dicontrollo (serbatoio, bacino):

dV

dt

∣∣∣∣t

= Qe(t)− Qu(t) [L3 T−1]

• 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:

∆V =

∫ t0+∆t

t0

Qe(τ)dτ −∫ t0+∆t

t0

Qu(τ)dτ = Ve − Vu [L3 o L(∗)]

• ∆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.


Bilancio superficiale del bacinoIn un bacino idrografico, il bilancio superficiale per un assegnato intervallo ditempo ∆t (es. giorno, mese, anno) puo essere cosı scritto:

∆Vs = P − Qs + Qg −E − T︸︷︷︸−ET

−I [L3 o L]

dove tutte le grandezze devono essere riferite allo stesso intervallo ∆t:

∆Vs = variazione del volume invasato superficialmente (intercezione del-la vegetazione, depressioni superficiali, canalizzazioni della rete idrografica,invasi superficiali)

P = afflusso meteorico (precipitazione)

Qs = deflusso superficiale nella sezione di chiusura (tre componenti: ali-mentate da scorrimento superficiale, sotterraneo, ipodermico)

Qg = deflusso proveniente dal sottosuolo (componente sotterranea + ipo-dermica) 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 puo essere scritto facendo riferimento anche ad altri volumi dicontrollo (bilancio sotterraneo, bilancio totale)


Perdite nel bilancio del bacino

Qs = Qg + P −∆Vs −E − T︸︷︷︸−ET

−I [L3 o L]

Si classifica come perdita quella parte dell’afflusso meteorico P che noncontribuisce al deflusso Qs .Riferendosi alla equazione del bilancio si hanno le seguenti perdite:

Volumi immagazzinati ∆V :a) Intercezione: acqua che non raggiunge il suolo perche trattenuta dallavegetazioneb) Detenzione superficiale: acqua necessaria a bagnare le superfici (velod’acqua che scorre sul terreno)c) Depressioni superficiali: acqua immagazzinata nelle depressioni delterreno (piccoli avallamenti ... zone paludose)d) Volumi invasati nella rete idrografica: nei corsi d’acqua, nei laghinaturali o artificiali

Evaporazione: E

Traspirazione T o meglio Evapotraspirazione: ET (=E + T )

Infiltrazione: I


Definizioni della pioggia depurata da alcune perdite

Pioggia meteorica: e la pioggia che arriva in prossimita del suolo e dellavegetazione, in seguito ai diversi meccanismi microfisici in atmosfera chedanno 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 chiu-sura, 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 deldeflusso nella sezione di chiusura.Scorrimento superficiale + scorrimento ipodermico.


Intercezione

Una parte della precipitazione si deposita sulla vegetazione e nonraggiunge il suolo.

Intercezione: e la differenza fra l’altezza di precipitazione misurata daun pluviometro posto in terreno scoperto e la somma (delle altezze) dellaprecipitazione che raggiunge il suolo attraverso il fogliame e scivolandolungo il tronco.

Piene (eventi estremi): l’intercezione e poco importante, spessotrascurabile.

Bilanci di lungo periodo (valutazione risorse): e importante, nelle forestepuo essere pari al 25 % dell’afflusso meteorico.


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