Elementi del ciclo idrologico

Precipitazione

La precipitazione è il rilascio di acqua dall'atmosfera per raggiungere la superficie della terra.Il termine 'precipitazione' copre tutte le forme di acqua rilasciate dall'atmosfera (neve, grandine, nevischio e pioggia). Le precipitazioni sono il principale input di acqua in un bacino idrografico. Necessitano di un'attenta valutazione negli studi idrologici e idrogeologici.

Evento e tipi di precipitazioni

La capacità dell'aria di trattenere il vapore acqueo dipende dalla temperatura (Davie, 2008): più l'aria è fredda, meno vapore acqueo viene trattenuto. il vapore si condenserà in acqua liquida o solida (cioè acqua o goccioline di ghiaccio). L'acqua non si condenserà spontaneamente. Nell'atmosfera devono essere presenti minuscole particelle, chiamate nuclei di condensazioneSui nuclei di condensazione si formano le goccioline di acqua o ghiaccio. Le goccioline di acqua o ghiaccio che si formano sui nuclei di condensazione sono normalmente troppo piccole per cadere in superficie come precipitazione. Devono crescere per avere una massa sufficiente per superare le forze di sollevamento all'interno di una nuvola .

Ci sono tre condizioni che devono essere soddisfatte prima della formazione delle precipitazioni (Davie, 2008):

• Raffreddamento dell'atmosfera
• Condensazione del vapore sui nuclei
• Crescita delle gocce d'acqua o di ghiaccio

Ci sono tre tipi principali di precipitazione:

• Precipitazione convettiva
• Precipitazioni orografiche
• Precipitazioni cicloniche

Precipitazione convettiva

L'aria riscaldata vicino al suolo si espande e assorbe più umidità dell'acqua. L'aria calda carica di umidità si sposta verso l'alto e si condensa a causa della temperatura più bassa, producendo così precipitazioni. Questo tipo di precipitazione è sotto forma di temporali locali vorticosi.

Precipitazioni orografiche

Il sollevamento meccanico dell'aria umida è terminato montagna barriere, provoca forti precipitazioni sul versante sopravvento della montagna.

Precipitazioni cicloniche

Il riscaldamento irregolare della superficie terrestre da parte del sole provoca regioni di alta e bassa pressione. Le masse d'aria si spostano dalle regioni di alta pressione alle regioni di bassa pressione e questo movimento produce precipitazioni. Se l'aria calda sostituisce l'aria più fredda, il fronte è chiamato fronte caldo. Se l'aria fredda sostituisce l'aria calda, il suo fronte si chiama a fronte freddo.

Misurazione delle precipitazioni

La precipitazione è solitamente espressa come profondità verticale di acqua liquida. La precipitazione è misurata da millimetri (mm), piuttosto che per volume come litri o metri cubi.La misurazione delle precipitazioni Europe è profondità dell'acqua che si accumulerebbe in superficie se tutta la pioggia rimanesse dov'era caduta. La nevicata può anche essere espressa come profondità di acqua liquida.

Per scopi idrologici è più utilmente descritto in profondità equivalente in acqua.

Water profondità equivalente è la profondità dell'acqua che sarebbe presente se la neve si sciogliesse.

Nel analisi idrologiche è importante;

• per sapere quante precipitazioni sono cadute,
• e quando ciò è avvenuto.

Le precipitazioni in diversi punti del terreno vengono registrate utilizzando due tipi principali di pluviometri:

• pluviometri senza registrazione
• registrazione pluviometri.

Pluviometri senza registrazione

Il pluviometro non registratore è costituito da un imbuto con bordo circolare e da una bottiglia di vetro come ricevitore.

L'involucro metallico cilindrico è fissato verticalmente alla fondazione in muratura con l'orlo piano sopra la superficie del terreno.

La pioggia che cade nell'imbuto viene raccolta nel ricevitore e misurata in un apposito misurino graduato in mm di pioggia. Di solito, le misurazioni delle precipitazioni vengono effettuate alle 08.00:16.00 e alle 24:XNUMX. Durante le forti piogge, devono essere misurate tre o quattro volte al giorno. Pertanto, il pluviometro senza registrazione fornisce solo la profondità totale delle precipitazioni per le XNUMX ore precedenti.

Registrazione pluviometri

A pluviometro a registrazione ha una disposizione meccanica automatica composta da:

• un orologio,
• un tamburo con una carta millimetrata fissata attorno ad esso
• e una punta di matita, che disegna il curva di massa delle precipitazioni.

Questo tipo di calibro è anche chiamato autoregistrazione, automaticamente in Sistemi or pluviometro integrato.

Da questa curva di massa delle precipitazioni;

• la profondità delle precipitazioni in un dato momento,
• il tasso o l'intensità delle precipitazioni in qualsiasi momento durante una tempesta,
• tempo di inizio e cessazione delle precipitazioni, può essere determinato.

