Obiettivi Formativi

Il corso ha come obiettivo l’acquisizione da parte dello studente di un’adeguata conoscenza e comprensione dei fondamenti della disciplina a supporto di numerose applicazioni ingegneristiche, nonché lo sviluppo della capacità di implementare in maniera autonoma le nozioni acquisite per impostare, analizzare e risolvere problemi anche complessi mediante, ad esempio, l’utilizzo di procedure di elaborazione statistica delle informazioni idro-meteorologiche (ad es. precipitazioni, deflussi e portate) e di modelli idrologici di trasformazione degli afflussi in deflussi alla base della progettazione e verifica delle opere idrauliche. Lo studente conseguirà un’ampia e solida conoscenza delle tecniche di raccolta ed interpretazione statistica dei dati idro-meteorologici, nonché degli strumenti di modellistica idrologica di base per l’analisi degli eventi idrologici (piogge intense e portate di piena massime annuali). Più specificamente saranno in grado di utilizzare metodi probabilistici e strumenti modellistici orientati alla stima di grandezze di progetto di opere idrauliche quali tombinature, reti di drenaggio, argini fluviali, etc. Lo studente dovrà essere in grado di utilizzare le conoscenze teorico-pratiche acquisite per risolvere problematiche connesse alla gestione e mitigazione del rischio idraulico. Ciò verrà concretizzato mediante lo svolgimento di esercitazioni atte a stimolare la sensibilità progettuale, nonché la flessibilità dello studente nella risoluzione di problemi di simulazione della risposta idrologica dei bacini idrografici, anche con l’ausilio dei più attuali software di analisi e modellazione, quali Matlab. Un confronto continuo con il docente attraverso revisioni collegiali delle esercitazioni, consentirà allo studente di acquisire la padronanza delle soluzioni tecniche proposte e di comprenderne la relativa fattibilità. Lo studente dovrà essere in grado di valutare autonomamente, e secondo un approccio integrato, l'efficacia di ipotesi alternative anche diverse da quelle presentate durante il corso, e di identificare le migliori soluzioni in termini sia di modelli probabilistici, sia di modelli di simulazione idrologica.  Le abilità comunicative dello studente, con particolare riguardo all’utilizzo di un linguaggio tecnico-scientifico adeguato ai temi del corso, saranno stimolate nella fase di redazione delle esercitazioni. In particolare, tutte le attività di progetto saranno accompagnate da relazioni atte a comunicare e giustificare le scelte operate. La discussione in forma scritta degli elaborati sarà, pertanto, lo strumento attraverso cui gli allievi saranno stimolati al confronto e, soprattutto, allo sviluppo delle capacità comunicative. Il raggiungimento di adeguate capacità di apprendimento da parte dello studente, tali da poter operare in modo efficace nell'ambito delle problematiche specifiche dell’idrologia tecnica, sarà perseguito, oltre che mediante la redazione degli elaborati progettuali, anche attraverso un aggiornamento continuo delle conoscenze acquisite durante il corso tramite la consultazione di materiale bibliografico e di banche dati, suggeriti dal docente, disponibili presso la biblioteca del Dipartimento di Ingegneria o reperibili in rete.

Learning Goals

The aim of the course is the student’s acquisition of adequate knowledge and understanding of the bases of the discipline, fundamental for engineering applications, as well as the development of the ability to independently implement the acquired notions to set up, analyze and solve even complex problems, for instance, by performing statistical processing procedures of hydro-meteorological data (e.g. rainfall, outflows, and flows) and hydrological rainfall-runoff models at the basis of the design and verification of hydraulic works. The student will gain a broad and solid knowledge of the techniques for hydro-meteorological data collection and statistical interpretation, as well as of the basic hydrological modeling tools for the analysis of hydrological extreme events (heavy rains and annual maxima flows). More specifically, they will be able to use probabilistic methods and modeling tools to estimate design values of hydraulic works such as drainage systems, drainage networks, river banks, etc. The student must be able to use the theoretical and practical knowledge acquired to solve problems related to hydraulic risk management and reduction. This will be accomplished by carrying out exercises designed to stimulate the design sensitivity, as well as the flexibility of the student in solving simulation problems of the hydrological response of the river basins, also with the help of the most advanced analysis and modeling software, such as Matlab. An ongoing dialogue with the teacher through collective reviews of the exercises will allow the student to acquire mastery of the proposed technical solutions and to understand their feasibility. The student must be able to independently evaluate, according to an integrated approach, the effectiveness of alternative hypotheses, even different from those presented during the course, and to identify the best solutions in terms of both probabilistic models and hydrological simulation models. The student's communication skills, with particular regard to the use of a technical-scientific language appropriate to the course topics, will be stimulated in the drafting phase of the exercises. In particular, all project activities will be accompanied by reports designed to communicate and justify the choices made by the student. The drafting of the reports will be therefore the main tool to stimulate student’s communication skills. The achievement of adequate learning skills by the student, such as to be able to operate effectively within the specific hydrological problems, will be pursued, in addition to the drafting of the project reports, also through a continuous updating of the knowledge acquired during the course by consulting bibliographic materials and databases, suggested by the teacher, available on-line or in the library of the Department of Engineering.

