S1~UDI
SASSARESI
Sezione
III
1977
Volume
XXV
ANNALI DELLA FACOLTÀ DI AGRARIA DELL*UNIVERSITA
DI SASSARI
DIRETTORE: O. SERV AZZI
COMITATO DI REDAZIONE: M. DATTILO· F. FATICHENTI - L. lODA· F. MARRAS
A. MILELLA - P. PICCAROLO - A. PIETUACAPRINA - R. PROTA • G. RI VOlRA R. SATTA - C. TESTINI • G. TORRE - A. VODRET
ORGANO UFt'letALE
DELLA SOCIETÀ SASSARESE DI SCIENZE MEDICHE E NATURALI
GALLIZZI - SASSARI - 1978
(Direttore: Prof. Ing.
GUGLIELMO TORRE)Utilizzazione della funzione gamma a due parametri per la
determinazione probabilistica delle portate di piena dei corsi
d'acqua della Sardegna
GIOVANNI ROSA
Premessa
Numerose sono le leggi probabilistiche applicate in idrologia per
deter-minare, utilizzando le serie di osservazioni,
i
valori di massima
precipita-zione o di massima piena prevedibiIi, nei rispettivi bacini, con prefissati tempi
di ritorno.
Prr quanto concerne la Sardegna la regolarizzazione delle portate dei
principali corsi d'acqua è già stata fatta da altri studiosi impiegando leggi
diverse da quella che in questo lavoro si intende utilizzare per valutarne i
limiti di applicabilità. Motivo di questa ricerca
è
quindi quello di saggiare
la possibilità di adattamento della funzione di distribuzione gamma a due
parametri alla regolarizzazione dei massimi valori di portata annuali registrati
in alcuni bacini imbriferi della Sardegna.
Richiami statistici
L'integrale euleriano di seconda specie
r(ct)
=
10
00
X/t-I e-O
dx
per
ct>o
è
detto funzione gamma dì
a.
Per
a
intero e positivo si può inoltre porre:
r(l
+a) ::: a!
370
L'espressione
f(x)
= - - -
xo:-
Ie-'
r(/l)
definisce una funzione di distribuzione di frequenza detta funzione di
distri-buzione gamma ad un solo parametro.
L'integrale della (3) e cioè:
.
1
00F(x)
== - - -
J.
xa-
Ie-' dx
r(/l) o
dà la distribuzione cumulata della frequenza gamma, che generalmente è
posta nella forma
avendo indicato
rX(/l)
F ( x ) =
-r(/l)
L'integrale (6) è definito funzione gamma incompleta.
(6)
Per gli studi idrologici si è visto che l'espressione (3) non si adatta molto
bene alla regolarizzazione dei dati pertanto ad essa si sostituiscono altre
espressioni del tipo:
cp(x)
= ----
xo:-
Ie-
T
oppure
1_'l0
g
(X-X,):::::: - - - - (X-XO)Cl-'
e-
~(8)
con x,
~x:::;;
00dette rispettivamente funzioni di distribuzione gamma a due (7) o a tre (8)
parametri.
x
La (7) è identica alla (3) per
~=
l, con la trasformazione -::::::
y
e
~
ponendo
11
cp(x) ::::
G(y)
l'equazione (7) si riduce all'equazione (3) quando
11
>=
1 perciò:
1
~cp(x)
::::
G(y)
== - -
==
yct-'
e-'
ra.
a.
e
~sono rispettivamente
il
parametro di forma ed
il
parametro di scala
che debbono stimarsi attraverso i dati disponibili per poter studiare la
distri-buzione indicata_
Tali parametri possono ottenersi sia col metodo dei momenti che con
quello della massima verosimiglianza.
Indicando con
x
e s' rispettivamente la media e la varianza stimate
dai dati a disposizione,
i
parametri cercati si ricavano col metodo dei
mo-menti risolvendo il sistema delle due equazioni
da cui:
a.~:::X
a.
11
1 ::::s'
s'
11:::::
-=
X(IO)
Molto più elaborata risulta la determinazione dei parametri col metodo
della massima verosimiglianza
il
quale consiste essenzialmente nel derivare
372
risolvere le conseguenti equazioni che si ottengono eguagliando a zero le
due derivate parziali. La funzione di verosimiglianza del campione
L
fl • f2 •
f, ... f.
(II)
viene espressa come una quantità proporzionale al prodotto delle densità
di probabilità che
a loro volta risultano date da:
fl (Xl, a, b, c ... k)
(Il)
ed in cui
XIindica un valore generico del campione, mentre a, b, c ...
k
sono
parametri della legge di probabilità relativa alla distribuzione studiata.