Ci sono tre tipi di registrazione pluviometri:

• Pluviometro a secchiello ribaltabile
• Pluviometro a pesatura
• Pluviometro a galleggiante

Pluviometro a secchiello ribaltabile

Pluviometro a secchiello ribaltabile costituito da un ricevitore cilindrico di 30 cm di diametro con all'interno un imbuto.

Sotto l'imbuto ci sono un paio di secchi ribaltabili. I secchi ruotavano in modo tale che quando uno dei secchi. Pluviometro a secchiello ribaltabile (da Raghunath, 2006). riceve una pioggia di 0.25 mm si ribalta e si svuota in una vasca sottostante, mentre l'altro secchio prende posizione e il processo si ripete. Il ribaltamento del secchio agisce su un circuito elettrico che fa muovere una penna su una carta avvolta attorno ad un tamburo che ruota grazie ad un meccanismo ad orologio.

Pluviometro a pesatura

Nel tipo di pesatura del pluviometro, quando un certo peso di pioggia viene raccolto in un serbatoio, fa muovere una penna su una carta avvolta attorno a un tamburo azionato da un orologio.

La rotazione del tamburo imposta la scala temporale mentre il movimento verticale della penna registra la precipitazione cumulativa

Pluviometro a galleggiante

Nel pluviometro a galleggiante, poiché la pioggia viene raccolta in una camera galleggiante, il galleggiante si sposta verso l'alto, il che fa muovere una penna su un grafico avvolto attorno a un tamburo azionato da un orologio.

Quando la camera del galleggiante si riempie, l'acqua fuoriesce automaticamente attraverso un tubo sifone tenuto in una camera del sifone interconnessa. IL pluviometri a pesatura ea galleggiante può memorizzare un moderato caduta di neve che l'operatore può pesare o fondere e registrare la profondità equivalente della pioggia.La neve può essere sciolta nel misuratorestesso (poiché vi viene raccolto) da un sistema di riscaldamento installato su di esso o immettendo nel manometro alcuni prodotti chimici (cloruro di calcio, glicole etilenico, ecc.).

Precipitazioni medie areali

Precipitazione puntuale: È la precipitazione registrata in una singola stazione.

Per piccole aree inferiori a 50 km2, le precipitazioni puntuali possono essere considerate come la profondità media dell'area. In aree estese deve essere installata una rete di stazioni pluviometriche (stazioni meteorologiche). Poiché le precipitazioni su una vasta area non sono uniformi, è necessario determinare la profondità media delle precipitazioni sull'area.Precipitazione media areale è la precipitazione media di una vasta area (bacino, pianura, regione ecc.) per un determinato periodo di tempo (anno, mese ecc.).

La precipitazione media areale è determinata da uno dei seguenti fattori tre metodi:

• Metodo della media aritmetica (media).
• Il metodo isohyetale
• Metodo del poligono di Thiessen

Quantità medie di precipitazione delle stazioni pluviometriche per il comune (stesso) periodo di tempo sono utilizzati nell'applicazione di questi metodi, poiché la durata del periodo di osservazione per ciascuna stazione può essere diversa.

Metodo della media aritmetica (media).

Si ottiene calcolando semplicemente la media aritmetica delle quantità di precipitazione nelle singole stazioni pluviometriche (stazioni meteorologiche) nell'area di drenaggio.

Pave = ∑ Pi / n (2.1)

Pave = profondità media delle precipitazioni nell'area

∑ Pi = somma delle precipitazioni nelle singole stazioni pluviometriche

n = numero di stazioni pluviometriche presenti nell'area

La sezione metodo è veloce e semplice e rende bene

stime in pianura (Raghunath, 2006):

• se i calibri sono distribuiti uniformemente,
• e se le precipitazioni nelle diverse stazioni non variano molto dalla media.

Il metodo isohyetale

In questo metodo; le precipitazioni misurate nei siti di misurazione (stazioni meteorologiche) vengono tracciate su un'apposita mappa di base e le linee di uguale precipitazione (isohyets) vengono tracciate tenendo conto degli effetti orografici e della morfologia dei temporali.

Una mappa isohyetale mostra linee di uguale precipitazione disegnate nello stesso modo in cui viene disegnata una mappa di contorno topografica. Una mappa isohyetale ha un intervallo di precipitazione tra isohyets-10 mm, 25 mm, 50 mm, ecc.

Le precipitazioni medie tra le isoiete successive (P1, P2, P3,…) sono prese come media dei due valori isoietali.

Queste medie sono; pesata con le aree comprese tra le isoiete (a1, a2, a3, …), sommate e divise per l'area totale del bacino che dà la profondità media delle precipitazioni sull'intero bacino.

Pave = ∑ * (Pi +Pi+1)/2 ] ai / A (2.2) ai = area tra i due

isoiete successive Pi e Pi+1

A = area totale del bacino.

Metodo del poligono di Thiessen

Questo metodo tenta di consentire una distribuzione non uniforme degli indicatori fornendo un fattore di ponderazione per ciascun indicatore (Raghunath, 2006).

Le stazioni sono tracciate su una mappa di base e sono collegate da linee rette.

Le bisettrici perpendicolari sono disegnate sulle linee rette, unendo stazioni adiacenti per formare poligoni.

Si presume che ogni area poligonale sia influenzata dalla stazione pluviometrica al suo interno.

P1, P2, P3, …. sono le precipitazioni nelle singole stazioni,

e a1, a2, a3, …. sono le aree dei poligoni che circondano queste stazioni (aree di influenza).

La profondità media delle precipitazioni per il bacino è data da

Pave = ∑ Pi ai / A (2.3) A = area totale del bacino.

I risultati ottenuti sono generalmente più accurati di quelli ottenuti con la semplice media aritmetica.

I misuratori (stazioni) dovrebbero essere posizionati correttamente sopra il bacino per ottenere poligoni di forma regolare.

Evaporazione e Traspirazione

Il processo attraverso il quale l'acqua viene trasferita dalla superficie terrestre (superficie terrestre, superfici d'acqua libere, acqua del suolo, ecc.) all'atmosfera è chiamato evaporazione. Durante il processo di evaporazione il calore latente di evaporazione viene prelevato dalla superficie di evaporazione. Pertanto l'evaporazione è considerata un processo di raffreddamento. Evaporazione dalla superficie terrestre, acqua libera

superfici, acqua del suolo, ecc. sono di grande importanza negli studi idrologici e metereologici perché influenzano (Usul, 2001):

• la capacità dei serbatoi,
• la resa dei bacini fluviali,
• la dimensione degli impianti di pompaggio,
• l'uso tisico dell'acqua da parte delle piante, ecc.

Traspirazione definisce la perdita d'acqua dalle piante all'atmosfera attraverso i pori sulla superficie delle loro foglie. Nelle aree coperte da vegetazione è quasi impossibile distinguere tra evaporazione e traspirazione. Pertanto, i due processi sono raggruppati insieme e indicati come evapotraspirazione.

Evaporazione

La velocità di evaporazione e l'evapotraspirazione variano a seconda di:

• fattori meteorologici (atmosferici) che influenzano la regione,
• e sulla natura della superficie evaporante.

I fattori che influenzano la velocità di evaporazione (e anche l'evapotraspirazione) sono:

1. Radiazione solare
2. Umidità relativa
3. Temperatura dell'aria
4. Vento
5. Pressione atmosferica
6. Temperatura dell'acqua liquida
7. salinità
8. Caratteristiche aerodinamiche
9. Caratteristiche energetiche

Misurazione dell'evaporazione

Il metodo più comune per la misurazione dell'evaporazione è l'utilizzo di un evaporazione pane.

Questa è una grande vasca d'acqua con uno strumento di misurazione della profondità dell'acqua.

Questo dispositivo permette di registrare quanta acqua viene persa per evaporazione in un determinato periodo di tempo.

In una stazione meteorologica standard l'evaporazione viene misurata giornalmente come variazione della profondità dell'acqua. Una vaschetta di evaporazione è piena d'acqua, da cui il evaporazione dell'acqua aperta è misurato. Una bacinella di evaporazione standard, chiamata bacinella di evaporazione di classe A, ha un diametro di 122 cm e una profondità di 25.4 cm.

I coefficienti empirici (coefficiente pan) vengono applicati per stimare l'evaporazione da corpi idrici più grandi (lago, bacino artificiale ecc.) utilizzando l'evaporazione pan misurata.

I valori del coefficiente pan per la vasca di evaporazione di classe A vanno da 0.60 a 0.80 e 0.70 viene utilizzato come media annuale.

Metodi di stima dell'evaporazione

Le difficoltà nel misurare l'evaporazione utilizzando strumenti meteorologici hanno portato a fare molti sforzi per stimare l'evaporazione.

Esistono diversi metodi per stimare l'evaporazione:

1. Metodo del bilancio idrico
2. Metodo del bilancio energetico
3. Equazioni emperiche (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith, ecc.)

Metodo del bilancio idrico

Un approccio semplice per determinare l'evaporazione comporta il mantenimento di un bilancio idrico.

Equazione di continuità può essere scritto nella seguente forma per determinare l'evaporazione (E) per un certo periodo:

E=(∆S+P+Qs) – (Qo+Qss)

∆S: Variazione del deposito, P: Precipitazioni,

Qs: affluenza superficiale, Qo: deflusso superficiale,

Qss: deflusso sotterraneo (infiltrazioni)

Metodo del bilancio energetico

Per determinare l'evaporazione da un bilancio energetico lago può essere utilizzato.

