Runoff Generation, Dunnian and Hortonian runoff. Simple modelling of Hortonian and Dunnian runoff in stationary cases

1. La generazione del deflusso
Modelli semplificati
Riccardo Rigon
R.Hopper,HarshNewEnglandlandscape,1930

2. 2
Obbiettivi
•Illustrare, per via euristica, il comportamento del’infiltrazione a scala di
versante
•Introdurre il tema, simmetrico a quello dell’infiltrazione e della
redistribuzione laterale, della produzione di deflusso.
•Analizzare i processi a scala di versante e, in particolare, i processi di
generazione del deflusso superficiale.
Introduzione
Riccardo Rigon

3. 3
Lo scopo delle slide seguenti è quello di dare una indicazione di come calcolare
l’idrogramma di un versante dovuto al deflusso subsuperficiale e superficiale.
Infiltrazione a scala di versante
Introduzione
Riccardo Rigon

4. 4
Introduciamo un concetto empirico
la capacità di infiltrazione
Come la capacità di un suolo e/o di un materiale di permettere
l’infiltrazione di una certa intensità di precipitazione e/o di irrigazione.
Assumiamo, per il momento, senza giustificazione
che vi sia una grandezza misurabile che la quantifiche e che questa sia la
conducibilità idraulica
Introduzione
Riccardo Rigon

5. 5
AccumulatedInfiltration(mm)
100
200
300
400
60 120 180
Time (minutes)
Gravelysandyloam
Sandy loam
(pasture)
Sandy loam
(mulch)
Sandy loam (wheat)
Silt loam
Clay
L’infiltrazione dipende dal tipo di suolo
[Adapted from Taylor and Ashcroft, 1972]
Introduzione
Riccardo Rigon

6. 6
Condizioni del suolo
Tessitura
Struttura
Profondità
Stratificazione
Variabilità spaziale
Radici
Profondità della falda
Presenza di drenaggi
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Introduzione
Riccardo Rigon

7. 7
Condizioni della superficie
Uso del suolo
Copertura Vegetale
Scabrezza
Fessurazione e
“Crusting”
Impermeabilizzazione
Idrofobicità
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Introduzione
Riccardo Rigon

8. 8
Condizioni del flusso
[Ward and Elliot, 1995, Environmental Hydrology]
Carico Idraulico
Viscosità
Chimica
Temperature del
suolo e dell’acqua
Intrappolamento
dell’aria
Introduzione
Riccardo Rigon

9. Infiltrazione
Due casi : La precipitazione è maggiore della capacità di infiltrazione oppure minore
9
Infiltrazione
Riccardo Rigon

10. La precipitazione è minore della capacità di infiltrazione
10
Tutto si infiltra!
Dunnian runoff
Riccardo Rigon

11. 11
Questo si può analizzare in modo semplificato
nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Pendenza
del terreno
Area contribuente
C o n t o r n o
drenato
A/b [m]
Out[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pendenze
Aree - Pendenze
Riccardo Rigon

12. 12
Questo si può analizzare in modo semplificato
nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Ricarica sulla
falda
Trasmissività
idraulica
Out[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pendenze
Aree - Pendenze
Riccardo Rigon

13. L’equazione di bilancio di massa diviene
13
Assumendo idrologia stazionaria
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

14. 14
Flusso = Area * Velocità apparente
Area = b*h
Velocità apparente
(Legge di Darcy)
h
b
Flusso =
Step by Step
il carico idraulico è
approssimato con il
gradiente della
pendenza
=
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

15. 15
Ks => Conducibilità idraulica a saturazione [L/T]
TK = Ks h => Trasmissività idraulica [L2/T]
h => Altezza del suolo idrologicamente attivo [L]
TK si deve calcolare ex-post, calibrando “a posteriori” i modello contro
alcuni casi sperimentali. Ha infatti un carattere di media spaziale.
Anzichè considerare T, si potrebbe considerare la sua definizione in termine
della conducibilità satura Ks e della quota di spessore di sedimento
idrologicamente attivo, h, sperando si poter stimare quest’ultimo a partire da
modelli di evoluzione del suolo o di ottenerlo da misure.
Illusi! tuttavia se pensate che anche Ks si possa determinare, per esempio,
per mezzo di pedotransfer functions.
In questa teoria rimane un parametro efficace.
Note
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

16. 16
Flusso superficiale = Area * Velocità
Area = b*dh
Velocità = uh
Flusso subsuperficiale <=
Flusso superficiale <= uh*b* dh
h
b
dh
Saturazione Raggiunta!
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

17. 17Quello che entra è in ogni istante uguale a quello che esce!!
Saturazione Raggiunta!
Il bilancio stazionario (stazionario: perchè nella equazione sottostante
mancano i termini di accumulo temporaneo nella parte satura e insatura)
della striscia di versante si scrive allora:
Infatti:
: è il deflusso subsuperficiale dall’elemento di versante
: è il deflusso superficiale (runoff)
: è la quantità di acqua che arriva alla falda
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

18. Si esclude la presenza di deflusso superficiale
18
Relazioni Area-Pendenza
AfterMontgomery&Dietrich1992,1995
Idrologia Stazionaria dei versanti
Riccardo Rigon

19. 19
Relazioni Area-Pendenza
AfterMontgomery&Dietrich1992,1995
Se
DEVE ESSERCI DEFLUSSO SUPERFICIALE
Se
Tutto defluisce nel suolo.
Back to Area - Pendenza
Riccardo Rigon

20. 20
Questo si può analizzare in modo semplificato
nel piano Aree - Pendenze
A/b [m]
Punti saturiPunti non
saturiOut[506]=
1 10 100 1000 104
10
50
20
30
15
70
Pendenze
Back to Area - Pendenza
Riccardo Rigon