Poiché la
(II)
può porsi nella forma:
I. L
=
1.
CI
+
l.
f, ...
+
l.
f.
e cioè:
Nl. L
=
L
l.
fl
1ne segue che
No
In L
O
L
l.
f
l- - =
(15)
O
a
O
a
Eseguendo quindi le derivate parziali della
(14)
rispetto a ciascun
parametro si otterranno le
(15)
che uguagliate a zero danno
il
sistema di
equazioni da cui si ricavano i parametri cercati.
Applicando pertanto alla (7) quanto detto si ha:
x
l.
<p(x)
= -
l.
rea) -
a
l.
~+
(a
-1)
1.
X -Tab.
I
.
Corso
d
'ac
qua
e
stazione
di
misura.
Anni
di
fun
z
ionamento
e
numero
delle
oss
e
r
vazioni.
ANNI DI FUNZIONAME TON.
orso d' acq ua e stazione di misura 2223
25
2629
3 03
133
34
35 37 39 43 44 4547
4 9 ---1 1 - - - ----2 3 45
67
8
9 IO II 12 1315
167:
7
18 19 20 21 Fluminimannu ad Is Acquas Fluminimaggior e a Fluminimaggiore Tirso a Rifornitor e Tirso Taloro alla pass ere lla d i Gavoi Tirso a anta hiara d'Ula Araxis i a Orto Sciavico Flumin ed du ad Alla i T e mo a R e inamare ]dannu di Ozi e ri a Pont e della L e gna Rio di Buttul e a Buttul e Mannu di Ozi e ri a Fraigas ]dannu di B rchidda a B erchidda Rio di Oschiri a Concarabella og hin as a ]duzzon e L i scia a Lis c ia edr ino a edr ino Fodd e ddu a orongiu Flum e ndosa a Gadoni Flum ndosa a Villan ovatu lo Flum e ndosa a Monte Scrocca Sa ~cocca a ]donte Acuto..
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60
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s
373
da cui
o
In
cp(x)
oa
avendo indicato con 'l'Ca-l) la derivata di
111
r(a),
detta anche funzione
digamma di
et
[F(a)]
o
In
cp(x)
a
x
- - - - =
+
-o
ç3
~fil
Dalle equazioni
(16)
e
(17)
eguagliate a zero si ricava
il
sistema:
1
Na
fi
==
-"I:i
XIN
11
N XiF(a)
==
-"I:I
111-N
I(3
la cui soluzione fornisce
i
parametri cercati.
(18)
La funzione
F(a)
è risolta mediante uno sviluppo in serie ed
il
para-metro
a
risulta da])a:
l+yt+: A
a
==
-
aa.
(19)
4A
in cui
aa
è un termine correttivo mentre A
è dato da:
1
N1
NA
==
In -
l:i
XI - -"I:i
111 Xi
N
IN
INell'applicazione pratica il metodo della massima verosimiglianza risulta
piuttosto laborioso e ad esso può sostituirsi, in alcuni casi e con le dovute
riserve
til
metodo dei momenti che consente maggiore speditezza dei calcoli
~
quanto è stato fatto in questo lavoro, giacché lo scopo è solo quello
di saggiare
i
limiti di applicabilità
d~llafunzione gan:ma a due parametri per
la regolarizzazione dei dati di massima portata di alcuni bacini imbriferi
della Sardegna, e quindi ricavare valori statisticamente validi per la
riso-luzione dei problemi ad essi connessi.
Il test del X" e quello del segno eseguito sui dati regolarizzati indicano,
per ogni bacino,
i
limiti della validità della ricerca fatta.
M
etodologia
Si sono analizzati
i
dati di portata relativi a ventuno corsi d'acqua per
i quali si aveva un periodo sufficientemente lungo di osservazione e tale
da consentire una valida elaborazione statistica (Tab.
I)
Per ogni corso d'acqua sono state considerate le massime portate
gior-naliere annue medie e quindi
il
numero dei dati -
per ogni stazione di misura
-
è risultato pari al numero degli anni delle rispettive osservazioni.
Con una prima elaborazione statistica si sono determinate le medie
Ci
e le varianze
S2che sostituite nel sistema
(I I)hanno portato alla calcolazione
dei parametri
(J.e
~da introdurre in ogni singola regolarizzazione; le ventuno
copie di valori così trovati sono stati raccolti nella Tab.
II.
In appendice sono
Tab. II -
Valori dei parametri
ti.e
f3.
Corso d'acqua e stazione di misura
ex.
