APPENDICE 1 - MISURE DI CAMPO

APPENDICE 1 - MISURE DI CAMPO

La campagna di misure è stata condotta nei mesi di Marzo, Aprile e Maggio 2005 e consta di tre operazioni successive:

• rilievo della sezione alla stazione di misura delle altezze idrometriche;

• scelta e rilievo di una sezione di misura ausiliaria;

• misura delle velocità nella sezione ausiliaria con mulinello;

Il ricorso ad una sezione ausiliaria è reso necessaria dalla particolare conformazione dell’alveo in corrispondenza della stazione di misura idrometrica che oltre ad essere difficilmente accessibile, non consente l’utilizzo del mulinello per le basse velocità del corso d’acqua, che non rientrano nel range di funzionamento dello strumento. La sezione scelta si trova a monte della precedente ad una distanza di circa 100 m, su cui non sono presenti confluenze ed è ubicata su di un tratto rettilineo sufficientemente regolare ed accessibile ( foto 1 e 2).

Foto 2. Sezione ausiliaria vista da valle. Rilievo delle sezioni

Sono di seguito riportati i due diversi metodi per il rilievo delle due sezioni.

La stazione di rilevamento idrometrico dell’ Autorità di Bacino del Serchio è posta in località Sasso delle Botti in corrispondenza del ponte che collega i comuni di S. Romano e Camporgiano.per il rilievo della sezione è stato necessario ricorrere ad una strumentazione di fortuna, costituita da barre di alluminio della lunghezza di 3 m ciascuna. Le barre sono state raccordate con appositi manicotti in dotazione e da noi graduate in corrispondenza dei punti di misura prefissati. Lungo le barre viene fatta scorrere una rondella metrica ad esse collegata mediante anelli e opportunatamente piombata in testa per garantire la verticalità della misura anche in presenza di deflusso (fig. 1). La traslazione lungo l’orizzontale veniva regolate tramite un sistema di cavi tesi dai due operatori posti agli estremi della sezione. Gli spostamenti verticali erano regolati con il semplice riavvolgimento e rilascio della rondella metrica.

Fig. 1. Sistema di rilievo della sezione alla stazione di misura idrometrica.

La conoscenza delle caratteristiche meccaniche dell’asta ne ha consentito la determinazione del rilevante abbassamento dovuto all’ inflessione lungo tutta la sua lunghezza e quindi il calcolo della distanza del fondo d’ alveo, in ogni punto di misura, rispetto al piano orizzontale di appoggio delle barre. La lettura è stata eseguita nella zona interessata dal deflusso ad intervalli di 50 cm su 3 mandate successive per ridurre l’incertezza delle misure stesse. Il rilievo è stato condotto sull’intera sezione, anche se soggetta a deflusso solo per eventi di piena (foto 3).

Barra di alluminio

Piombino Cavo di manovra sinistro

Appoggio sinistro Bindella metrica

anello intermedio

anello di sostegno

Cavo di manovra destro

Foto 3. Operazioni di rilievo della sezione alla stazione di misura idrometrica.

La sezione ausiliaria è stata rilevata mediante tacheometro e stadia in quanto la ridotta altezza d’acqua consentiva un’agevole accessibilità ai predefiniti punti di misura distanziati di 50 cm nelle zone di estremità e di 30 cm nella zona centrale. Il maggior dettaglio per la zona centrale è finalizzato ad una maggiore precisione ed è dovuto a due motivi:

• Alveo corazzato con maggiore irregolarità per la presenza di pezzatura notevole;

• Gran parte del deflusso si concentra in tale zona, quindi a parità di incertezza geometrica, l’errore commesso nella valutazione della portata ha un peso maggiore sul risultato finale;

Tali punti fissati su di un cavo disposto orizzontalmente tra due paline delimitanti la sezione individuano le verticali lungo cui verranno condotte le misure di velocità (foto 4). Il rilievo della sezione è stato condotto su due mandate per ridurre l’incertezza delle misure nel giorno 23 Marzo 2005 e ripetuto il giorno 2 Maggio successivo per accertare la modifica della sezione dell’alveo conseguente agli eventi di piena; dal confronto dei due rilievi non emergono rilevanti variazioni, se non in corrispondenza

delle zone laterali, in accordo con il fatto che la zona centrale soggetta a corrazzamento rimane immutata.

