Idrologia

Finalità

Il corso intende fornire le conoscenze di base per la progettazione delle opere idrauliche e per la gestione delle risorse idriche di un bacino idrografico. Vengono affrontati i metodi di stima, di calcolo e di propagazione delle piene nei corsi d'acqua naturali, la cui conoscenza è necessaria per dimensionare le strutture atte a contenerle e/o mitigarle. Vengono affrontati anche i metodi di valutazione del bilancio idrologico a scala di bacino di un corso d'acqua, indispensabile premessa per una corretta gestione della risorsa idrica sia a scopo civile (acquedottistico, ecc.) che industriale (produzione di energia, portate derivabili, ecc.). Il corso si configura come la naturale evoluzione di quello di Idraulica (di cui richiede gran parte delle conoscenze) e si pone come propedeutico per i corsi di Costruzioni Idrauliche ed Infrastrutture Idrauliche.

Programma

Processi idrologici. Principali caratteristiche geomorfoclimatiche del bacino idrografico: leggi di Horton-Strahler, curva ipsografica ed idrodinamica, densità di drenaggio, pendenza dei versanti, fattori di forma. Misura delle precipitazioni: pluviometri, pluviografi; informazioni contenute negli ali Idrologici, parte I; scale temporali di interesse ai fini progettuali; regimi pluviometrici italiani; metodi di stima spaziale delle precipitazioni; topoieti, isoiete, metodi a griglia; elaborazione dei dati pluviometrici: curve di possibilità pIuviometrica puntuali e spaziali; coefficienti di riduzione all'area; evapotraspirazione potenziale ed effettiva; infiltrazione: metodo di Horton, del Soil Conservation Service (CN) e dell'indice . Metodi di misura dei livelli idrometrici e della velocità: idrometri, mulinelli, galleggianti, metodi chimici; metodi di calcolo della portata; scale di deflusso; informazioni contenute negli ali Idrologici, parte II; curve di durata delle portate; regimi idrologici italiani. Bilancio idrologico: volume di controllo, descrizione dei processi, equazione di bilancio idrologico, coefficiente di deflusso e di afflusso.
Metodologie di analisi e sintesi idrologica. Interpretazione delle variabili idrologiche come variabili casuali; rappresentazione delle serie empiriche; misure di tendenza centrale e di dispersione dei campioni di variabili aleatorie. Definizioni e teoremi fondamentali del calcolo delle probabilità: teorema di Bernoulli, probabilità totale e condizionata. Distribuzioni di probabilità: binomiale, di Poisson, normale, log-normale, esponenziale, di Gumbel, ecc.; valori attesi e momenti di una variabile casuale. Stima dei parametri; metodi dei momenti, della massima verosimiglianza e dei minimi quadrati. Verifica delle ipotesi statistiche; rappresentazione dei campioni di osservazioni sperimentali su carte probabilistiche.
Moto uniforme e permanente in alvei naturali. Tracciamento e calcolo dei profili in alvei prismatici e naturali; brusche variazioni di sezione: passaggi attraverso strettoie, ecc.
Formazione delle piene fluviali. Genesi e cause delle piene fluviali; analisi dell'idrogramma di piena e metodi di separazione delle componenti superficiale e sotterranea; modellazione matematica della trasformazione afflussi-deflussi: modelli di piena e modelli completi; modelli lineari: ipotesi e limiti, integrale di convoluzione, teoria dell'Idrogramma Unitario Istantaneo; IUH di un modello composto da più modelli in serie o parallelo; modelli concettuali: ipotesi, equazioni costitutive, IUH per i modelli dell'invaso, di corrivazione, di Nash, ecc.; metodologie di stima dei parametri del modelli concettuali: il metodo dei momenti e dei minimi quadrati; modelli empirici: stima dell' IUH con il metodo dei minimi quadrati (cenni).
Propagazione delle piene fluviali. Modelli idrologici: metodo Muskingum. Modelli idraulici: ipotesi di base ed equazioni di De Saint Venant; condizioni iniziali ed al contorno per correnti sub-critiche e supercritiche; discretizzazione delle equazioni: metodo delle caratteristiche, metodi alle differenze finite (espliciti ed impliciti), criterio di stabilità di Courant-Fredrichs-Lewy; formazioni di fronti d'onda ripidi e risalti (cenni); soluzione di Ritter per il caso di crollo istantaneo (cenni); dinamica degli allagamenti: modelli quasi-bidimensionali (cenni).
Stima delle portate di massima piena. Metodologie statistiche e tecniche di regionalizzazione; metodologie basate sulla trasformazione afflussi-deflussi; formule empiriche ed ordini di grandezza per i principali corsi d'acqua italiani.
Controllo delle piene. Provvedimenti strutturali estensivi ed intensivi (scolmatori, diversivi, casse di espansione); preuncio delle piene: ricostruzioni e controlli in tempo reale (cenni).

Attività d'esercitazione

Vengono svolte esercitazioni numeriche (anche con l'ausilio di calcolatori) sui seguenti argomenti: tracciamento di un profilo di moto permanente; determinazione di curve di possibilità pluviometrica; elaborazioni statistiche sulle portate di massima piena di un corso d'acqua; ricostruzione di un idrogramma di piena a partire dalle precipitazioni con modelli di trasformazione afflussi-deflussi; applicazione e taratura di un modello matematico di propagazione delle piene in un'asta fluviale; laminazione di un evento di piena a mezzo di una cassa di espansione; propagazione di una piena con il metodo Muskingum.

Modalità d'esame

L'esame consiste in un colloquio sugli argomenti svolti nel corso delle lezioni ed esercitazioni.

Propedeuticità

Analisi matematica I e II, Fisica generale I, Idraulica.

Testi consigliati

MAIONE, U. MOISELLO: "Elementi di statistica per l'Idrologia", La Goliardica Pavese, 1993.
MAIONE: "Le piene fluviali", La Goliardica Pavese, 1995.
MOISELLO: "Idrologia Tecnica", La Goliardica Pavese, 1998.

Testi d'approfondimento

CHOW V.T., MAIDMENT D.R., MAYS L.W.: "Applied Hydrology", Mc Graw Hill Ed., 1988.

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