~
Fluminimannu ad Is Acquas
1,980 4.416FI
uminimaggiore a Fluminimaggiore
3,657 4,005Tirso a Rifornitore Tirso
1,559 74.381Taloro alla passerella di Gavoi
2,261 35,843Tirso a Santa Chiara d'Ula
3,186 102,653Araxisi a Orto Scia vico
2,647 9.988Flumineddu ad Allai
2,228 66,'02Temo a Reinamare
5,3 13 II,98
3Mannu di Ozieri a Ponte della Legna
4·°44 21,837Rio di Buttule· a Buttule
1.62426.555
l\tannu di Ozieri a Fraigas
2,645 54.258Mannu di Berchidda a Berchidda
1,7097
2.°76Rio di Oschiri a Concarabella
1,671 4°.569Coghinas a Muzzone
3,23 6 I06,058Liscia a
Lis~ia 0,806. 15°.579Cedrino a Cedrino
1,449 129.597Foddeddu a Corongiu
0. 865 29.457Flumendosa a Gadoni
1,159 156 ,254Flumèndosa a Villanovatulo
0,953 205,148
Flumendosa a Monte Scrocca
0,676 4 11 ,825
375
state trascritte, per ogni valore di
et,
le tavole per
il
calcolo della funzione
gamma incompleta a due parametri. Nella Tab.
III
sono invece sintetizzate
le elaborazioni di calcolo eseguite per «Taloro alla Passerella di Gavoi
».
In questa tabella
è
riportato. oltre al numero d'ordine, l'anno ed i
corri-spondenti valori delle rispettive portate che nella sucessiva colonna vengono
disposte in ordine crescente. Con riferimento a detto ordine sono state
cal-colate poi le frequenze effettive di non superamento F. attribuibili a
cia-scuna portata.
Per mezzo delle tavole riportate in appendice, in corrispondenza al
cal-colato valore di
a.
si è determinato
il
valore della quantità x corrispondente
ad ogni frequenza F •.
Ricordando che la distribuzione studiata e quella detta «a due
para-metri» ne segue che i valori x altro non sono che i valori delle portate,
divise per
il
coefficiente
~,corrispondenti alle frequenze effettive F.. Le
F, sono invece le frequenze teoriche che si deducono dalle tavole, per i valori
O
delle portate
Xl= -.
La portata regolarizzata
Onl=
XB
e
il
valore del
~
segno, conseguente alla differenza (O -
O",), sono i dati trascritti
rispetti-vamente nelle ultime due colonne della citata tabella.
La fig.
Irappresenta la curva regolarizzatrice ricavata coi valori
osser-vati nel periodo considerato per «
Taloro alla Passerella di Gavoi ».
Per effettuare alcune considerazioni conclusive si sono calcolate le
por-tate massime medie giornaliere centenarie relative ad ogni corso d'acqua
con riferimento alla relativa sezione di misura. Tutti i dati così trovati sono
riuniti nella Tab. IV.
La validità della regolarizzazione studiata è stata infine verificata col
test del X' e con quello del segno.
Nella Tab. V sono precisate le elaborazioni di calcolo per la
determi-nazione del X'. derivante dal confronto tra la frequenza effettiva e quelle
teoriche risultanti dalla regolarizzazione effettuata per
il
fiume Taloro.
Per tutti i corsi d'acqua studiati (Tab. VI) sono infine riportati i
rispet-tivi valori del
l.
osservato e quello del
"1..'<,
a livello di significatività
0,10,per un numero di gradi di libertà conseguenti alle rispettive divisioni in classi.
Nella stessa tabella è riportato anche il valore \Va che rappresenta
il
più
piccolo dei numeri dei segni positivi o negativi degli scarti
(O -
O,..)
nonché
Tab.
III - Portate e frequenze di:
«Taloro alla passerella di Gavoi
».
Q
Segno
N.
Anno
(Q)
Q
FI!
