8 iuh theory-ci

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Le lezioni sulla teoria dell'IUH piu' o meno ritagliate sulle esigenze del corso di costruzioni idrauliche

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Riccardo Rigon

L’idrogramma Istantaneo UnitarioT

he

Gre

at W

ave

off

Kan

agaw

a, H

oku

sai

18

23

Tuesday, March 27, 12

E mormora e urla, sussurra, ti parla e ti schianta,evapora in nuvole cupe e di neroe cade e rimbalza e si muta in persona od in piantadiventa di terra, di vento, di sangue e pensiero.

(Francesco Guccini)

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

3

Obiettivi

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

3

Obiettivi

• Nella lezione si introdurrà la trattazione delle piene fluviali secondo la teoria dell’idrogramma istantaneo unitario.

• Si parla delle ipotesi di linearità ed invarianza

• Si introduce il concetto di tempo di residenza

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

4

Cos’e’ una piena ?

0200

400

600

800

1000

1200

1400

Anno

Port

ate

m^3/s

1990 1995 2000 2005

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

5

Cos’e’ una piena ?

0200

400

600

800

1000

1200

1400

Anno

Port

ate

m^3/s

1990 1995 2000 2005

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

6

Aft

er D

ood

ge

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

7

La risposta idrologica in un bacino

Previsione delle precipitazioni

Calcolo del deflusso superficiale

Aggregazione del deflusso

Propagazione del deflusso

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

8

La risposta idrologica in un bacino

•Supponiamo nota la distribuzione delle precipitazioni e la loro natura

•Supponiamo risolto il problema della determinazione del deflusso efficace

Aggregazione del deflusso

Propagazione del deflusso

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

9

Durante eventi di piena

•L’evapotraspirazione si può ignorare (ciò che è rilevante è incluso

nelle condizioni iniziali)

•si può semplificare il meccanismo di produzione del deflusso

superificiale (e supporre di conoscere il coefficiente di deflusso)

•la celerità dell’onda di piena si può tenere (come prima

approssimazione) costante

•Gran parte dell’idrogramma di piena è spiegata dalla geometria e

dalla topologia del bacini (oltre che dalla variabilità spazio-temporale

delle precipitazioni)

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

10

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Discutiamo qui di una forma moderna della teoria dell’idrogramma istantaneo unitario

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

10

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Discutiamo qui di una forma moderna della teoria dell’idrogramma istantaneo unitario

Portata alla sezione di chiusura

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

10

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Discutiamo qui di una forma moderna della teoria dell’idrogramma istantaneo unitario

Portata alla sezione di chiusura

Idrogramma istantaneo unitario

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

10

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Discutiamo qui di una forma moderna della teoria dell’idrogramma istantaneo unitario

Portata alla sezione di chiusura

Idrogramma istantaneo unitario

Precipitazione efficace

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

11

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

11

Pioggia efficaceJeff

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

11

IUH

Aggregazione dei deflussi

Onda diffusiva

Pioggia efficaceJeff

IUH

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

11

IUH

Aggregazione dei deflussi

Onda diffusiva

Pioggia efficaceJeff

IUH

Portata

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

12

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

E’ lineare perchè, se si moltiplica per n la precipitazione efficace, la portata aumenta di proporzionalmente.

J�eff (�) = n Jeff (�)

IUH: linearità

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

13

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

E’ lineare perchè, se si moltiplica per n la precipitazione efficace, la portata aumenta di proporzionalmente.

IUH: linearità

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

14

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

Invarianza temporale

tempo

Portata

tempo

precipitazione

Out[465]=

IUH: invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

15

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

tempo

Portata

Out[409]=

tempo

precipitazione

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

16

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

tempo

Portata

Out[413]=

tempo

precipitazione

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

17

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

tempo

Portata

Out[414]=

tempo

precipitazione

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

18

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

Linearità e Invarianza

tempo

Portata

Out[409]= Out[413]= Out[414]=+ +

tempo

precipitazione

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

19

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

Linearità e Invarianza

tempo

tempo

precipitazione

Portata

Out[422]=

tempo

precipitazione

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

20

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

Linearità e Invarianza

tempo

Portata

tempo

precipitazione

Out[426]=

IUH: linearità e invarianza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

21

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

e’ la funzione impulso o “delta di Dirac”�

IUH: unitarietà

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

22

�(⇥)

IUH: unitarietà

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

23

-4 -2 0 2 4

05

10

15

20

Delta function

t

density

IUH: unitarietà

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

24

Caratteristiche dell’idrogramma istantaneo unitario

Inoltre:

IUH: unitarietà

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

25

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Se la precipitazione è di intensità costante, p, in

un intervallo temporale di durata tp , allora

che diviene

IUH: impulso costante

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

26

L’integrale dell’idrogramma unitario ha una forma ad S

Ed è chiamato S-Hydrograph (qui rappresentato moltiplicato per l’area contribuente totale)

IUH: impulso costante

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

27

Out[395]=

Out[396]=

IUH(t)

S(t)

t

t

1

L’integrale dell’idrogramma ha una forma ad S

IUH: impulso costante

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

28

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza

Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

29

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

t1

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

30

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

t2

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

31

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

t3

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

32

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

t4

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

33

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

t5

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

34

t1t2

t3

t4

t5

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

35

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

v(t) =�

k

vkIk(t)

Lo IUH(t) può essere interpretato come una distribuzione di tempi di residenza

Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979; Gupta e Waymire, 1980

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

36

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

v(t) =�

k

vkIk(t)

Il volume v(t) rappresenta inoltre un rapporto tra casi favorevoli (volumi

presenti all'interno del bacino) e casi totali (il numero totale di eventi

possibili), cioè il numero totale di volumi , ed è pertanto, nel limite di un

numero di volumi infinito la probabilità che i volumi siano interni al bacino.

Piu’ precisamente, v(t) è numericamente uguale alla probabilità, P[T >t], che il

tempo di residenza dell'acqua all'interno del bacino sia superiore al tempo

corrente, t.

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

37

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

37

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

La variazione di volume d’acqua nel tempo eguaglia la probabilità di superamento del tempo di residenza

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

38

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

38

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

Variazione di volume (nel tempo) all’interno del bacino

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

38

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

Variazione di volume (nel tempo) all’interno del bacino

Ciò che entra - ciò che esce

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

39

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

39

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

Precipitazione efficace istantanea ed unitaria

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

39

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Allora il bilancio di massa all’interno del bacino considerato risulta essere:

dv

dt=

dP [T > t]dt

= �(t)� IUH (t)

Precipitazione efficace istantanea ed unitaria

Portata in uscita corrispondentead una precipitazione in entrata

istantanea ed unitaria

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

40

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Integrando risulta allora

P [T > t] =� t

0�(t)dt�

� t

0IUH (t)dt

Ovvero

P [T < t] =� t

0IUH (t)dt

dalle definizioni segue allora che lo S hydrograph è una probabilità (il che ne spiega compiutamente la forma).

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

41

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Integrando risulta allora

P [T > t] =� t

0�(t)dt�

� t

0IUH (t)dt

Ovvero

P [T < t] =� t

0IUH (t)dt

dalle definizioni segue allora che lo S hydrograph è una probabilità (il che ne spiega compiutamente la forma).

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

41

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Integrando risulta allora

P [T > t] =� t

0�(t)dt�

� t

0IUH (t)dt

Ovvero

P [T < t] =� t

0IUH (t)dt

dalle definizioni segue allora che lo S hydrograph è una probabilità (il che ne spiega compiutamente la forma).

Questo vale 1 per definizione

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

42

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH -> GIUH

Derivando ambo i membri dell’equazione risulta allora

pdf(t) = IUH(t)

che è quanto volevamo dimostrare

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

43

Il problema successivo è quello di capire che cosa è la distribuzione di probabilità

e come si può determinare nei casi di interesse

IUH: tempi di residenza

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

44

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - Osservazioni

IUH(t) =1�

e�t/�

dove λ e’ un parametro NON determinato apriori ma a posteriori, dopo una operazione di “calibrazione”

I - Assumendo per vera la teoria che si è sviluppata, tutto passa per la determinazione di una densità di probabilità. In genere, considerazioni di natura dinamica portano ad identificare non una distribuzione, ma una famiglia di distribuzioni, per esempio:

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

45

• Se x1=0 e x2=tc allora, la probabilità (lo S-Hydrograph) è :

Distribuzione Uniforme

P [T < t; tc] =� t

tc0 < t < tc

1 t � tc

• tc è detto tempo di corrivazione e il modello idrologico che ne risulta è il modello “cinematico”.

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

46

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tempo di residenza [h]

P[T<t;uniforme(0,1)]

Distribuzione Uniforme

tempo di corrivazione

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

47

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tempo di residenza [h]

P[T<t;uniforme(0,1)]

Distribuzione Uniforme

tempo di corrivazione

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

48

Idrogramma “cinematico”

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time [h]

Dis

charg

e for

unit A

rea a

nd u

nit p

recip

itation

durata della precipitazione

tempo di corrivazione

I volumi di precipitazione

efficace crescono con

la durata con un

andamento in

accordo alle curve di

possibilità

pluviometrica

Osservazioni:

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

49

Idrogramma “cinematico”

Osservazioni:

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time [h]

Dis

charg

e for

unit A

rea a

nd u

nit p

recip

itation

• Per durate di precipitazione inferiori al tempo di corrivazione la portata sale linearmente e h a u n p i c c o p e r a l l a f i n e d e l l a precipitazione. La portata di picco perdura sino al tempo di corrivazione e poi decresce

• Per durate di precipitazioni superiori al tempo di corrivazione la portata di picco si r a g g i u n g e c o m u n q u e a l t e m p o d i corrivazione e perdura sino al termine della precipitazione per poi descrescere.

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

50

Distribuzione Esponenziale

�dove è il tempo medio di residenza

pdf(t;�) =1�

e�t/� H(t)

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

51

Distribuzione Esponenziale

e il modello che ne risulta è quello noto come modello dell’invaso lineare.

P [T < t;�] = (1� e�t/�)

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

52

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tempo di residenza [h]

P[T<t;exp(1)]

Distribuzione Esponenziale

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

53

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tempo di residenza [h]

Pro

babili

t.. E

sponezia

le

Distribuzione Esponenziale

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

54

Idrogramma “dell’invaso lineare”

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time [h]

Dis

charg

e for

unit A

rea a

nd u

nit p

recip

itation

durata della precipitazione

I volumi di precipitazione

efficace crescono con

la durata

Osservazioni:

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

55

Idrogramma “dell’invaso lineare”

0 1 2 3 4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time [h]

Dis

charg

e for

unit A

rea a

nd u

nit p

recip

itation

durata della precipitazione

I volumi di precipitazione,

com e la durata, sono

costanti.

Osservazioni:

Esempi

Tuesday, March 27, 12

Grazie per l’Attenzione

Tuesday, March 27, 12

L’idrogramma instantaneo unitariogeomorfologico

Riccardo Rigon

Shozo S

him

amoto

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

58

Obiettivi

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

58

Obiettivi

• Si introduce il concetto di idrogramma istantaneo unitario geomorfologico.

• Si discute della partizione del bacino in parti idrologicamente simili

• Si introducono le teorie dello GIUH basate sulla funzione di ampiezza

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

59

Il carattere statistico dell’idrogramma unitario ha due conseguenze rilevanti:

I - Un problema di rappresentatività del campione statistico (ovvero della

definizione di una struttura areale minima in cui il sistema sia ergodico).

Tecnicamente si parla di REA Rapresentative Elementary Area. In ogni caso le

incertezze nella previsione sono tanto maggiori quanto più piccolo è il

sistema

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - Osservazioni

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

60

Tre sono gli elementi principali dell'analisi geomorfologica dei bacini:

GIUH

1. La dimostrazione dell'equivalenza rigorosa tra funzioni di distribuzione dei

tempi di residenza all'interno di un bacino e idrogramma istantaneo unitario,

mostrata nel capitolo precedente;

2. La partizione del bacino in unità idrologicamente distinte e la traduzione

formale delle relazioni esistenti tra queste parti (usualmente denominate “stati”)

ciascuna caratterizzata da una propria distribuzione dei tempi di residenza in

quella che usualmente si identifica con l'acronimo GIUH (idrogramma istantaneo

unitario geomorfologico, Instantaneous Geomorphic Unit Hydrograph). Questa

operazione consiste essenzialmente nella scrittura formale dell'equazione di

continuità per un bacino spazialmente articolato e complesso.

