Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale

Corso di Idraulica
ed Idrologia Forestale
Docente: Prof. Santo Marcello Zimbone
Collaboratori: Dott. Giuseppe Bombino - Ing. Demetrio Zema
Lezione n. 14: Ciclo e bilancio idrologico
Anno Accademico 2008-2009
Indice
Generalità sulle scienze idrologiche
Il ciclo idrologico
Il bilancio idrologico
Il bilancio idrologico a scala di bacino
Il bilancio energetico della Terra
La circolazione atmosferica
I regimi pluviometrici
Generalità sul clima italiano
I regimi pluviometrici in Italia
Bilancio idrico globale del territorio nazionale
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Materiale didattico
Slides delle lezioni frontali
Greppi M.: Idrologia. Il ciclo dell’acqua e i suoi effetti,
Ed. Hoepli, Milano, 1999
Moisello U.: Idrologia tecnica, Ed. La Goliardica
Pavese, Pavia, 1999
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Generalità sulle scienze idrologiche
L’idrologia (dal greco: υδρος - ydros, “acqua” e λογος logos, “studio” → υδρολογια - hydrologia = "studio
dell’acqua") è una scienza che studia:
il movimento
la distribuzione
la qualità
dell’acqua sulla Terra
Essa si indirizza specificamente verso:
l’analisi del ciclo idrologico
la previsione ed il controllo delle piene
la gestione e l’uso delle risorse idriche
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Generalità sulle scienze idrologiche
Lo specialista in idrologia è l’idrologo, che opera in
diversi campi:
scienza della Terra e dell’ambiente
geomorfologia
geografia fisica
ingegneria civile e ambientale
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Generalità sulle scienze idrologiche
Allo specialista in idrologia si richiedono competenze in
tre campi specifici:
1. Gestione delle risorse idriche: si devono definire i flussi
idrici di ingresso in un sistema di gestione delle risorse
idriche per diversi scenari (inclusi quelli relativi a
condizioni di magra) e simulare il comportamento del
sistema a fronte di diverse politiche di prelievo o di
definizione dei vincoli ambientali (es.: a fronte di specifici
valori di deflusso minimo vitale)
In tale ambito l’idrologia fornisce indicazioni specifiche
per la gestione e la pianificazione delle risorse idriche,
dove la validità di diverse opzioni di uso sono esaminate
con valutazioni di tipo economico, tecnico, legale e
politico
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Generalità sulle scienze idrologiche
2. Controllo delle acque superficiali e difesa del suolo:
controllo
degli
eventi
idrologici
estremi,
principalmente delle piene, nonché dei processi erosivi
e di trasporto di sedimenti che hanno luogo durante le
piene
progettazione di interventi strutturali di
(arginature, briglie, ecc.) e di sistemi di
(perimetrazione di aree inondabili, previsione
ecc.)
controllo
gestione
di piene,
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Generalità sulle scienze idrologiche
3. Controllo della qualità delle acque:
analisi dell’inquinamento di origine concentrata e
diffusa
prevenzione dei processi di diffusione di inquinanti o
contaminanti nei diversi corpi idrici naturali (superficiali
e profondi)
progettazione e gestione delle operazioni di bonifica
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Generalità sulle scienze idrologiche
L’idrologia e l’ingegneria delle risorse idriche si
relazionano con vari altri campi della conoscenza:
idrometeorologia
idrologia delle acque superficiali
idrogeologia (idrologia delle acque sotterranee)
gestione dei bacini di drenaggio
qualità delle acque,
in cui l’acqua ha un ruolo centrale
Di solito l’oceanografia e la meteorologia non sono
considerate incluse nelle scienze idrologiche
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Generalità sulle scienze idrologiche
I processi di gestione delle risorse idriche sono
preceduti dall’analisi idrologica, che prevede lo studio di:
distribuzione spaziale e temporale dell’acqua
circolazione dell’acqua nelle diverse fasi
liquida, vapore) e nei diversi ambienti
disponibilità idrica
proprietà fisiche e chimiche dell’acqua
interrelazioni con l’ambiente, comprese quelle
organismi viventi
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(solida,
e sue
con gli
Generalità sulle scienze idrologiche
La capacità di prevedere i fenomeni idrologici e quindi di
verificare tali previsioni con l’aiuto delle osservazioni è
resa complessa dal fatto che:
i processi sono innescati dalle precipitazioni, le cui
caratteristiche sono aleatorie ed incerte
l’estensione spaziale e la variabilità temporale dei
processi sono tali da rendere estremamente difficili sia le
