Principi di Idrologia: Sistemi, Modelli e Bilancio Idrico del Bacino Idrografico

Sistema Idrologico: Concetti Fondamentali

I fenomeni idrologici sono estremamente complessi, tanto che non potranno mai essere compresi completamente. Tuttavia, l'assenza di un disegno perfetto può essere rappresentata in forma semplificata, utilizzando il concetto di sistema, inteso come un insieme di parti che interagiscono nel loro complesso. Il ciclo idrologico può essere considerato come un sistema con componenti chiave quali: precipitazioni, evaporazione, ruscellamento e altri elementi del ciclo.

Questi componenti possono essere a loro volta raggruppati in sottosistemi. Per l'analisi dell'intero sistema, i sottosistemi possono essere trattati separatamente e i risultati combinati in base alle loro interazioni.

Modelli Idrologici

L'obiettivo dell'analisi dei sistemi idrologici è studiare il funzionamento del sistema e prevederne l'output (uscita o deflusso). Un modello del sistema idrologico è un'approssimazione del sistema reale. I suoi ingressi e le sue uscite sono variabili idrologiche misurabili, e la sua struttura è un insieme di equazioni o funzioni di trasferimento che trasformano le variabili di input in variabili di output.

Una delle prime classificazioni raggruppa i modelli idrologici in due categorie:

• Modellazione Fisica: Rappresenta il sistema su scala ridotta (es. modelli idraulici).
• Modelli Matematici: Rappresentano il sistema matematicamente, attraverso una serie di relazioni che collegano le variabili di output a quelle di input.

La maggior parte dei processi idrologici sono casuali e la loro grandezza varia nel tempo e nello spazio. Lo sviluppo di un modello che tenga conto di tutte queste caratteristiche è un compito molto difficile e richiede una semplificazione, ignorando alcune fonti di variazione.

Il Bilancio Idrico (Water Balance)

Esempio Semplificato

Consideriamo un sistema costituito da una superficie inclinata, completamente impermeabile, delimitata su quattro lati con un punto di deflusso (uscita) nel punto A. Se al sistema viene applicato un input di pioggia, si svilupperà un output, designato come flusso superficiale, in A. Il bilancio idrico in questo sistema può essere rappresentato dalla seguente equazione idrologica:

I - O = dS / dt (1.1)

Dove I è l'input per unità di tempo, O è l'output (deflusso) per unità di tempo e dS/dt è la variazione di accumulo (immagazzinamento) all'interno del sistema per unità di tempo. È necessaria un'altezza minima di accumulo sulla superficie affinché si verifichi il deflusso superficiale. Man mano che l'intensità della pioggia aumenta, l'altezza dell'acqua trattenuta sulla superficie aumenta. Una volta cessata la pioggia, l'acqua trattenuta continuerà a defluire fino a lasciare il sistema come flusso residuo. In questo esempio, tutte le precipitazioni finiranno per essere trasformate in flusso, se si trascurano le perdite per evaporazione durante l'input.

Bilancio Idrico in un Bacino Reale

In realtà, il bilancio idrico in un bacino idrografico non è semplice come nel modello presentato, a causa delle varie perdite che si verificano durante il processo. L'evaporazione avviene dal momento in cui inizia la precipitazione. Raggiungendo il suolo, l'acqua comincia a essere immagazzinata, poiché la superficie del terreno non è piatta come nel modello, ma presenta depressioni. L'acqua accumulata in queste depressioni alla fine evapora o si infiltra nel terreno. L'acqua che raggiunge i flussi o diventa ruscellamento continua a subire il processo di evaporazione. È quindi necessario considerare tutti questi processi. In generale, il bilancio idrico in un bacino idrografico potrebbe essere rappresentato dalle seguenti equazioni matematiche:

1. Bilancio idrico sulla superficie:

   P - R + R_g - E_s - T_s - I = S_s (1.2)

2. Bilancio idrico sotto la superficie:

   I + G₁ - G₂ - R_g - E_g - T_g = S_g (1.3)

3. Bilancio idrico nel bacino idrografico (somma delle equazioni 1.2 e 1.3):

   P - R - (E_s + E_g) - (T_s + T_g) - (G₂ - G₁) = (S_s + S_g) (1.4)

