Il ruscellamento LM-75: 2016/2017 SCIENZE E TECNOLOGIE PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO Il ruscellamento Prof. Micòl Mastrocicco E-mail: micol.mastrocicco@unina2.it Tel: 0823 274609 Cell: 349 3649354

Il bilancio idrologico Il volume d’acqua precipitato su un bacino idrologico forma gli AFFLUSSI, mentre il volume che esce dal bacino idrografico (deflusso superficiale) e/o dal bacino idrogeologico (deflusso ipodermico e deflusso di falda) forma il DEFLUSSO. I due volumi non coincido poiché parte delle precipitazioni evaporano tornando in atmosfera. L’equazione del bilancio di massa che esprime il bilancio idrologico è: 𝜹𝑺 𝜹𝒕 =𝑨−𝑸 δS/δt = variazione di volume immagazzinato nel sistema (S: storage), A = afflussi, Q = deflussi. In un dato intervallo di tempo l’equazione generale del bilancio diventa: P + δQ + δG − 𝐄𝐓=δ𝐒 P = precipitazione, δQ = differenza tra deflusso superficiale entrante ed uscente dal sistema, δG = differenza tra deflusso sotterraneo entrante ed uscente dal sistema, ET = evapotraspirazione, δS = volume immagazzinato nel sistema

Il deflusso superficiale Il deflusso superficiale (o ruscellamento) è definito come il trasferimento della massa d’acqua che scorre sulla superficie del suolo. Tale scorrimento è molto più rapido di qualsiasi trasferimento sottosuperficiale ed è direttamente proporzionale alla pendenza del declivio. Lo scorrimento superficiale oltre a determinare il picco della curva di deflusso in un bacino idrografico determina anche il processo di erosione, dovuto all’effetto abrasivo dell’acqua che scorre sul suolo. Lo scorrimento inizia quando le depressioni superficiali si sono riempite e quando la capacità di infiltrazione nel terreno è diventata inferiore all’intensità di pioggia. Dopo brevi tratti di scorrimento sulla superficie del terreno, tale deflusso viene convogliato in «compluvi» e successivamente confluisce nel reticolo idrografico. Il processo si presenta normalmente disomogeneo nello spazio, causando la crescita delle portate dapprima lenta e poi sempre più rapida in relazione al crescere delle aree contribuenti.

Infiltrazione vs Deflusso Soil saturation

Esercizi sull’infiltrazione: CN-SCS Calcola la capacità di infiltrazione per l’evento di precipitazione del 31.05.2014 presso Este, sapendo che: Il bacino è costituito da suolo franco argilloso sabbioso coperto da boschi con buona capacità di drenaggio L’altezza complessiva di precipitazione è di 199.8 mm suddivisa in due eventi separati: 1° evento: 58.2 mm 2° evento: 161.6 mm Prima dell’evento del 31.05.2014 le precipitazioni sono state assenti per 8 giorni Inoltre, se assumiamo un’evapotraspirazione reale del 60% per entrambi gli eventi, quando si ha infiltrazione e quando si generano deflussi superficiali? Dalle caratteristiche del bacino si può stabilire che CN = 70 Sapendo l’andamento delle precipitazioni, per il 1° evento le condizioni AMC corrispondono al gruppo I mentre per il 2° le condizioni AMC corrispondono al gruppo III, quindi: CN(I) = 51.1 e CN(III) = 84.7 Ne deriva che S per il 1° ed il 2° evento è pari a: 𝑆 1 = 25400 51.1 −254 = 243.06 mm 𝑆 2 = 25400 84.7 −254 = 45.88 mm Er1=58.2*0.6=34.9 quindi Pe1=58.2-34.9=23.3 => si ha infiltrazione ma non deflusso poiché S1>Pe1 Er2=161.6*0.6=97 quindi Pe2=161.6-97=64.6 => si ha infiltrazione e anche deflusso poiché S2<Pe2 quindi il run-off è pari a Pe2 - S2 =64.6 - 45.88 = 18.72 mm, e se il bacino è di 20 Km2 l’incremento di deflusso alla chiusura del bacino, dovuto all’evento meteorologico in esame sarà di: 0.01872x20.000.000=374400 m3

Meccanismi di deflusso Meccanismo Hortoniano (overland flow): si ha quando la precipitazione efficace è maggiore della capacità di infiltrazione. L’acqua riempie gli avvallamenti superficiali e poi ruscella lungo il pendio. Prevale in aree coltivate o negli ammassi rocciosi con scarsa o assente copertura vegetale ed è tipico di ambienti aridi o molto urbanizzati. Meccanismo di Exfiltrazione (return flow): si ha in terreni saturi dove l’acqua fluisce sotto la superficie del suolo (sia lentamente attraverso la matrice del terreno sia velocemente attraverso i macropori) ma ad un certo punto è costretta a riemergere in superficie o per contrasti di permeabilità o per variazione del profilo topografico. Prevale in aree con vegetazione naturale ed elevata conducibilità idraulica

Fattori che influenzano il ruscellamento Caratteristiche del luogo: altitudine, latitudine Caratteristiche dell’evento piovoso: intensità, durata, quantità Geometria del bacino: area, forma, pendenze, densità del drenaggio, lunghezza dei corsi d’acqua Caratteristiche litologiche dei suoli Uso del suolo Copertura vegetale: vegetazione, urbanizzazione Condizioni precedenti l’evento piovoso: umidità del suolo nel bacino prima dell’evento

Misure di portata Per calcolare la portata è necessario stimare sia l’area di deflusso (area bagnata) sia la velocità del flusso. Per stimare la velocità esistono 2 metodi: Euleriano e Lagrangiano. In una stessa sezione le velocità variano sia per attrito con area e sponde sia per conformazione delle sponde stesse