E=(Qn+Qv-Qo) / ρ.Le (1+R)

Qn: Radiazione netta assorbita dal corpo idrico, Qv: Energia convogliata di afflusso e deflusso,

Qo: Aumento dell'energia immagazzinata nel corpo idrico, ρ: Densità dell'acqua,

Le: Calore latente di vaporizzazione,

R: Rapporto tra la perdita di calore per conduzione e quella per evaporazione.

Equazioni emperiche (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith, ecc.)

Le equazioni emperiche si basano su variabili meteorologiche misurate (parametri).

Precipitazioni, radiazione solare, velocità del vento e umidità relativa i valori sono usati nella stima dell'evaporazione da queste equazioni.

Usando queste equazioni è possibile fare una buona stima dell'evaporazione dai laghi per periodi annuali, mensili o giornalieri.

Traspirazione

Traspirazione da una pianta porta all'evaporazione dalle foglie attraverso piccoli fori (stomi) nella foglia.

Questo è talvolta indicato come evaporazione delle foglie secche.

Vari metodi sono ideati dai botanici per la misurazione della traspirazione. Uno dei metodi ampiamente utilizzati è la misurazione di fitometro (Raghunat, 2006).

Un fitometro consiste in un serbatoio chiuso a tenuta d'acqua con terreno sufficiente per la crescita delle piante con solo la pianta esposta.

L'acqua viene applicata artificialmente fino al completamento della crescita della pianta.

L'attrezzatura viene pesata all'inizio (W1) e alla fine dell'esperimento (W2).

Acqua applicata durante la crescita (w) viene misurata e l'acqua consumata dalla traspirazione (Wt) si ottiene come

Wt = (W1 + w) - W2

evapotraspirazione

evapotraspirazione (Et) è l'acqua totale persa da un terreno coltivato (o irrigato) a causa dell'evaporazione dal suolo e della traspirazione delle piante.Potenziale evapotraspirazione (Ep) è l'evapotraspirazione dalla breve vegetazione verde quando le radici sono rifornite di acqua illimitata che ricopre il suolo. Di solito è espresso come profondità (cm, mm) sopra l'area.

I seguenti sono alcuni dei metodi di stima dell'evapotraspirazione (Raghunath, 2006):

• Serbatoi ed esperimenti al lisimetro
• Trame sperimentali sul campo
• Equazioni dell'evapotraspirazione sviluppate da Lowry-Johnson, Penman, Thornthwaite, Blaney-Criddle, ecc.
• Metodo dell'indice di evaporazione.

Infiltrazione

Viene chiamata l'acqua che entra nel terreno sulla superficie del suolo infiltrazione. Ripristina la carenza di umidità del suolo e l'acqua in eccesso si sposta verso il basso per forza di gravità. Questo processo è chiamato infiltrazioni profonde or percolazione, ricarica le acque sotterranee e ricostruisce la falda freatica.

Il tasso massimo al quale il suolo in una data condizione è in grado di assorbire acqua è chiamato suo capacità di infiltrazione.

Infiltrazione (f) spesso inizia a una velocità elevata (da 20 a 25 cm/ora) e diminuisce fino a una velocità di stato abbastanza stazionaria (fc) mentre la pioggia continua, chiamato l'ultimo fp (=da 1.25 a 2.0 cm/h)

Il tasso di infiltrazione (f) in ogni momento t è data dall'equazione di Horton

(Raghunath, 2006): f = fc + (fo – fc) e–kt

fo = tasso iniziale di capacità di infiltrazione

fc = tasso finale costante di infiltrazione alla saturazione

k = una costante che dipende principalmente dal suolo e dalla vegetazione e = base del logaritmo napieriano

t = tempo dall'inizio della tempesta

L'infiltrazione dipende da:

• l'intensità e la durata delle precipitazioni,
• meteo (temperatura),
• caratteristiche del suolo,
• copertura vegetale,
• uso del suolo,
• contenuto di umidità iniziale del suolo (umidità iniziale),
• aria intrappolata nel suolo o nella roccia,
• e profondità della falda freatica.

Determinazione dell'infiltrazione

I metodi per determinare l'infiltrazione sono:

• Infiltrometri
• Osservazione in fosse e stagni
• Lisimetri
• Simulatori di pioggia artificiale
• Analisi dell'idrogramma

BIBLIOGRAFIA

• Prof. Dott. FİKRET KAÇAROĞLU, Dispense, Muğla Sıtkı Koçman University
• Davie, T., 2008, Fondamenti di idrologia (seconda ed.). Rutledge, 200 p.
• Raghunath, HM, 2006, idrologia (seconda ed.). New Age Int. Publ., Nuova Delhi, 463 p.
• Usul, N., Idrologia ingegneristica. METU Press, Ankara, 404 p.