Il Bacino Idrografico

Definizione e Importanza

Tra le regioni idrologiche di importanza pratica, spicca lo spartiacque o bacino di drenaggio (o bacino idrografico), fondamentale per l'applicazione del bilancio idrico. Secondo Viessman, Harbaugh, Knapp (1977), lo spartiacque è l'intera area drenata da un corso d'acqua o da un sistema di ruscelli, le cui acque confluiscono in un punto di chiusura (sezione di controllo). In altre parole, il bacino di drenaggio è l'area che contribuisce al ruscellamento e fornisce in tutto o in parte il flusso al canale principale e ai suoi affluenti.

Le caratteristiche fisiche e funzionali di uno spartiacque sono i vari fattori che determinano la natura dello scarico di un ruscello. La comprensione di queste caratteristiche è cruciale per i seguenti motivi:

1. Fare paragoni tra i bacini idrografici.
2. Interpretare chiaramente eventi passati.
3. Fare previsioni di portata dei fiumi.

Questi fattori possono essere raggruppati in due categorie principali:

• Fattori che dipendono dalle caratteristiche fisiche e dall'uso del bacino (fattori fisiografici).
• Fattori dipendenti dal clima (fattori climatici).

Caratteristiche Fisiche del Bacino Idrografico

Confine del Bacino (Spartiacque Topografico)

L'intero bacino è delimitato da una linea formata dai punti topografici più alti, chiamata contorno o spartiacque topografico, che divide la pioggia che cade sui bacini limitrofi e indirizza il deflusso risultante verso i rispettivi sistemi fluviali. Il confine è una linea rigida attorno al bacino, che interseca il ruscello solo al punto di chiusura e che unisce i punti di picco inter-bacino. Ciò non esclude l'esistenza di rilievi isolati all'interno del bacino con altitudini superiori ad alcuni punti del confine.

Il flusso d'acqua in un bacino è costituito dall'acqua che raggiunge i canali dopo il ruscellamento superficiale, così come dall'acqua che ha attraversato percorsi sotterranei e sub-superficiali. La superficie di un bacino è delimitata da due tipi di divisori:

• Il divisore topografico (o di superficie), condizionato dalla topografia, che definisce l'area da cui provengono le acque superficiali del bacino.
• Il divisore delle acque sotterranee (o tavola d'acqua), generalmente determinato dalla struttura geologica del terreno, spesso influenzata dalla topografia.

Il divisore della tavola d'acqua stabilisce i confini dei serbatoi di acqua sotterranea da cui proviene il flusso di base del bacino e raramente corrisponde al divisore topografico. Data la difficoltà nel determinare il confine esatto della tavola d'acqua, che non è fisso ma soggetto a fluttuazioni, si è soliti considerare che l'area del bacino sia quella determinata dal divisore topografico. In questo modo, le acque meteoriche che raggiungono la superficie di un bacino di drenaggio, infiltrandosi e drenando sottoterra oltre il divisore topografico, rappresentano una perdita d'acqua per il bacino in cui si è verificata la precipitazione.

Area del Bacino

L'area dello spartiacque o bacino di drenaggio è la superficie piana (proiezione orizzontale) che ricade all'interno del perimetro dello spartiacque. L'area del bacino è l'elemento base per il calcolo delle altre caratteristiche fisiche ed è determinata, di solito con planimetria, ed espressa in km² o ettari. È importante notare che spartiacque con la stessa area idrologica possono avere comportamenti completamente diversi a seconda di altri fattori.

Forma del Bacino

La forma della superficie di uno spartiacque è importante perché influisce sul valore del tempo di concentrazione, definito come il tempo richiesto affinché l'intero bacino contribuisca al flusso nella sezione in esame, a partire dall'inizio della pioggia. In altre parole, è il tempo impiegato dall'acqua dai confini del bacino per uscirne.

In generale, i bacini fluviali di grandi dimensioni tendono ad avere la forma di una pera, ma i bacini più piccoli variano molto in forma, a seconda della loro struttura geologica.

Esistono diversi indici utilizzati per determinare la forma del fiume, cercando di correlarla a forme geometriche note, come il rapporto di compattezza (riferito a un cerchio) o il fattore di forma (riferito a un rettangolo).