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

61

3.La determinazione della forma funzionale delle singole

distribuzioni dei tempi di residenza in base a considerazioni

sull'idraulica dei moti in ambiente naturale e alle caratteristiche

geometriche che regolano il moto.

GIUH

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

62

La ripartizione del bacino parte dell’identificazione del reticolo idrografico

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

Introduzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

63

Prosegue con la identificazione delle aree drenanti in ciascuna porzione di

area.

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

Una partizione dei bacini idrografici

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

64

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

Rinaldo, Geomorphic Flood Research, 2006

Una partizione dei bacini idrografici

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

65

Nel bacino precedente sono identificate cinque aree scolanti (Ai) e di

conseguneza cinque percorsi delle acque:

A1 � c1 � c3 � c5 � �A2 � c2 � c3 � c5 � �

A3 � c3 � c5 � �A4 � c4 � c5 � �

A5 � c5 � �

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

Ogni percorso e’ suddiviso in tratti e i ci rappresentano tratti di canale tra

due successivi affluenti.

L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Lezioni di Costruzioni Idrauliche 2008-2009

Riccardo Rigon

66

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili (bacini urbani)

Tuesday, March 27, 12

Lezioni di Costruzioni Idrauliche 2008-2009

Riccardo Rigon

67

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili (bacini urbani)

Tuesday, March 27, 12

Lezioni di Costruzioni Idrauliche 2008-2009

Riccardo Rigon

68

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili (bacini urbani)

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

69

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

A1 � c1 � c3 � c5 � �

L’area scolante:

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

70

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

A1 � c1 � c3 � c5 � �

Il tratto di rete di testa:

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

71

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

A1 � c1 � c3 � c5 � �

il primo tratto di canale:

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

72

GIUH - Partizione del bacino in aree idrologicamente simili

Nella scelta della partizione vi è, naturalmente

un certo arbitrio nella tasselazione del bacino,

ma la scelta, in generale dovrebbe essere fatta

su motivate quest ioni dinamiche e/o

geomorfologiche. La suddivisione appena

attuata, in particolare, assume che:

•il deflusso nei versanti sia descritto da una

distribuzione dei tempi di residenza distinta dal

deflusso nei canali

•Che il deflusso nei versanti dipenda dall’area

scolante

•Che il deflusso nei canali dipenda dalla

lunghezza dei canali.

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

73

=

+ +

+ +

La linearità implica l’IUH complessivo

si ottiene dalla somma dei singoli IUH

L’identificazione dei percorsi

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

74

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

La partizione assume anche che i tempi di

residenza in ogni “stato” identificato in ogni

percorso possano essere “composti”. Il tempo di

residenza totale (come variabile aleatoria) nel

percorso in figura è allora assegnato come:

T1 = TA1 + Tc1 + Tc3 + Tc5

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6La distribuzione dei tempi di residenza in un singolo percorso

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

75

T1 non è un numero ma una variabile che può

assumere diversi valori, a seconda dei valori

campionati nei processi componenti (A1, C1,

C3,C5). Di questa variabile, si può pero’

conoscere la distribuzione, nell’ipotesi di

indipendenza stocastica dei singoli eventi. In

questo caso:

pdfT1(t) = (pdfA1 � pdfc1 � pdfc3 � pdfc5)(t)

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

La distribuzione dei tempi di residenza in un singolo percorso

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

76

Quella sopra è una scrittura formale che dice:

La distribuzione dei tempi di residenza del

percorso è uguale alla convoluzione delle

distribuzioni dei tempi di residenza nei singoli

stati.

pdfT1(t) = (pdfA1 � pdfc1 � pdfc3 � pdfc5)(t)

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

La distribuzione dei tempi di residenza in un singolo percorso

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

77

L’operazione di convoluzione, assegnate due distribuzion, i.e. pdfA1(t) e

pdfC1(t) è definita da:

Se consideriamo una terza distribuzione, i.e. pdfC3(t)

pdfA1⇥C1(t) := (pdfA1 ⇥ pdfc1)(t) =� t

�⇤pdfA1(t� �) pdfc1(�)d�

pdfA1�C1�C3(t) := (pdfA1 � pdfc1 � pdfc1)(t) =� t

�⌅pdfA1⇥C1(t� � ⇤) pdfc3(�

⇤)d� ⇤

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

La distribuzione dei tempi di residenza in un singolo percorso

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

78

Ecco tutti i percorsi. Una delle ipotesi su

cui si fonda l’idrogramma istantaneo

unitario è quello di considerare che il

contributo dei singoli percorsi si ottenga

come sovrapposizione lineare (somma) dei

singoli contributi:

GIUH(t) =N�

i=1

pi pdfi(t)

dove N e’ il numero di percorsi, pdfi(t) la

distribuzione dei tempi di residenza relativi

a ciascun percorso e pi la probabilità che i

volumi di precipitazione cadano nel percorso i-esimo

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

La distribuzione dei tempi di residenza in un singolo percorso

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

79

GIUH(t) =N�

i=1

pi pdfi(t)

nel caso di precipitazioni uniformi pi

coincide con la frazione di area relativa al

percorso i-esimo.

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

Tutto insieme !

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

80

Rin

ald

o, G

eom

orp

hic

Flo

od

Res

earc

h, 2

00

6

GIUH - Composizione dei tempi di residenza

Tutto insieme !

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

81

GIUH

L’espressione complessiva dello GIUH è dunque:

E la portata all’uscita:

Q(t) = A

� t

0GIUH(t� �) Jeff (�)d�

GIUH(t) =N�

i=1

pi (pdfAi � .... � ACN )(t)

Tutto insieme !

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

82

GIUH L’identificazione delle pdfs

Aree scolanti (o versanti):

pdfA(t;�) = �e�� t H(t)

Dove è l’inverso del tempo di residenza

nell’area (diverse formule possono essere

assegnate nei casi pratici per stimarlo).

Quali pdf, in pratica ?

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

83

GIUH L’identificazione delle pdfs

Canali:

Dove L è la lunghezza del canale fino

all’uscita ed u la celerità dell’acqua nel canale

pdfC(t;u, L) = �(L� u t)

Quali pdf, in pratica ?

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

84

GIUHLa composizione

Canali:

Svolto l’integrale sfruttando le proprietà dell Delta di Dirac, si

ottiene:

pdfA⇥C(t;�, u, L) = � e�� (t�u/L) H(t� L/u)

Che è una famiglia triparametrica di distribuzioni.

pdfA⇤C(t;�, u, L) =Z t

0� e�� (t�⌧)H(t� ⌧)�(L� u ⌧) d⌧

Quali pdf, in pratica ?

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

85

Ogni modello idrologico ha parametri che sono i

coefficienti e gli esponenti delle equazioni del

modello

Questi parametri devono essere stimati per un dato

bacino e per ogni “segmento computationale” del

modello.

I parametri sono stimati attraverso qualche relazione

con caratteristiche fisichedel bacino, oppure

tentando di riprodurre variando i parametri la

risposta un insieme di dati misurati. Questa è,

appunto la calibrazione del modello

Nota

Width (function) Geomorphological Instantaneous Unit Hydrograph with Diffusion

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

Grazie per l’Attenzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

Le portate massimeed effetti geomorfologici

Hoku

sai

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

88

Obiettivi

Peakflow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

88

Obiettivi

• Fatte alcune ipotesi semplificative

• Si usa la teoria dell’idrogramma istantaneo unitario per calcolare le portate massime.

