IDROLOGIA

Conoscenza e comprensione

Il corso si propone di fornire conoscenze approfondite sui processi che caratterizzano le diverse componenti del ciclo idrologico e sulle metodologie di acquisizione, elaborazione e analisi delle informazioni idrologiche utilizzate nei problemi di progetto e di gestione nell'ingegneria delle acque.

Al termine del corso lo studente dovrà conoscere e comprendere:

• le principali componenti del ciclo idrologico e le loro reciproche interazioni;
• le principali grandezze idrometeorologiche, le relative modalità di misura e le caratteristiche degli strumenti impiegati;
• le principali fonti di dati idrologici e le modalità di organizzazione ed elaborazione delle osservazioni;
• i fondamenti dell'analisi statistica e probabilistica applicata alle variabili idrologiche;
• le principali distribuzioni di probabilità utilizzate in idrologia e i metodi di stima dei relativi parametri e di verifica della bontà di adattamento;
• i metodi per l'elaborazione spaziale e temporale delle precipitazioni e per la caratterizzazione delle precipitazioni intense;
• le caratteristiche morfometriche dei bacini idrografici e le metodologie per la loro determinazione, anche mediante strumenti GIS;
• i principali metodi empirici, semiempirici e probabilistici per la valutazione delle portate di piena;
• i processi alla base della trasformazione afflussi-deflussi e i principali modelli utilizzati per la determinazione degli idrogrammi di piena;
• i concetti fondamentali relativi al rischio idrogeologico, agli eventi idrologici estremi e al cambiamento climatico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

• individuare e utilizzare le informazioni idrometeorologiche necessarie per affrontare semplici problemi di interesse idrologico;
• elaborare serie di osservazioni idrologiche mediante strumenti statistici e probabilistici;
• effettuare analisi di frequenza delle variabili idrologiche e selezionare e adattare opportuni modelli probabilistici;
• determinare le precipitazioni ragguagliate su un bacino idrografico;
• elaborare le precipitazioni estreme e costruire curve di probabilità pluviometrica;
• definire ietogrammi di progetto;
• delimitare un bacino idrografico e determinarne le principali caratteristiche morfometriche, anche mediante strumenti GIS;
• applicare metodi empirici, semiempirici e probabilistici per la stima delle portate di piena;
• valutare la pioggia efficace mediante i principali metodi disponibili;
• determinare i principali parametri temporali di un bacino idrografico;
• applicare semplici modelli di trasformazione afflussi-deflussi e determinare gli idrogrammi di piena;
• utilizzare a livello di base software dedicati alla modellazione idrologica.

Autonomia di giudizio

Lo studente acquisirà la capacità di selezionare criticamente dati, metodologie e modelli appropriati rispetto allo specifico problema idrologico affrontato, valutando le ipotesi alla base delle diverse procedure e l'attendibilità dei risultati ottenuti.

Attraverso le esercitazioni e l'analisi di casi applicativi, lo studente svilupperà inoltre la capacità di confrontare differenti metodologie di elaborazione e modellazione e di interpretarne criticamente i risultati.

Abilità comunicative

Lo studente acquisirà la capacità di utilizzare correttamente il linguaggio tecnico proprio dell'idrologia e di descrivere in maniera chiara e rigorosa i processi idrologici, le metodologie di analisi e i risultati delle elaborazioni.

La redazione dell'elaborato contenente le esercitazioni svolte durante il corso contribuirà allo sviluppo della capacità di organizzare e presentare in maniera efficace dati, procedure di calcolo e risultati. Il colloquio finale consentirà inoltre di verificare la capacità di esporre e discutere oralmente gli argomenti del corso.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà gli strumenti metodologici necessari per approfondire autonomamente le problematiche relative all'analisi dei processi idrologici e alla modellazione afflussi-deflussi.

Sarà inoltre in grado di consultare testi, documentazione tecnica e altre fonti di informazione idrologica e di utilizzare autonomamente strumenti informatici per l'elaborazione e l'interpretazione dei dati.

Obiettivi dell'Agenda 2030

L'insegnamento contribuisce in particolare ai seguenti Sustainable Development Goals (SDGs) dell'Agenda 2030:

• Goal 6: protezione e risanamento degli ecosistemi legati all'acqua e uso efficiente e sostenibile delle risorse idriche;
• Goal 11: sviluppo di città e insediamenti resilienti ai disastri e promozione della gestione integrata del rischio;
• Goal 13: miglioramento delle conoscenze e delle capacità relative alla mitigazione e all'adattamento ai cambiamenti climatici, alla riduzione degli impatti e all'allerta tempestiva;
• Goal 15: contrasto alla desertificazione e al degrado del suolo, inclusi gli effetti di siccità e inondazioni.

L'insegnamento prevede 93 ore complessive di attività didattica.

La didattica comprende lezioni teoriche ed esercitazioni svolte in aula individualmente dagli studenti.