XFt
X I = - Orei = Xr1
~
Q-Qreg
l 1922 35. 00 20,00 0, 02 56 0,3315
0.°7 10 0.55798 II,88+
2 23 33.90 20,7° 0,°512 0.47°° 0,0759 0,5775 1 16.85+
3 24 73. 00 20.7° 0.°769 0.581 7 0,°759 0,57751 20,85-4
25 30 ,80 24,40 0, 1025 0.6799 O,}027 0, 68073 24,37+
5 26 20,00 3°,00 0.1282 0,77°7 0,1479 0,83697 27,62+
6 27 72 •00 3°,80 0,1538 0,8563 0.1547 0,85929 30,69+
7 28 61,80 32,10 0,1794 0.9383
0. 1659 0.89556 33,63 829
32,10 33.30 0,2051 7,or85
0,,1765
0,929°33
6.50 -9 193° 101,00 33.9° 0,23°7 1.0969 0. 1817 0,94577 39.32 -IO 31 54,30 35,00 0,2564
1.1746 0,1915 0,97646 42.10 -I -I 32 30,00 39,70 0,2820 1,2516 0,234 2 1,1°759 44,86 -12 33 24.40 44. 60 0,3076 1.3285 0,2796 1,24429 47. 62 -13 34 53. 60 53,60 0,3333 1,4°60 0.3626 1.49538 5°.40+
14 35 151,00 54.3° 0,35 89 1,4839 0.3690 1.5 1491 53. 19+
15 36 7°,00 57,00 0.3846 1.563° 0,3934 1,5902 4 56,02+
16 37 39.70 61,80 0,4 102 1,6430 0,4357 1,724 155
8,89+
17 3 8 80~20 7°,00 0,4358 1,7245 0,5044 1,95292 61,81+
18 1941 57,00 71,4° 0.4 61 5 1.8081 0.5 156 1.99198 64,81+
19 42 86.20 72,00 0.4871 1.8936 0.5 2Q4 2,00872 67. 87
+
20 43 33,30 73. 00 0,5 128 1,9820 0,5 282 2,03662 71,°4-+
21 44 9°.70 74.3° 0,53 84 2,°730 0,5384 2,°7 289 74.3° o 22 45 44. 60 78 .90 0.564
1 2. 167° 0.573° 2,20122 77,69+
23 46 13°,00 80,00 0,5897 2. 2658 0,5810 2.23191 81,2I -24 47 104,00 80.20 0, 61 53 2,3685 0,5824 2,23749 84.90 -25 48 90.70 86,20 0,64 10 2,4768 0. 6241 2,4°489 88,78 -26 49 25 6 ,00 9°,70 0,6666 2.5906 0,653 2 2,53°43 92,85 --27 195° 20,70 9°,70 0,6923 2,7120 0,653 2 2,53°43 97. 21 -2B 51 147,00 101,00 0.7179 2.8414
0.7133 2, B1779
101.85 -29 52 Bo,oo 104.00 0,7435 2,9 B09 0,7 292 2.901 49 106,85 -30 53 116.00 106,00 0,7 692 3,1331 0.7393 2.95728 112,30 -31 54 20.7° n6,oo 0.794 8 3,3°00 0.7853 3. 23 627 l1B,28 -32 55 106,00 13°. 00 0, 8205 3.4 867 0,8379 3.62686 124,98+
33 56 145.00 14°,00 0,84 61 3,6978 0,8680 3.9°585 132,54+
34 57 14°.00 145,00 0,8717 3,95°3 o,B8n 4.°4.5.34 141.59+
35 58 224.00 147,00 0,8974 4. 2397 0,8860 4. 1011 4 151.97 -3659
71,40 151,00 0.923
0 4.6128 0,8953 4. 212 74 165,34 -37 1960 74.3° 224,00 0,948
75,
1291 0.9534 6,24936 183,85+
38 61 78
.90 256 ,00 0,9743 5,98
40 0,99027.
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Gavoi
».Tab. IV
~Portate massime medie giornaliere centenarie.
Corso dJacqua e stazione
Fluminimannu ad 1s Acquas
Fluminimaggiore a Fluminimaggiore
Tirso a Rifornitore Tirso
Talora alla passerella di Gavoi
Tirso a Santa Chiara d'Ula
Araxisi a Orto Sciavico
Flumineddu ad Allai
Temo a Reinamare
Mannu
diOzieri a Ponte della Legna
Rio
diButtule
a Buttule
Mannu di Ozieri a Fraigas
Mannu di Berchidda
a Berc11idda
Rio di Oschiri a Concarabella
Coghinas
a Muzzone
Liscia a Liscia
Cedrina
a Cedrina
Foddeddu a Corongiu
Flumendosa a Gadoni
Flumendosa a Villanovatulo
Flumendosa
a1\fonte Scrocca
Sa Picocca a
~IonteAcuto
m"/sec
3°
4°435
2609°0
80475
145
2.2.5160
4
25
44°
245
94°625
7
25
J30785
925
1585
135
il
valore di
Wc,
che a livello di significatività
D,IO,rappresenta
il
dato
ca1colato dal Wine col quale occorre confrontare
Wo.
Affinché la
distribuzione studiata non sia da rifiutarsi al livello di si·
gnificatività prefissato
è
necessario che
"1.:o<X2c
e che nel contempo
Wo<Wc.
Tab. V - Calcolo del
"l
per
« Taloro alla passerena di Gavoi'*.
(ni-\lI)l
n.