Metodo Euleriano Mulinello Idrometrico La sezione scelta per la misura di portata deve essere in un tratto rettilineo ed il fondo deve essere ben definito e soprattutto impermeabile (roccia o stramazzi di misurazione) La velocità del flusso si ottiene moltiplicando i «giri al minuto» misurati dal mulinello idrometrico per un fattore costruttivo diverso per ciascun mulinello (da tabelle del costruttore). Tale misura va fatta nel baricentro di ciascun area considerata, quindi va stimata la velocità a diversa profondità 30<Q<5600 l/s Q=1.86BH1.5 90° 0.2<Q<2.4 l/s Q=1.38H2.5 Mulinello Idrometrico

Curva della «scala delle portate» Ripetendo le misurazioni per diverse portate è possibile ricavare una curva che mette in relazione l’altezza idrometrica con la portata stessa così che in futuro basterà leggere il livello per conoscere la portata. In genere per portate eccezionali (sia troppo piccole che troppo grandi) questo metodo è poco attendibile! Mulinello Asta graduata Portata Q (m3/s) Battente H (m)

Metodo Lagrangiano La misurazione della sezione avviene sempre nello stesso modo, mentre la velocità viene misurata lungo un tratto del fiume e non in una sezione precisa.

Idrogramma L’andamento della portata di un corso d’acqua nel tempo si rappresenta con un Idrogramma. La forma dell’idrogramma varia sia in funzione dell’evento meteorico che lo ha prodotto sia in funzione delle caratteristiche del bacino idrografico.

La portata di piena La portata di piena (m3/s) ricorrente può essere calcolata con diversi metodi: Forma geometrica della sezione Qc=3.741 A1.015 Rb-0.515 Qc portata con tempo di ritorno di 2.33 anni, A sezione di misura, Rb rapporto tra battente massimo e medio nella sezione considerata Dimensione del bacino idrografico Qc= {3.25 [500/(Ab +125)] +1} Ab Qc portata di piena, Ab superficie del bacino Formula razionale Q= C iτ Ab Q portata di piena, C coefficiente di proporzionalità, iτ intensità di precipitazione (dove iτ = h/τ, con h è l’altezza di precipitazione e τ è il tempo di corrivazione), Ab superficie del bacino

Formula razionale Q= C iτ Ab C = 0.0667 + 0.0543 ln(T) con T = tempo di ritorno dell’evento considerato iτ = h/τ (in mm/h) per calcolare il tempo di corrivazione (tempo necessario affinchè la pioggia dell’evento considerato viaggi dal punto più distante del bacino alla sezione di chiusura) esistono varie formule empiriche: PASINI τP = 0.108 3 𝐴 𝑏 𝐿 𝑆 GIANDOTTI τG = 4 𝐴 𝑏 +1.5𝐿 0.8 𝐻 (adatta per grandi bacini) KIRPICH τK = 0.01947 𝐿 𝐿 ∆ℎ 0.77 (adatta per piccoli bacini) con Ab superficie del bacino, L lunghezza dell’asta principale, S pendenza dell’asta principale, H altitudine media del bacino, Δh differenza tra quota massima dell’asta principale e quota della sezione di chiusura del bacino

Le esondazioni Sono fenomeni che fanno parte del regime naturale dei corsi d’acqua ma uno scorretto utilizzo del territorio ha fatto si che il tempo di ritorno di portata di piena eccezionali vada via via riducendosi. I principali fattori che determinano un inasprimento del rischio idrologico sono: nelle parti superiori dei bacini idrografici: realizzazione di opere di consolidamento (muri, drenaggi, reti paramassi) ed opere idrauliche (briglie, soglie e argini), che inducono anche modifiche negli habitat naturali nelle parti collinari e pianeggianti: impermeabilizzazione che non solo riduce la capacità di infiltrazione ma diminuisce anche il tempo di corrivazione Un effetto evidente dello scorrimento concentrato, ed in particolare degli eventi di esondazione è l’erosione, che può essere diffusa e/o concentrata.

L’erosione La goccia di pioggia cadendo al suolo genera il distacco di particelle. Maggiore è l’intensità di pioggia (gocce grandi ed elevata velocità di caduta) maggiore è l’erosione. L’acqua di scorrimento determina il distacco di particelle superficiali di suolo ed il loro successivo trasporto verso valle. Maggiore è la velocità e la turbolenza dell’acqua di scorrimento maggiore è l’erosione Se lo scorrimento è concentrato in impluvi si genera un’erosione incanalata con asportazione di materiale via via più grossolano Lo scorrimento sottosuperficiale può indurre lo scollamento di porzioni di suolo i cui legami sono stati indeboliti da cicli di degradazione meteorica (es: gelo-disgelo, alterazione chimica, vento). Nei casi più gravi quest’erosione di massa genera vere e proprie frane e/o crolli che si muovo sotto l’effetto della forza gravitazionale La copertura vegetale limita l’erosione rallentando le gocce di pioggia sia riducendo la velocità di scorrimento al suolo (maggiore scabrezza con maggior capacità di infiltrazione)

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Velocità critica (m/s) Il trasporto solido Il materiale eroso e trasportato a valle dalle portate di piena può viaggiare sia in sospensione (particelle più fini o materiale dotato di capacità di galleggiamento) sia sul fondo (materiale più grossolano). Maggiore è la turbolenza del flusso maggiore è il trasporto in sospensione. Il trasporto sul fondo si innesca al superamento della «velocità critica». Materiale Velocità critica (m/s) Argilla 0.08 Sabbia fine 0.16 Ghiaia fine 0.18 Ghiaia media 0.65 ciottoli 1.50 saltellamento strisciamento rotolamento

sospensione Sospensione e trasporto al fondo (stimabili) Sospensione e trasporto al fondo (NON stimabili)