Le lezioni teoriche sono finalizzate all'acquisizione delle conoscenze relative ai processi del ciclo idrologico, alla misura e all'elaborazione delle grandezze idrometeorologiche, all'analisi statistica e probabilistica dei dati, alla caratterizzazione delle precipitazioni e dei bacini idrografici e alla modellazione afflussi-deflussi.

Le esercitazioni riguardano:

• l'analisi probabilistica delle precipitazioni;
• il tracciamento delle curve di probabilità pluviometrica;
• l'analisi di un bacino idrografico;
• la valutazione degli idrogrammi di piena.

Le attività esercitative sono finalizzate allo sviluppo della capacità di applicare le conoscenze e le metodologie illustrate durante le lezioni e contribuiscono allo sviluppo dell'autonomia di giudizio attraverso l'interpretazione e la discussione dei risultati ottenuti.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Sono importanti le conoscenze di base di Idraulica, necessarie per la comprensione dei processi di deflusso e delle modalità di misura e valutazione delle portate.

Sono inoltre utili le conoscenze informatiche di base e familiarità con l'utilizzo di fogli elettronici e strumenti di videoscrittura, in particolare MS Excel e MS Word, utilizzati nell'ambito delle esercitazioni e per la predisposizione degli elaborati.

La frequenza non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata, in particolare per consentire la partecipazione alle esercitazioni e favorire l'acquisizione delle competenze applicative previste dal corso.

Gli studenti che abbiano ottenuto il riconoscimento dello status previsto dalla normativa di Ateneo per specifiche condizioni concorderanno con il docente le modalità di frequenza e di svolgimento delle esercitazioni.

1. INTRODUZIONE

Presentazione del corso. Sviluppo dell'idrologia. Esempi applicativi relativi ad eventi idrologici estremi e cenno alle principali metodologie di analisi.

2. INTRODUZIONE AL CICLO IDROLOGICO

Componenti del ciclo idrologico - Precipitazione - Evaporazione ed evapotraspirazione - Deflussi superficiali - Circolazione dell'acqua nel sottosuolo – Bilancio idrologico in una regione - Distribuzione delle risorse idriche sulla terra – Bilancio idrologico medio annuo della Sicilia - Effetti antropici sul ciclo idrologico.

3. GRANDEZZE E MISURE IDROMETEOROLOGICHE

Classificazione delle grandezze idrometeorologiche – Proprietà degli strumenti di misura – Strumenti di misura delle grandezze idrometeorologiche – Pluviometri – Pluviografi – Errori nella misura della precipitazione – Telemisure – Radar meteorologico - Misure idrometriche - Misure di livello – Asta idrometrica – Idrometro a galleggiante – Idrometrografo a galleggiante – Idrometro a bolle d'aria – Misuratore a ultrasuoni – Celle piezoresistive - Strumenti di misura delle velocità – Mulinelli ad asse orizzontale – Mulinelli ad asse verticale – Teleferiche - Distribuzione della velocità in una sezione – Calcolo della portata – Scala delle portate – Idrogramma.

4. DATI IDROLOGICI

Annali idrologici – Termometria – Caratteristiche delle stazioni termometriche – Osservazioni termometriche giornaliere – Valori medi ed estremi della temperatura – Pluviometria – Caratteristiche delle stazioni pluviometriche – Totali annui e mensili di precipitazione – Precipitazioni di massima intensità – Massime precipitazioni nell'anno per più giorni consecutivi – Precipitazioni di notevole intensità e breve durata – Manto nevoso – Osservatorio delle Acque della Regione Siciliana – Servizio Informativo Agrometeorologico Siciliano – Altre fonti di informazione idrologica.

5. ANALISI STATISTICA E PROBABILISTICA DEI DATI IDROLOGICI

Ruolo della statistica nell'ambito degli strumenti matematici dell'ingegneria - Variabili casuali - Popolazione e campioni – Analisi statistica descrittiva - Analisi di correlazione e di regressione - Analisi di frequenza - Definizione di probabilità - Probabilità nel caso di variabili discrete e di variabili continue - Funzione distribuzione di probabilità - Funzione densità di probabilità – Esempi di distribuzioni tipiche per l'idrologia – Metodi per la stima dei parametri - Scelta della distribuzione di probabilità - Verifica della bontà di adattamento con metodi grafici e analitici (es. probability plot, test di Kolmogorov).

6. PRECIPITAZIONI

Valutazione degli afflussi ragguagliati – Linee isoiete – Topoieti – Piogge intense – Dati disponibili - Curve di probabilità pluviometrica – Curve di probabilità pluviometrica per durate inferiori a 1 ora – Fattori di riduzione areale delle piogge intense – Ietogrammi di progetto – Ietogramma rettangolare – Ietogramma triangolare – Ietogramma Chicago.

7. CARATTERISTICHE DEI BACINI IDROGRAFICI

Definizione di bacino idrografico – Delimitazione dei bacini idrografici – Caratteristiche di forma – Pendenza – Caratteristiche orografiche – Curva ipsografica – Densità di drenaggio - Ordinamento gerarchico del reticolo idrografico - Leggi di Horton (legge di biforcazione, legge delle lunghezze, legge delle aree) – Analisi del bacino idrografico con software GIS.