previsioni, sia le misure
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Il ciclo idrologico
Il ciclo idrologico (o ciclo
dell'acqua) rappresenta l’insieme
di tutti i fenomeni inerenti alle
acque
nel
loro
naturale
movimento
sulla
superficie
terrestre, nell’atmosfera, sulle
terre emerse e negli oceani
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Il ciclo idrologico
Schema del ciclo idrologico della Terra
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Il bilancio idrologico
Il ciclo idrologico può essere descritto in termini
sistematici analizzando i flussi in ingresso, quelli in
uscita, le trasformazioni e le varie forme di
immagazzinamento
Il bilancio può essere formulato con riferimento ad un
qualsiasi "volume di controllo“, ovvero un elemento
tridimensionale attraverso il quale si esplicano i flussi in
ingresso ed uscita
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Il bilancio idrologico
L’equazione generale che esprime il principio di
conservazione della massa, tramite il quale è possibile
impostare un “bilancio idrologico” applicabile ad ogni
volume di controllo, è la seguente:
Essa sostiene che "la variazione nel tempo della massa
d'acqua (M) corrispondente alla fase assegnata è pari
alla differenza fra il flusso entrante (input, I) e quello
uscente (output, O)"
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Il bilancio idrologico
L'unità territoriale più conveniente da assumere come
volume di controllo per l'indagine idrologica è quella del
bacino idrografico
Altrettanto importante è l’identificazione del periodo di
riferimento nel quale effettuare il bilancio idrologico
(scale
temporali
mensile,
stagionale,
annuale,
pluriennale)
In ogni caso è essenziale quando si effettua un bilancio
idrologico fissare il volume di controllo ed il periodo di
riferimento
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Il bilancio idrologico
Il bilancio di massa può essere applicato a tre diversi
volumi di controllo:
1) Volume di controllo relativo alle acque superficiali
2) Volume di controllo relativo alle acque sotterranee
3) Volume di controllo complessivo
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Schema a blocchi per il bilancio idrologico a scala di bacino
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Nella figura i blocchi rappresentano forme di
immagazzinamento dell’acqua e le linee che li collegano
rappresentano i singoli processi che trasferiscono
l’acqua da una forma di accumulo all’altra
Complessivamente il contorno tratteggiato blu delimita la
parte del ciclo idrologico che rappresenta la
trasformazione afflussi-deflussi operata dal bacino
idrografico, che in questo caso è il volume di controllo
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Applicando l’equazione generale che esprime il
principio di conservazione della massa al volume di
controllo che ha la base coincidente con lo strato
impermeabile su cui poggiano gli acquiferi, il limite
superiore al di sopra della vegetazione ed un contorno
cilindrico che passa per lo spartiacque del bacino,
possiamo scrivere la seguente relazione per l’unità di
tempo considerato:
P + Qe =
= Ea’ + Ea’’ + Et + Ev + T + Q + Qu +
+ ∆Vv + ∆Vs+ ∆Vu+ ∆Va+ ∆Vr
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
P è la precipitazione complessiva sul bacino
Qe è la quantità d’acqua entrata nel bacino per scorrimento
sotterraneo
Ea’ è la quantità d’acqua evaporata dalla rete idrografica o
da altri specchi d’acqua
Ea’’ è la quantità evaporata dal velo d’acqua che copre la
superficie del suolo durante e dopo la precipitazione
Et è la quantità d’acqua evaporata dallo strato areato del
terreno
Ev è la quantità d’acqua evaporata dalla copertura vegetale
durante e dopo la precipitazione
T è la quantità di acqua traspirata dalla vegetazione
Q è il deflusso totale alla sezione di chiusura del bacino
Qu è la quantità d’acqua uscita dal bacino per scorrimento
sotterraneo
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
∆Vv
è
l’incremento
del
volume
d’acqua
immagazzinato dalla vegetazione ipotizzato in gran
parte dovuto al fenomeno di intercezione vegetale “I”
∆Vs
è
l’incremento
del
volume
d’acqua
immagazzinato nelle depressioni superficiali
∆Vu
è
l’incremento
del
volume
d’acqua
immagazzinato come umidità nello strato del suolo
areato
∆Va
è
l’incremento
del
volume
d’acqua
immagazzinato negli acquiferi
∆Vr è l’incremento del volume d’acqua immagazzinato
nella rete idrografica del bacino
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
In particolare:
i termini P + Qe rappresentano il flusso entrante o
input
