HYDROLOGY

Il corso si propone di fornire conoscenze avanzate di idrologia per la stima, la valutazione, la gestione e la modellazione delle risorse idriche superficiali e sotterranee, nonché per la progettazione e la valutazione di opere ingegneristiche connesse alla gestione delle acque.

Il corso affronta le principali componenti del ciclo idrologico, tra cui precipitazione, evaporazione, traspirazione, infiltrazione, flusso nei mezzi porosi saturi e insaturi, deflusso superficiale, flusso delle acque sotterranee e deflusso nei corsi d’acqua. Gli studenti vengono introdotti ai metodi di campo e ai modelli matematici utilizzati per misurare e stimare i flussi idrici associati a tali processi. Particolare attenzione è dedicata alla formulazione e all’applicazione dei modelli idrologici, incluse la calibrazione e la validazione dei modelli, l’analisi di sensibilità e la valutazione dell’incertezza. I concetti teorici sono applicati a dati reali e a casi di studio riguardanti il monitoraggio delle risorse idriche, la modellazione afflussi–deflussi, la stima delle piene e la gestione dei bacini idrografici.

Le esercitazioni comprendono l’analisi di dati idrologici, applicazioni GIS, calcoli numerici e modellazione idrologica mediante MATLAB, Excel e QGIS.

Al completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:

- definire, spiegare e utilizzare correttamente la terminologia e i concetti relativi ai principali processi idrologici;
- descrivere il ciclo idrologico e formulare bilanci idrici a diverse scale spaziali e temporali;
- elaborare e valutare criticamente dati idrometeorologici;
- stimare precipitazione, evapotraspirazione, infiltrazione, deflusso superficiale, flusso delle acque sotterranee e portata fluviale;
- applicare l’analisi probabilistica e di frequenza per stimare l’intensità e il tempo di ritorno degli eventi idrologici estremi;
- formulare le equazioni che governano il flusso in mezzi saturi e insaturi, inclusa l’equazione di Richards;
- utilizzare modelli idrologici per stimare grandezze di interesse ingegneristico e ambientale;
- calibrare e validare modelli idrologici mediante adeguati indicatori di prestazione;
- valutare la sensibilità dei parametri, l’equifinalità e le principali fonti di incertezza nelle previsioni idrologiche;
- analizzare le reti fluviali e le caratteristiche dei bacini idrografici mediante modelli digitali di elevazione e strumenti GIS;
- applicare le equazioni fondamentali del moto a superficie libera e valutare la pericolosità idraulica e le misure di mitigazione delle piene;
- leggere e interpretare criticamente la letteratura idrologica scientifica e tecnica.

Gli studenti devono possedere conoscenze di base di:

- calcolo differenziale e integrale;
- equazioni differenziali ordinarie;
- meccanica dei fluidi;
- probabilità e statistica di base.

Una precedente esperienza con MATLAB, con la programmazione o con software GIS è utile, ma non richiesta.

- Introduzione all’idrologia: ciclo idrologico, processi idrologici, bacini idrografici, osservazioni e bilancio idrico.
- Probabilità e statistica applicate all’idrologia: analisi di frequenza, tempo di ritorno, rischio idrologico ed eventi estremi.
- Precipitazione: formazione, variabilità, misurazione, qualità dei dati, interpolazione spaziale e stima areale.
- Precipitazioni estreme: curve di possibilità pluviometrica (intensità–durata–frequenza) e pioggia di progetto.
- Evaporazione e traspirazione: bilancio energetico, metodi aerodinamici ed equazione di Penman–Monteith.
- Bilancio idrico del suolo, assorbimento radicale e fabbisogno irriguo.
- Infiltrazione e flusso insaturo: modelli di Horton e Green–Ampt, legge di Darcy–Buckingham, proprietà idrauliche del suolo ed equazione di Richards.
- Deflusso superficiale e risposta idrologica del bacino: generazione del deflusso, idrogrammi, tempi di trasferimento e teoria dell’idrogramma unitario.
- Modellazione afflussi–deflussi: accumulo idrico nel suolo, evapotraspirazione, percolazione, deflusso di base e propagazione del deflusso.
- Calibrazione e validazione dei modelli: funzioni obiettivo, indicatori di prestazione, stima dei parametri e validazione su periodi indipendenti.
- Analisi di sensibilità e dell’incertezza: incertezza dei dati, dei parametri e della struttura del modello, identificabilità, equifinalità e incertezza predittiva.
- Reti fluviali e geomorfologia dei bacini: struttura della rete e analisi dei modelli digitali di elevazione.
- Idrologia sotterranea: legge di Darcy, acquiferi, equazioni del flusso sotterraneo, pozzi e interazioni tra acque superficiali e sotterranee.
- Stima e gestione delle piene: piene di progetto, rischio di alluvione, serbatoi, sistemi di laminazione e misure strutturali e non strutturali.

Esercitazioni
- Analisi dei dati idrologici e calcolo del bilancio idrico.
- Analisi di frequenza delle precipitazioni e stima delle curve di possibilità pluviometrica.
- Implementazione di un modello afflussi–deflussi continuo.
- Calibrazione e validazione dei modelli, analisi di sensibilità e valutazione dell’incertezza.
- Delimitazione dei bacini ed estrazione delle reti fluviali da modelli digitali di elevazione mediante QGIS.

Materiale fornito attraverso la piattaforma di didattica online moodle

Testo per approfondimenti: Chow, V. T., Maidment, D. R., & Mays, L. W. (1988). Applied Hydrology. McGraw-Hill.

Verifica orale sugli argomentri trattati, calcolo di quantità idrologiche, svolgimento delle esercitazioni

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

Le verifiche dell'apprendimanto sono progettate per attribuire il seguente livello di conoscenza e comprensione
- voto 28-30L, ottima conoscenza della materia e capacità di applicare in modo deduttivo le conoscenze e gli strumenti acquisiti in problemi nuovi non affrontati in precedenza;
- voto 24-27, buona conoscenza della materia e capacità di applicare le conoscenze e gli strumenti acquisiti in problemi simili a quelli già affrontati;
- voto 18-23, sufficiente conoscenza della materia e capacità di applicare le conoscenze e gli strumenti acquisiti in problemi simili a quelli già affrontati con alcune imrecisioni concettuali e/o di calcolo.

- Lezioni frontali.
- Esercitazioni in classe.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale naturale e qualità dell'ambiente" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile