13.1 formazione deideflussi

La generazione del deflusso Modelli semplificati

Riccardo Rigon

R. H

op

per

, Har

sh N

ew E

ngla

nd

lan

dsc

ape,

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

3

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

4

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

7

Condizioni della superficie

Uso del suolo

Copertura Vegetale

Scabrezza

Fessurazione e “Crusting”

Impermeabilizzazione

Idrofobicità


Introduzione

Riccardo Rigon

8

Condizioni del flusso


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

9

Infiltrazione

Riccardo Rigon

La precipitazione è minore della capacità di infiltrazione

10Tutto si infiltra!

Dunnian runoff

Riccardo Rigon

11

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


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

13

Assumendo idrologia stazionaria

Idrologia Stazionaria dei versanti

Riccardo Rigon

14

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

=


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


Riccardo Rigon

16

Flusso superficiale = Area * VelocitàArea = b*dh

Velocità = uh

Flusso subsuperficiale <=

Flusso superficiale <= uh*b* dh

h

b

dh

Saturazione Raggiunta!


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


Riccardo Rigon

Si esclude la presenza di deflusso superficiale

18

Relazioni Area-Pendenza

Aft

er M

on

tgom

ery

& D

ietr

ich

19

92

, 19

95


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


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

22

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

23

L’equazione di bilancio

L’INDICE TOPOGRAFICO

Indice Topografico

Riccardo Rigon

24

Dipende da elementi idrologici


e da elementi topografici

Indice Topografico

Riccardo Rigon

25


É piú elevato per i punti che saturano prima

Indice Topografico

Riccardo Rigon

26

L’indice Topografico

Indice Topografico

Riccardo Rigon

27

Indice Topografico

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

29

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

31

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


Hortonian Runoff

Riccardo Rigon

35

Flusso superficiale = Area * Velocità

Area = b*dh

Velocità = uh

Flusso subsuperficiale =

Flusso superficiale = uh*b*dh

h

b

dh

D*


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


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



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



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

e e

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

13.1 formazione deideflussi

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