i termini Ea’ + Ea’’ + Et + Ev + T + Q + Qu rappresentano
il flusso uscente o output
i termini ∆Vv + ∆Vs + ∆vu + ∆va + ∆Vr rappresentano la
variazione di massa d’acqua all’interno del volume di
controllo nel tempo considerato
Più sinteticamente si può porre l’evapotraspirazione ET
pari alla somma dell’evaporazione e della traspirazione:
ET = Ea’ + Ea’ + Et + Ev + T
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Ugualmente, nell’equazione di bilancio globale si può
condensare nella variazione complessiva di volume la
somma dei termini corrispondenti nei cinque blocchi:
∆V = ∆Vv + ∆Vs+ ∆Vu+ ∆Va+ ∆Vr
Pertanto l’equazione di continuità globale (bilancio
idrologico di bacino) si può scrivere nella forma:
P + Qe = ET + Q + Qu + ∆V
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Spesso si può assumere che le due quantità Qe e Qu
siano trascurabili o siano circa uguali tra loro
La forma più sintetica dell’equazione di continuità
globale risulta pertanto:
P = ET + Q + ∆V
L’equazione del bilancio idrologico ci dice che la
precipitazione è pari alla somma delle perdite per
evaprotraspirazione ET, del deflusso superficiale Q alla
sezione di chiusura e dell’incremento ∆V del volume
d’acqua immagazzinato in varie forme all’interno del
volume di controllo, assunto come rappresentazione del
bacino nel tempo di riferimento considerato
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Le dimensioni utilizzate per la quantificazione dei flussi
idrici (portate) sono:
volume per unità di tempo (L3 T-1) (es: m3 s-1)
lunghezza per unità di tempo (quando ci si riferisce
all’unità di superficie) (L T-1) (es: mm h-1)
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Vale la pena porre l’attenzione sul caso di estremo
interesse in cui il volume di controllo considera solo lo
strato superficiale del terreno
A meno della risalita capillare ritenuta trascurabile,
l’unico flusso idrico entrante nel volume di controllo è
costituito dalla precipitazione P, depurata dell’aliquota I
trattenuta per effetto dell’intercezione dalla copertura
vegetale
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
I flussi uscenti sono rappresentati: dalla componente
superficiale del deflusso superficiale Q, dall’infiltrazione
F verso gli strati più profondi del suolo e dal contributo
all’evapotraspirazione ET
Il termine ∆V coincide, in questo caso, con il solo ∆Vs,
cioè al volume di acqua immagazzinato nelle depressioni
superficiali del terreno
L’equazione di bilancio pertanto diventa:
P = ET + Qs + F + I + ∆Vs
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Nelle applicazioni pratiche la grandezza che più spesso è
oggetto di investigazione è rappresentata dal termine Q
(deflusso superficiale)
Per questo motivo tutti quei fenomeni per i quali il
deflusso superficiale alla sezione di chiusura risulta
minore dell’afflusso meteorico al bacino sono spesso
indicati come “perdite”
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Il bilancio idrologico a scala di bacino
Facendo riferimento alla perdite del bacino è possibile
introdurre le definizioni di pioggia efficace e pioggia netta
La pioggia efficace è la frazione di pioggia che riesce
effettivamente a raggiungere il suolo dopo la perdita per
intercezione dovuta alla copertura vegetale
La quantità di pioggia efficace, depurata delle altre
perdite, che effettivamente alimenta il deflusso
superficiale è chiamata pioggia netta
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LA CORREZIONE SI E’
FERMATA QUI
Il bilancio energetico della Terra
La comprensione delle caratteristiche climatiche e della
distribuzione spaziale e temporale delle componenti del
ciclo idrologico (es. precipitazione e deflusso)
richiedono l’analisi della
struttura del bilancio
energetico del sistema Terra
La distribuzione della radiazione sulla superficie del
globo e sulla sua atmosfera induce degli squilibri di
energia termica che mettono in moto i processi
idrologici e meteorologici
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Il bilancio energetico della Terra
Una superficie appena sopra l’atmosfera e orientata
perpendicolarmente a un raggio di sole riceve una radiazione
solare di 1367 W/m2 (detta anche “costante solare”); posta
questa pari a 100%, la figura mostra cosa accade mediamente
a tale flusso di energia
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La circolazione atmosferica
La eterogenea distribuzione
della
radiazione
sulla
superficie terrestre dà luogo
ad un moto di circolazione
atmosferica
(nella
troposfera), che nella sua
versione
più
idealizzata
(assenza
di
rotazione
terrestre)