Foto 4. Sezione di misura ausiliaria. Misura delle velocità

Le misure di velocità sono state condotte nella sezione ausiliaria nelle seguenti date:

Data H idrometrica 23/03/05 1,00 20/04/05 1,10 27/04/05 1,085 28/04/05 1,07 23/03/05 02/05/05 1,053 1,036

Le sei misure sono comprese in un ristretto intervallo delle altezze idrometriche della stazione di rilevamento idrometrico, ma sufficientemente distanziate per la valutazione

della scala di deflusso; il limite superiore è dovuto all’impossibilità di eseguire misure in sicurezza per gli elevati valori delle velocità in alveo; mentre il limite inferiore, è dettato dal regime dei deflussi e quindi non controllabile. Occorre comunque osservare che l’altezza di 1,00 m sullo zero idrometrico si è verificata a seguito di un periodo siccitoso di circa 53 giorni.

Lo strumento usato è un mulinello per misure di campo del tipo S.I.A.P: mod. 4001 fornito dal dipartimento di idraulica della facoltà di Ingegneria Civile (foto 5).

Il mulinello è uno strumento molto utilizzato per misure di velocità nel caso di correnti a pelo libero in alvei naturali, che è in grado di valutare le velocità medie puntuali; ricordiamo che si tratta di un dispositivo meccanico dotato di un organo rotante il cui regime di rotazione, segnalato da un contagiri, risulta proporzionale alla velocità dei filetti della corrente investitrice. Il modello in questione è del tipo ad “elica”, quindi poco invasivo, meno soggetto ad essere bloccato da corpi estranei, meno sensibile agli attriti meccanici, meno suscettibile a componenti di velocità verticali e particolarmente adatto a misurare campi estesi di velocità ( da 19 cm/sec a 16 m/sec), con errori inferiori al 5%. La curva caratteristica ricavata dalla taratura dello strumento in laboratorio è in forma analitica la seguente:

0,013 n 2501 , 0 V₁ = ⋅ + per 0,680 < n < 9,149 0,056 n 2454 , 0 V₁ = ⋅ + per 9,149 < n < 16,054

Il posizionamento dello strumento è stato effettuato con asta rigida fissata al fondo, sulla quale viene fatto scorrere il mulinello.

Foto 5. Mulinello ad “elica” tipo S.I.A.P.

Non è possibile prevedere la reale distribuzione delle velocità lungo le verticali della sezione d’alveo. Numerose prove sperimentali eseguite soprattutto dall’ente Statunitense “U. S. Geological Survey” (U.S.G.S.), mostrano che la velocità media si verifica ad una profondità di circa 0,6 volte l’altezza d’acqua. Peraltro una stima della velocità media può essere fatta mediando i valori assunti alle profondità di 0,2 e 0,8 volte l’altezza d’acqua, ottenendo così una stima sufficientemente accurata; nelle zone dove il livello si presentava modesto è stata eseguita un’unica misura alla profondità intermedia di 0,6 volte l’altezza e dove non era utilizzabile lo strumento si è ricorso alla misura con galleggiante.

Le operazioni preliminari consistevano nei punti seguenti :

• Ripristino del piano orizzontale di riferimento sulla sezione ausiliaria, delimitata da due paline estreme

• Accertamento dell’altezza idrometrica della stazione di misura, a vista su idrometro;

• Misura dell’altezza d’acqua in corrispondenza della sezione ausiliaria, sulla palina di riferimento;

• Tracciamento del pelo libero della sezione ausiliaria ed individuazione delle

altezze su cui condurre le misure su ciascuna verticale mediante impostazione automatica su foglio di calcolo;

Le operazioni di misura consistevano in due fasi:

• Posizionamento verticale dell’asta e in direzione parallela ai filetti fluidi del mulinello in corrispondenza di ciascun picchetto;

• Esecuzione della misura e registrazione dei dati;

Il risultato della misura era il numero di giri effettuati dall’elica in un prefissato intervallo di tempo, assunto da noi pari a 30 sec. La scelta del tempo di misura è essenziale per la validità delle misure e ad essa spetta il compito di limitare le incertezze dovute alla pulsazione di velocità tipica dei deflussi in alveo naturale. Sulla base di prove di misura reiterate, eseguite sul campo assumendo diversi intervalli di tempo ( 10, 20, 30 sec ) si è trovato nell’intervallo di 30 sec un buon compromesso tra bontà della misura, in termini di varianza, e la sua durata, ovvero il tempo impiegato per eseguirla. Sono state condotte due serie di misure per ciascun punto, verificando sul momento eventuali anomalie e ripetendo le misure incerte (foto 6 e 7); a ciascun punto è stato poi assegnato il valore medio delle due misurazioni, anche se non di rado il numero di giri registrato dal contatore nei due casi era il medesimo.

Come già anticipato, nelle zone di deflusso di estremità, i tiranti idrici non consentivano l’immersione e quindi l’uso del mulinello; non potendo trascurare le aliquote contribuenti al deflusso di tali aree, come rilevato successivamente alle stesse misure, si è dovuto ricorrere all’impiego di un galleggiante semplice con una minor precisione nella stima della velocità media. Ricordiamo che il galleggiante è un dispositivo grossolano, basato sulla semplice constatazione che la velocità di un oggetto, di peso specifico inferiore a quello dell’acqua e calato entro una corrente, è in pratica pari alla velocità con la quale si muovono le particelle d’acqua circostanti. La velocità ricavata corrisponde a quella superficiale, quindi noto che la velocità media è compresa tra 0,82 e 0,92 volte quella di superficie, in modo approssimato è possibile determinarne il valore. Le misure sono state condotte nei picchetti vicino alle estremità, misurando mediante cronometro il tempo impiegato dal galleggiante nel percorrere un tratto di due metri. Al termine e durante tutte le operazioni veniva

controllato il livello idrometrico in corrispondenza della sezione ausiliaria e della sezione principale, per verificare che il deflusso fosse inalterato durante le misure.

Foto 7. Operazioni di misura del giorno 02/05/05.

Calcolo della Portata

Il calcolo delle portate defluenti corrispondenti alle altezze idrometriche delle sei campagne di misura, è stato condotto quindi con metodo indiretto, attraverso le velocità medie della corrente fluida.

I metodi impiegati sono due:

1. Metodo della sezione principale; 2. Metodo della sezione media;

i risultati non variano significativamente utilizzando l’uno o l’altro.In entrambi casi si suddivide la sezione in strisce verticali delimitate da verticali o comprendenti una verticale lungo cui è nota la velocità media determinata nella operazioni precedenti; a ciascuna area così individuata viene attribuita la media o la stessa velocità . Definite: Vi = velocità media sulla verticale i-esima

Di = profondità dell’acqua sulla verticale i-esima Bi = distanza dal punto iniziale della verticale i-esima Qi = portata della della striscia i-esima

) B (B 2 D D 2 V V Q i i 1 i i 1 _{i i 1} i + + ⋅ + + + ⋅ +

= per il metodo della sezione principale (fig.2);

4 B B ) D 2 D D ( A i i 1 i i 1 -i s − − ⋅ + +

= per il metodo della sezione di mezzo (fig.3);

4 B B ) D 2 D D ( A i 1 i i 1 i i d − ⋅ + + = + + d s itot A A A = + itot i i V A Q = ⋅

La portata complessiva è ottenuta come somma delle portate così calcolate e discretizzate. In appendice sono riportati: un esempio del foglio di calcolo utilizzato per la valutazione in automatico delle altezze su cui eseguire le misure, il dispositivo utilizzato ed il calcolo delle portate; una tabella riassuntiva dei risultati della campagna di misure.