8. CALCOLO DELLE PORTATE DI PIENA AL COLMO

Valutazione delle portate di piena – Metodi empirici per bacini naturali (formule di Kresnik, Valentini, Pagliaro, Scimemi) - Curva inviluppo – Metodi semiempirici per bacini naturali (formule di Forti, Gherardelli-Marchetti) - Analisi probabilistica dei dati di piena.

9. MODELLI DI TRASFORMAZIONE AFFLUSSI-DEFLUSSI

Classificazione dei Modelli Afflussi-Deflussi (MAD) – Processi idrologici e idraulici nei MAD – Valutazione della pioggia efficace – Coefficiente di deflusso (per bacini naturali e bacini urbani) – Velo idrico e ritenzione superficiale – Infiltrazione – Equazioni di Horton – Metodo del “Curve Number” – Formula Razionale – Valutazione del tempo di corrivazione – Metodo delle fasce isocorrive – Metodo dell'invaso lineare – Metodi dell'idrogramma unitario (UH) e dell'Idrogramma unitario istantaneo (IUH) – Metodo dell'UH adimensionale del Soil Conservation Service – Basi di utilizzo del software HEC-HMS.

10. CENNI SUL RISCHIO IDROGEOLOGICO E SUL CAMBIAMENTO CLIMATICO

Definizione di rischio – Rischio idrogeologico ed eventi idrologici estremi: alluvioni, frane e siccità – Concetti base relativi al cambiamento climatico.

1. Moisello, U., Idrologia tecnica, Medea Edizioni, Pavia.
2. Maione, U., Moisello, U., Elementi di statistica per l'idrologia, Medea Edizioni, Pavia.
3. Ferro, V., Elementi di idraulica e idrologia, McGraw-Hill Education, 2013. ISBN 9788838668395.
4. Bras, R.L., Hydrology: An Introduction to Hydrologic Science, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1990.
5. Additional teaching material: lecture notes, slides, and innovative and digital teaching tools used during the lectures.

Sono previste attività di valutazione durante lo svolgimento del corso. Gli studenti dovranno inoltre predisporre un elaborato contenente le esercitazioni svolte durante il corso.

La valutazione finale terrà conto:

• dei risultati delle attività di valutazione in itinere;
• della correttezza metodologica, completezza e qualità dell'elaborato relativo alle esercitazioni;
• dell'esito del colloquio finale.

Il colloquio finale è volto ad accertare la conoscenza e la comprensione dei contenuti del corso, la capacità di applicare le metodologie studiate, la capacità di effettuare collegamenti tra i diversi argomenti e la capacità di utilizzare correttamente il linguaggio tecnico della disciplina.

In alternativa, lo studente potrà sostenere un esame unico consistente in una prova orale sull'intero programma del corso. Anche in questo caso la valutazione finale terrà conto della qualità delle esercitazioni svolte.

Per l'attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti elementi:

• esame non superato: conoscenza insufficiente degli argomenti fondamentali, significative carenze nella capacità di applicazione delle metodologie e uso inadeguato del linguaggio tecnico;
• 18–21: conoscenza sufficiente dei principali contenuti e capacità essenziale di applicare le procedure studiate;
• 22–25: discreta conoscenza degli argomenti e capacità di applicare correttamente le principali metodologie, con discreta capacità di analisi;
• 26–28: buona conoscenza dei contenuti, buona capacità di analisi e applicazione e appropriato utilizzo del linguaggio tecnico;
• 29–30: conoscenza approfondita, capacità di integrare criticamente i diversi argomenti e di affrontare con autonomia i problemi proposti;
• 30 e lode: conoscenza eccellente e approfondita, elevata autonomia nell'applicazione delle metodologie, ottime capacità di analisi, sintesi e comunicazione.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP del proprio Dipartimento.

Di seguito è riportato un elenco esemplificativo e non esaustivo degli argomenti e delle applicazioni che potranno essere oggetto delle verifiche dell'apprendimento:

1. Ciclo idrologico naturale e antropizzato.
2. Grandezze idrologiche e strumenti di misura.
3. Annali idrologici e principali informazioni in essi contenute.
4. Analisi di frequenza delle variabili idrologiche.
5. Distribuzioni di probabilità utilizzate in idrologia.
6. Metodi di stima dei parametri e verifica della bontà di adattamento.
7. Costruzione e utilizzo delle curve di probabilità pluviometrica.
8. Bacino idrografico e principali caratteristiche morfometriche.
9. Applicazioni GIS per l'analisi dei bacini idrografici.
10. Valutazione del tempo di corrivazione.
11. Metodi per il calcolo della pioggia efficace.
12. Modelli di trasformazione afflussi-deflussi.
13. Applicazione del metodo razionale.
14. Costruzione e interpretazione degli idrogrammi di piena.