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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 !
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Riccardo Rigon
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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
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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
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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
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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
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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
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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
Tuesday, March 27, 12
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