assume
la
struttura indicata in figura
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La circolazione atmosferica
L’energia è trasportata, a
causa
del gradiente di
temperatura, che dà origine a
sua volta a gradienti di
pressione, verso le zone
polari come energia termica
o
come
calore
latente
(vapore)
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La circolazione atmosferica
Ovviamente la distribuzione
risultante viene ad essere
influenzata
anche
dalla
dislocazione geografica di
terre emerse ed oceani e
dalla presenza dei rilievi
orografici
La
struttura
idealizzata
presenta una fascia di bassa
pressione localizzata presso
l’Equatore ed una di alta
pressione presso il Polo
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La circolazione atmosferica
Nella
troposfera
la
temperatura
dell’aria
decresce con la quota:
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La circolazione atmosferica
Cause del moto delle masse d’aria
L’energia del sole non riscalda
uniformemente la Terra (a causa
dell’angolo fra raggi solari e
superficie:
l’aria
più
calda
all’equatore sale e l’aria più fredda
ai poli scende
La forza di Coriolis che, agendo sul
moto dei fluidi che si muovono sulla
superficie del pianeta, determina
moti di circolazione in senso orario
od antiorario a seconda che ci si
trovi
nell’emisfero
australe
o
boreale
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La circolazione atmosferica
Pertanto i fattori che determinano essenzialmente il
regime pluviometrico di un dato punto della superficie
terrestre sono:
la latitudine (da cui dipende l’irraggiamento solare)
la distanza dalla sorgente di umidità (perciò le
precipitazioni sono più abbondanti lungo le coste
esposte ai venti carichi di umidità che non all’interno dei
continenti, dove le masse d’aria arrivano più asciutte
perché hanno perso una parte del loro contenuto
d’acqua)
l’orografia (la precipitazione generalmente aumenta
con l’altitudine)
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La circolazione atmosferica
Processi di raffreddamento e sollevamento
Le precipitazioni meteoriche sono causate dal
sollevamento e dal successivo raffreddamento di masse
d’aria per:
convergenza orizzontale o non-frontale → la
convergenza orizzontale (tipica delle zone tropicali) in
un punto di bassa pressione genera uno spostamento
verticale dell’aria, che può condurre a condensazione e
precipitazione
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La circolazione atmosferica
sollevamento frontale o ciclonico → fronte caldo: la
massa d’aria calda scivola su una massa di aria fredda;
→ fronte freddo: la massa d’aria fredda si incunea al di
sotto di una massa di aria calda: piogge prolungate ed
estese di modesta intensità (fronte caldo) + piogge di
medio-breve durata e forte intensità (fronte freddo)
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La circolazione atmosferica
sollevamento orografico → la massa d’aria in moto è
costretta a sollevarsi dall’ostacolo: elevata piovosità sul
versante esposto al vento dominante + aridità relativa
sul versante riparato dal vento dominante
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La circolazione atmosferica
sollevamento convettivo → una massa d’aria si
solleva localmente per riscaldamento differenziale:
nubifragio di breve durata e forte intensità (temporale)
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La circolazione atmosferica
Sollevamento
ciclonico
frontale
o
Zone
di
circolazione
cicloniche: i venti girano
intorno ad un polo di bassa
pressione in senso antiorario
nell’emisfero boreale
Zone
di
circolazione
anticicloniche: i venti girano
intorno ad un polo di alta
pressione in senso orario
nell’emisfero boreale
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La circolazione atmosferica
Isobara: luogo dei punti dell’atmosfera aventi lo stesso
valore di pressione
Fronte: superficie di separazione fra due masse d’aria
provenienti da aree diverse e con temperature diverse
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La circolazione atmosferica
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I regimi pluviometrici
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I regimi pluviometrici
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I regimi pluviometrici
Climi caldi:
Zona equatoriale: precipitazioni convettive, regimi
molto abbondanti (1500-3000 mm/y)
Zona sub-equatoriale: precipitazioni molto variabili
(200-3000 mm/y)
Zona tropicale: precipitazioni scarse (50-150 mm/y)
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I regimi pluviometrici
Climi temperati:
Zona sub-tropicale: inverni piovosi, estati secche
(regime mediterraneo), viceversa nel regime sinico
Zona delle medie latitudini: forti contrasti stagionali e
geografici fra zone marittime, più piovose ed a
distribuzione piovosa più uniforme (regime oceanico) e
zone continentali, meno piovose con precipitazioni
concentrate in estate (regime continentale)
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I regimi pluviometrici
Climi freddi:
Zona sub-artica: piogge abbondanti nelle zone costiere
(a clima più mite) (250-900 mm/y)
Zona artica: precipitazioni scarse di carattere nevoso
(150 mm/y)
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Generalità sul clima italiano
A determinare il clima in Italia intervengono:
- la posizione astronomica, compresa fra i 36 ed i 45° N
di latitudine, sede di un fronte di convergenza da Nord e
da Sud di masse d’aria di contrastanti caratteristiche
termodinamiche
- la posizione geografica, gravante sul lato occidentale
della grande massa dei vecchi continenti, prossima
all’Oceano Atlantico ed all’Africa Settentrionale
- l’estensione della penisola, in direzione Nord-Sud per
oltre 10° di latitudine
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Generalità sul clima italiano
- l’influenza del mare sul clima (almeno per la penisola),
per la forma lunga e stretta della penisola nel Mar
Mediterraneo
- la configurazione orografica, influente in particolare
sul clima invernale, con la barriera dell’arco alpino a
protezione dai venti freddi provenienti dal I e IV
quadrante e con la dorsale appenninica a riparo del
versante tirrenico dai venti freddi di Nord-Est
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
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I regimi pluviometrici in Italia
Caratteri distintivi:
diminuzione della precipitazione al diminuire della
latitudine
coerenza della sua distribuzione
fondamentali dell’orografia
con le linee
influenza sulla sua distribuzione dell’orientamento dei
versanti rispetto alla direzione dei venti prevalenti
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I regimi pluviometrici in Italia
Nei mesi invernali (dicembre-febbraio) quando le
formazioni cicloniche investono tutta l’Italia, le piogge
risultano piuttosto uniformi sull’intera penisola, fatta
eccezione per limitate aree dell’Appennino Centrale, in
Calabria (superiori a 500 mm) e sulla pianura pugliese
(inferiori a 200 mm)
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I regimi pluviometrici in Italia
Nei mesi estivi (giugno-agosto) si nota una netta
diminuzione della piovosità con il diminuire della
latitudine; la precipitazione si concentra sulle regioni
alpine
Valori di precipitazione di poco superiori a 100 mm
predominano su vaste aree dell’Italia centrale e lungo la
dorsale dell’Appennino
Le precipitazioni si mantengono su valori generalmente
inferiori a i 100 mm sul resto del territorio peninsulare
ed ai 50 mm in Sicilia e Sardegna
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Bilancio idrico globale del territorio nazionale
Bilancio idrologico a scala nazionale
10 9
mm
%
m3/anno
Afflusso meteorico medio annuo
300
990
Evaporazione e traspirazione
133
440
44
Deflussi superficiali
155
510
52
Deflussi profondi
12
40
4
Nota 1: la superficie dell’Italia è pari circa a 330.000 km2
Nota 2: l’afflusso medio è maggiore rispetto a quello medio
europeo (646 mm/anno) ed anche rispetto a quello medio delle
terre emerse (730 mm/anno)
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Bilancio idrico globale del territorio nazionale
Questi volumi idrici, che sono potenzialmente sufficienti
a soddisfare il fabbisogno complessivo nazionale,
stimato in poco oltre 50 109 m3/anno, sono però soggetti
a consistenti variazioni stagionali che ne determinano
una disuniforme distribuzione nel tempo, in controfase
con le necessità derivanti dai fabbisogni
Si verificano quindi maggiori disponibilità nella stagione
di minore domanda e minori disponibilità in quella di
maggiore domanda
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Bilancio idrico globale del territorio nazionale
Stagionalità dei deflussi dei corsi d’acqua italiani
Regime di
Deflusso stagionale
deflusso dei
bacini
(in % del deflusso annuo)
inverno primavera
estate
autunno
Alpini
12
21
42
25
Appenninici
impermeabili
46
33
5
16
Appenninici
permeabili
33
33
14
20
Insulari
57
29
3
11
del Po
21
28
24
27
I dati indicano una forte stagionalità dei deflussi,
crescente al diminuire della latitudine
E’ quindi importante studiare i regimi fluviali
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