Fc
Ft
VI (ni-Vi)2Xl
=
V' 9 0.2301 0,18 17 7,083.68
0.5
20 9 0,4 615
0.5
156
13,02 16,16 1.241 IOI
0.7179 0.7133
I
1.72 5.19 \ 0.673 IO-
-
10,18 0,03 0,003L
381:
38 .002,437
378
L'esame della Tab. VI consente le seguenti considerazioni:
1)
la distribuzione studiata non è accettabUe per Tirso a Rifomitore Tirso,
Mannu di Ozieri a Fraigas, Rio di Oschiri a Concarabella, Liscia a
Liscia e Flumendosa a Gadoni poiché
il X
20
è risultato maggiore di
'1.
2.:;2)
per
il
Rio di Buttule a Buttule, Cedrino a Cedrino e Flumendosa a Monte
Scrocca la distribuzione gamma a due parametri non può accettarsi poiché
al test dal segno è risultato che W.:2:: .. Wo.
Tab. VI -
Test
del '1.
2e del segno.
Corso d'acqua e stazione
'1.
20XlI!
Wo
Wl;,
Fluminimannu ad Is Acquas
l,55 2,71 14- 12Fluminimaggiore a Fluminimaggiore
1,°4 2,71 18- 14Tirso a Rifornitore Tirso
12,09 4,61 22- 16Taloro alla passerella di Gavoi
2;24 2,71 18- 14Tirso a Santa Chiara d'Ula
1,74
2,71 19- 14Araxisi a Orto Sciavico
5,12 6,25 20- 15Flumineddu ad Allai
1,80
2,7 1 15- I ITemo a Reinamare
2,294.
61 21+
16Mannu di Ozieri a Ponte della Legna
0,65 2,719-
7
Rio di Buttule a Buttule
0,53 2,7 1 11- 14Mannu di Ozieri a Fraigas
7,91 6,25 21-17
Mannu di Berchidda a Berchidda
0,052.7
1 13- 12Rio di Oschiri a Concarabella
6,47 6.25 21+
15Coghinas a Muzzone
0,94 6,25 19+ 15Liscia a Liscia
14.45 2.71 16- 14Cedrino a Cedri no
0,°3 2.71 14-14
Foddeddu a Corongiu
2.27 2.71 14+ lOFlumendosa a Gadoni
7,20 6.25 16- 13Flumendosa a Villanovatulo
2,44 2.71 14- I IFlumendosa a :l\Ionte Scrocca
t.89 2.7 1 10- 14Sa Picocca a Monte Acuto
3.034.
61 19+ 14Conclusioni
Le ultime considerazioni fatte sui test di significatività portano
a
con·
eludere che la legge di distribuzione studiata può ritenersi certamente valida
poiché essa è da rifiutarsi solo per otto corsi d tacqua sui ventuno esaminati.
L'esame dei valori delle portate massime medie giornaliere centenarie
(Tab. IV) induce poi alla formulazione di un altro giudizio positivo.
Infatti se questi dati vengono confrontati con quelli ottenuti in un ana·
logo studio fatto dal Lazzari per alcuni corsi d'acqua della Sardegna si nota
che essi poco discostano o ben si accordano a quelli trovati, mediante altre
leggi probabilistiche, dall'autore citato.
La legge probabilistica studiata può quindi essere compresa tra quelle
più comunemente usate (Galton, Gumbel, Frechet) per il calcolo della
mas-sima piena centenaria o millenaria nei corsi d'acqua della Sardegna.
Non va però dimenticato che queste ultime sono quelle più utilizzate,
in particolar modo la log-normale di Galton, che resta sempre quella
mag-giormente impiegata per la prevalente rapidità di .applicazione.
RIASSUNTO
Dopo una breve premessa ed alcuni richiami statistici sulla funzione
gamma a due parametri si espone la metodologia impiegata per la
regolariz-zazione, con la legge probabilistica citata, delle portate massime medie
gior-naliere registrate in alcuni bacini idrografici della Sardegna.
Col test del X' e quello del segno vengono saggiate tutte le
regolariz-zazioni effettuate e
da esse si nota come la legge probabilistica studiata possa
validamente applicarsi alla previsione delle piene dei corsi d'acqua della
Sardegna.
SUMMARY
After a brief introduction and some statistical remarks on the gamma
function in two parameters, we are going to explain the methodologie used.
according to the quoted law of probabilities, to regularize the daily maximum
average capacity, wich has been recorded in some hydrographic bassins in
Sardinia.
AlI controlls carried out are tested by X' and sign tests, (rom these wc
note that the studied law of probabilities may be validly applaied to the
forecasl of the riviers in flood in Sardinia.
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