21. 21
Azioni
Deflusso superficiale
per redistribuzione
(Dunnian/saturation
excess runoff)
La precipitazione supera la
capacità di infiltrazione ?
no
si
Analizzo il problema
sul diagramma
Aree-Pendenze
Azioni
Riccardo Rigon

22. 22
Azioni
Assegnato l’apporto
idrico sulla falda, rp,
e la trasmissività dei
suoli,
determino le aree
sature
su base topografica
Analizzo il problema
sul diagramma
Aree-Pendenze
Azioni
Riccardo Rigon

23. 23
L’equazione di bilancio
L’INDICE TOPOGRAFICO
Indice Topografico
Riccardo Rigon

24. 24
Dipende da elementi
idrologici
L’INDICE TOPOGRAFICO
e da elementi
topografici
Indice Topografico
Riccardo Rigon

25. 25
L’INDICE TOPOGRAFICO
É piú elevato per i punti che saturano prima
Indice Topografico
Riccardo Rigon

26. 26
L’indice Topografico
Indice Topografico
Riccardo Rigon

27. 27
Indice Topografico
Indice Topografico
Riccardo Rigon

28. Zona umida del Biotopo
Le Grave: si notano zone
ad elevato indice
topografico, cioè zone
piane e che si saturano
presto.
www.parks.it/biotopo.grave.html
Indice Topografico
Riccardo Rigon

29. 29
Conseguenze per la determinazione della
precipitazione efficace
Se dunque si posseggono le precipitazioni antecedenti un evento intenso è
possibile determinare le condizioni del suolo all’inizio dell’evento stesso ?
Apparentemente si:
•definito l’apporto idrico alla falda, , per esempio pari alla media delle
precipitazioni nei due giorni precedenti
•valutato la trasmissività idraulica
Riccardo Rigon

30. 30
Sono quelli potenzialmente saturi i punti per cui:
Il primo membro contiene termini che dipendono solo da grandezze
topografiche, il secondo solo da termini che dipendono solo da variabili
idrologiche.
Generalmente la stima fatta in questo modo non dà una rappresentazione
molto accurata della distribuzione spaziale della saturazione. Ma
rappresenta adeguatamente i volumi in gioco.
Riccardo Rigon

31. Se la precipitazione è superiore alla
capacità di infiltrazione
31
MoltoRuscella
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon

32. 32
53
Azioni
La precipitazione supera la
capacità di infiltrazione ?
no
si
Deflusso superficiale
per superamento
della capacità di
infiltrazione
(Hortonian/
infiltration excess
runoff)
Azioni
Riccardo Rigon

33. Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Deflusso Hortoniano (Horton, 1945) : il deflusso superficiale avviene
per superamento della capacità di infiltrazione
P
P
qo
f
33
ModificatodaMaidment
Hortonian runoff
Riccardo Rigon

34. Il deflusso Hortoniano dipende prevalentemente dal rapporto tra intensità di
un evento piovoso ed conducibilità idraulica dei suoli e va risolto su scale
temporali “di evento”. Le condizioni di umidità iniziale dei suoli contano
poco.
34
Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon

35. 35
Flusso superficiale = Area * Velocità
Area = b*dh
Velocità = uh
Flusso subsuperficiale =
Flusso superficiale = uh*b*dh
h
b
dh
D*
Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Hortonian Runoff
Riccardo Rigon

36. La saturazione “Hortoniana” avviene dall’alto (saturation from above),
mentre la saturazione “Dunniana” avviene dal basso (saturation from
below)
36
Deflusso Hortoniano e Dunniano
h
b
h
b
dh
D*
Indice Topografico
Riccardo Rigon

37. Deflusso Dunniano (Black and Dunne, 1978) : il deflusso superficiale
avviene su suoli già saturi. Il concetto di area di saturazione parziale
P
P
P
qo
f
f
37
ModificatodaMaidment
Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon

38. Il deflusso per saturazione su suoli saturi presenta uno sviluppo stagionale
(nei climi temperati e umidi), anche se l’area satura può, di per se variare
considerevolmente anche durante un evento
38
Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon

39. In realtà anche gli stessi processi responsabili dellla saturazione dei
suoli provocano deflusso superficiale per effetto della convergenza
della topografia. La ridistribuzione del deflusso può provocare la
saturazione: questo è un effetto NON stazionario del deflusso
subsuperficiale
39
P
P
P
qr
qs
qo
ModificatodaMaidment
Determinazione dei meccanismi di deflusso
superficiale
Ancora sul deflusso Dunniano
Riccardo Rigon

40. Subsurface stormflow
Perched subsurface stormflow
Horizon 1
Horizon 2
P
P
P
qs
P
P
P
qs
Ma naturalmente, nel bilancio, non c’è solo il deflusso
superficiale
40
ModificatodaMaidment
What Else ?
Riccardo Rigon

41. Alla ricerca dei processi dominanti
climi semi aridi o aridi: poca
vegetazione o vegetazione
disturbata dalle attività
umane
C l i m i u m i d i ;
v e g e t a z i o n e
densa
Versanti lineari;
suoli profondi e
molto permeabili.
Fondo-valle stretti
Suoli con spessore
modesto. Versanti
dolci e concavi : valle
larghe; suoli con varia
permeabilità
41
DunneeLeopold,1978
Il deflusso superficiale
Hortoniano domina. C’e’
molto deflusso superficiale
e relativamente modesto
deflusso subsuperficiale
L’idrograma è dominato dalla
precipitazione diretta e dal
deflusso di ritorno.
L’idrogramma è dominato
v o l u m e t r i c a m e n t e d a l
deflusso subsuperficiale; i
picchi sono prodotti dal
deflusso subsuperficiale
Una sintesi naturalistica
Riccardo Rigon