La generazione del deflusso Modelli semplificati
Riccardo Rigon
R. H
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19
30
2
Obbiettivi
•Illustrare, per via euristica, il comportamento del’infiltrazione a scala di versante
•Introdurre il tema, simmetrico a quello dell’infiltrazione e della redistribuzione laterale, della produzione di deflusso.
•Analizzare i processi a scala di versante e, in particolare, i processi di
generazione del deflusso superficiale.
Introduzione
Riccardo Rigon
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Lo scopo delle slide seguenti è quello di dare una indicazione di come calcolare
l’idrogramma di un versante dovuto al deflusso subsuperficiale e superficiale.
Infiltrazione a scala di versante
Introduzione
Riccardo Rigon
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Introduciamo un concetto empirico
la capacità di infiltrazione
Come la capacità di un suolo e/o di un materiale di permettere
l’infiltrazione di una certa intensità di precipitazione e/o di irrigazione.
Assumiamo, per il momento, senza giustificazione
che vi sia una grandezza misurabile che la quantifiche e che questa sia la
conducibilità idraulica
Introduzione
Riccardo Rigon
5
Acc
umul
ated
Infil
tratio
n (m
m)
100
200
300
400
60 120 180Time (minutes)
Grave
ly sa
ndy l
oam
Sandy loam (pasture)
Sandy loam (mulch)
Sandy loam (wheat)
Silt loam
Clay
L’infiltrazione dipende dal tipo di suolo
[Adapted from Taylor and Ashcroft, 1972]
Introduzione
Riccardo Rigon
6
Condizioni del suolo
Tessitura
Struttura
Profondità
Stratificazione
Variabilità spaziale
Radici
Profondità della falda
Presenza di drenaggi
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Introduzione
Riccardo Rigon
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Condizioni della superficie
Uso del suolo
Copertura Vegetale
Scabrezza
Fessurazione e “Crusting”
Impermeabilizzazione
Idrofobicità
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Introduzione
Riccardo Rigon
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Condizioni del flusso
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Carico Idraulico
Viscosità
Chimica
Temperature del suolo e dell’acqua
Intrappolamento dell’aria
Introduzione
Riccardo Rigon
Infiltrazione
Due casi : La precipitazione è maggiore della capacità di infiltrazione oppure minore
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Infiltrazione
Riccardo Rigon
La precipitazione è minore della capacità di infiltrazione
10Tutto si infiltra!
Dunnian runoff
Riccardo Rigon
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Questo si può analizzare in modo semplificato nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Pendenza
del terrenoArea contribuente
C o n t o r n o
drenato
A/b [m]
Out[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pen
den
ze
Aree - Pendenze
Riccardo Rigon
12
Questo si può analizzare in modo semplificato nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Ricarica sulla
falda
Trasmissività
idraulica
Out[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pen
den
ze
Aree - Pendenze
Riccardo Rigon
L’equazione di bilancio di massa diviene
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Assumendo idrologia stazionaria
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
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Flusso = Area * Velocità apparente
Area = b*h
Velocità apparente (Legge di Darcy)
h
b
Flusso =
Step by Step
il carico idraulico è approssimato con il
gradiente della pendenza
=
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
15
Ks => Conducibilità idraulica a saturazione [L/T]
TK = Ks h => Trasmissività idraulica [L2/T]
h => Altezza del suolo idrologicamente attivo [L]
TK si deve calcolare ex-post, calibrando “a posteriori” i modello contro
alcuni casi sperimentali. Ha infatti un carattere di media spaziale.
Anzichè considerare T, si potrebbe considerare la sua definizione in termine della conducibilità satura Ks e della quota di spessore di sedimento idrologicamente attivo, h, sperando si poter stimare quest’ultimo a partire da modelli di evoluzione del suolo o di ottenerlo da misure.
Illusi! tuttavia se pensate che anche Ks si possa determinare, per esempio, per mezzo di pedotransfer functions. In questa teoria rimane un parametro efficace.
Note
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
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Flusso superficiale = Area * VelocitàArea = b*dh
Velocità = uh
Flusso subsuperficiale <=
Flusso superficiale <= uh*b* dh
h
b
dh
Saturazione Raggiunta!
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
17Quello che entra è in ogni istante uguale a quello che esce!!
Saturazione Raggiunta!
Il bilancio stazionario (stazionario: perchè nella equazione sottostante
mancano i termini di accumulo temporaneo nella parte satura e insatura)
della striscia di versante si scrive allora:
Infatti:
: è il deflusso subsuperficiale dall’elemento di versante
: è il deflusso superficiale (runoff)
: è la quantità di acqua che arriva alla falda
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
Si esclude la presenza di deflusso superficiale
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Relazioni Area-Pendenza
Aft
er M
on
tgom
ery
& D
ietr
ich
19
92
, 19
95
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon
19
Relazioni Area-Pendenza
Aft
er M
on
tgom
ery
& D
ietr
ich
19
92
, 19
95
Se
DEVE ESSERCI DEFLUSSO SUPERFICIALE
Se
Tutto defluisce nel suolo.