• Si discutono gli elementi teorici del modello Peakflow

Peakflow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

89

0 50 100 150

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Precipitazione [mm]

P[h]

1h

3h

6h

12h

24h

Tr = 10 anni

h1 h3 h6 h12 h24

LE PRECIPITAZIONI

sono assegnate attraverso le curve di possibilità pluviometrica

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

90

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

h(tp, Tr) = a(Tr) tnp

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

91

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

h(tp, Tr) = a(Tr) tnp

Altezza pluviometrica

durata “della

precipitazione”

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

91

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

h(tp, Tr) = a(Tr) tnp

Altezza pluviometrica

coefficiente locale

durata “della

precipitazione”

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

91

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

h(tp, Tr) = a(Tr) tnp

Altezza pluviometrica

coefficiente locale

esponente

durata “della

precipitazione”

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

92

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

92

LE PRECIPITAZIONI

0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0

60

80

100

120

140

160

Linee Segnalitrici di Possibilita' Pluviometrica

t [ore]

h [

mm

]

Intensità della

precipitazione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

93

Metodi per l’aggregazione del deflusso superficiale - IUH

Nel nostro caso, avendo scelto di usare una

precipitazione di intensità costante come pioggia

di progetto e assunto che la pioggia efficace sia

proporzionale alla precipitazione, allora

Peakflow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

94

H(x) =�

0 x < 01 x � 0

H(x) è nota come funzione di Heaviside o funzione a gradino

Peakflow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

95

Che cosa ci dice l’IUH sulla portata massima ?Basta fare dQ/dt = 0 !

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

d Q(t, tp)dt

=d

dt

Z t

0IUH(t� ⌧) H(t, tp)d⌧

H(t, tp) :=

⇢1 0 t tp0 otherwise

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

96

Dopo un po’ di passaggi algebrici, la portata di picco si ottiene risolvendo l’equazione:

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

da cui deriva il tempo di picco t*

Henderson, 1963

IUH(t) = IUH(t� tp)

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

97

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

97

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

IUH(t)

t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

97

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

IUH(t)IUH(t - tp)

t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

97

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

IUH(t)IUH(t - tp)

IUH(t) =IUH(t - tp)

t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

97

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

IUH(t)IUH(t - tp)

IUH(t) =IUH(t - tp)

t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

98

Q(t;Tr, tp) = a(Tr) tn�1p

� t

t�tp

IUH(t)dt

LA MASSIMA TRA LE MASSIME PORTATE

Tuttavia, a ben osservare, la portata è anche una

funzione di tp. Per t > tp

Come conseguenza, la portata di picco, varia al variare

della durata della precipitazione (che vari con il tempo

di ritorno, è in un certo senso ovvio)

PeakFlow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

99

Q(t;Tr, tp) = a(Tr) tn�1p

� t

t�tp

IUH(t)dt

LA MASSIMA TRA LE MASSIME PORTATE

Tuttavia, a ben osservare, la portata è anche una

funzione di tp. Per t > tp

L’intensità di precipitazione decresce all’aumentare di

tp, ma l’integrale aumenta. Per cui vi vi è un tempo

critico di precipitazione per cui si ottiene la massima tra

le portate di picco.

PeakFlow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Precipitazione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Precipitazione

Variazione della precipitazione con la durata

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Precipitazione

Variazione della precipitazione con la durata

Area del bacino

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Precipitazione

Variazione della precipitazione con la durata

Area del bacino

S-Hydrograph al tempo t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

100

La massima portata di picco si ottiene considerando il tempo di picco

come funzione della durata tp nell’equazione:

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

PeakFlow

�t := t⇤ � tp

Precipitazione

Variazione della precipitazione con la durata

Ritardo del tempo di picco

Area del bacino

S-Hydrograph al tempo t*

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

101

LA PORTATA MASSIMA- un po’ più matematicamente

Se:

Allora:

E t* si ottiene da:

PeakFlow

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

102

Si può dimostrare che, sotto ipotesi di celerità costante dell’onda di piena,

l’area contribuente al picco di piena

non dipende dalla celerità nei canali! (nel caso cinematico)

LA PORTATA MASSIMA

PeakFlow

Tuesday, March 27, 12

Grazie per l’Attenzione

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

104

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

105

Tuesday, March 27, 12

Riccardo Rigon

106

Credits and License

Questa presentazione è stata scritta da:

• Riccardo Rigon (Università di Trento)

La citazione corretta è: Rigon, The modern theory of IUH Real Books of Hydrology, Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale, Università di Trento, 2012.

p-peakflowTheory è rilasciato con licenza Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License. Tale licenza si può trovare al sito http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.it

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