Back to Area - Pendenza
Riccardo Rigon
20
Questo si può analizzare in modo semplificato nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Punti saturiPunti non
saturiOut[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pen
den
ze
Back to Area - Pendenza
Riccardo Rigon
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Azioni
Deflusso superficiale per redistribuzione
(Dunnian/saturation excess runoff)
La precipitazione supera la capacità di infiltrazione ?
no
si
Analizzo il problema sul diagramma Aree-Pendenze
Azioni
Riccardo Rigon
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Azioni
Assegnato l’apporto idrico sulla falda, rp, e la trasmissività dei
suoli, determino le aree
sature su base topografica
Analizzo il problema sul diagramma Aree-Pendenze
Azioni
Riccardo Rigon
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Dipende da elementi idrologici
L’INDICE TOPOGRAFICO
e da elementi topografici
Indice Topografico
Riccardo Rigon
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L’INDICE TOPOGRAFICO
É piú elevato per i punti che saturano prima
Indice Topografico
Riccardo Rigon
Zona umida del Biotopo Le Grave: si notano zone
ad elevato indice topografico, cioè zone
piane e che si saturano presto.
www.parks.it/biotopo.grave.html
Indice Topografico
Riccardo Rigon
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Conseguenze per la determinazione della precipitazione efficace
Se dunque si posseggono le precipitazioni antecedenti un evento intenso è
possibile determinare le condizioni del suolo all’inizio dell’evento stesso ?
Apparentemente si:
•definito l’apporto idrico alla falda, , per esempio pari alla media delle
precipitazioni nei due giorni precedenti
•valutato la trasmissività idraulica
Riccardo Rigon
30
Sono quelli potenzialmente saturi i punti per cui:
Il primo membro contiene termini che dipendono solo da grandezze
topografiche, il secondo solo da termini che dipendono solo da variabili
idrologiche.
Generalmente la stima fatta in questo modo non dà una rappresentazione
molto accurata della distribuzione spaziale della saturazione. Ma
rappresenta adeguatamente i volumi in gioco.
Riccardo Rigon
Se la precipitazione è superiore alla capacità di infiltrazione
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Molt
o R
usc
ella
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon
3253
Azioni
La precipitazione supera la capacità di infiltrazione ?
no
si
Deflusso superficiale per superamento della capacità di
infiltrazione (Hortonian/
infiltration excess runoff)
Azioni
Riccardo Rigon
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Deflusso Hortoniano (Horton, 1945) : il deflusso superficiale avviene per superamento della capacità di infiltrazione
PP
qo
f
33
Mod
ific
ato d
a M
aid
men
tHortonian runoff
Riccardo Rigon
Il deflusso Hortoniano dipende prevalentemente dal rapporto tra intensità di
un evento piovoso ed conducibilità idraulica dei suoli e va risolto su scale
temporali “di evento”. Le condizioni di umidità iniziale dei suoli contano
poco.
34
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon
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Flusso superficiale = Area * Velocità
Area = b*dh
Velocità = uh
Flusso subsuperficiale =
Flusso superficiale = uh*b*dh
h
b
dh
D*
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon
La saturazione “Hortoniana” avviene dall’alto (saturation from above), mentre la saturazione “Dunniana” avviene dal basso (saturation from below)
36
Deflusso Hortoniano e Dunniano
h
b
h
b
dh
D*
Indice Topografico
Riccardo Rigon
Deflusso Dunniano (Black and Dunne, 1978) : il deflusso superficiale avviene su suoli già saturi. Il concetto di area di saturazione parziale
P
P
Pqo
f
f
37
�
Mod
ific
ato d
a M
aid
men
t
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon
Il deflusso per saturazione su suoli saturi presenta uno sviluppo stagionale (nei climi temperati e umidi), anche se l’area satura può, di per se variare considerevolmente anche durante un evento
38
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon
In realtà anche gli stessi processi responsabili dellla saturazione dei suoli provocano deflusso superficiale per effetto della convergenza della topografia. La ridistribuzione del deflusso può provocare la saturazione: questo è un effetto NON stazionario del deflusso subsuperficiale
39
PP
P
qr
qs
qo
Mod
ific
ato d
a M
aid
men
t
Determinazione dei meccanismi di deflusso superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon
Subsurface stormflow
Perched subsurface stormflow
Horizon 1
Horizon 2
PP
P
qs
P P
P
qs
Ma naturalmente, nel bilancio, non c’è solo il deflusso superficiale
40
Mod
ific
ato d
a M
aid
men
tWhat Else ?
Riccardo Rigon
Alla ricerca dei processi dominanti
climi semi aridi o aridi: poca vegetazione o vegetazione disturbata dalle attività umane
C l i m i u m i d i ; v e g e t a z i o n e densa
Versant i l inear i ; suoli profondi e molto permeabili. Fondo-valle stretti
Suoli con spessore modesto . Versanti dolci e concavi : valle larghe; suoli con varia permeabilità
41
Du
nn
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Leop
old
, 19
78
I l deflusso superficiale
Hortoniano domina. C’e’
molto deflusso superficiale
e relativamente modesto
deflusso subsuperficiale
L’idrograma è dominato dalla
precipitazione diretta e dal
deflusso di ritorno.
L’idrogramma è dominato
v o l u m e t r i c a m e n t e d a l
deflusso subsuperficiale; i
picchi sono prodotti dal
deflusso subsuperficiale
Una sintesi naturalistica
Riccardo Rigon