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula. Esercitazioni guidate svolte dal docente in aula. Seminari. Le lezioni vengono svolte proiettando slide ed integrando con spiegazioni alla lavagna. Le slide del corso vengono regolarmente fornite agli studenti che seguono il corso e a coloro che non potendo seguire ne fanno richiesta al docente. La preparazione è altresì completata attraverso esercitazioni in larga parte svolte durante le ore di esercitazione. Per lo svolgimento di tali esercitazioni è previsto l’utilizzo di software quali Matlab e GIS open-source (ad es. Saga GIS e Q-GIS).

Teaching Methods

Lectures in the classroom. Guided exercises with teacher support. Seminars. Lectures are carried out by projecting slides and integrating with explanations on the blackboard. Slides of the courses are distributed among the students attending the courses as well as to the ones who, for some reason, cannot attend and request the course material to the lecturer. The preparation is also completed through classworks, carried out by using tools such as Matlab and GIS software (e.g. Saga GIS and Q-GIS).

Prerequisiti

È richiesta la conoscenza dei concetti di base della statistica matematica e della teoria della probabilità, nonché dei principi fondamentali dell’Idraulica.

Prerequisites

Knowledge of the basic concepts of mathematical statistics and probability theory is required, as well as the fundamental principles of hydraulics.

Verifiche dell'apprendimento

Il corso prevede un esame orale finale, valutato in trentesimi, che potrà essere sostenuto previa consegna, almeno una settimana prima della data dell'appello, degli elaborati relativi alle esercitazioni svolte prevalentemente in classe. L'esame orale consiste in un colloquio sugli argomenti trattati durante il corso e approfonditi mediante le esercitazioni. Tale colloquio sarà volto a valutare le conoscenze acquisite e la capacità dello studente di saper identificare le metodologie più idonee alla soluzione di specifici problemi in ambito idrologico in relazione alle specificità dei casi studio e alla disponibilità di dati. Gli elaborati non hanno una data di scadenza, ma è caldamente raccomandato agli studenti di sostenere l’esame entro un anno dalla consegna degli stessi. Gli studenti non frequentanti possono rivolgersi al docente nelle ore di ricevimento per ricevere tutto il supporto necessario a completare gli elaborati e per avere chiarimenti sugli argomenti trattati durante le lezioni.

Assessment

An oral examination is foreseen at the end of the course, evaluated with a score out of thirty. Students may undergo the oral examination once they have their reports on exercises due one week before the exam session. The oral examination is mainly an interview on the course content, also detailed through the exercises. The interview ascertains the student's acquired knowledge and skills in selecting the most suitable methodological tools to solve hydrologic problems in relation to the specific features of potential case studies, as well as data availability. Exercises have no deadline; however, students are strongly invited to take the exam no later than one year from their assignment. Students who cannot attend the course can ask the lecturer, during office hours, for the necessary support to complete the assignment and for any clarification on the course topics.

Programma del Corso

INTRODUZIONE AL CORSO: Obiettivi e campi di applicazione. Richiami sul ciclo idrologico. Effetti del cambiamento climatico sul ciclo idrologico. ANALISI STATISTICA DEI DATI: Autocorrelazione. Analisi di lunga memoria. Stazionarietà: componenti di una serie, destagionalizzazione, salti e trend. Analisi degli estremi tramite Peak Over Thresholds (POT): Generalized Pareto Distribution (GPD) e scelta dei valori soglia, relazione tra GPD e GEV, scelta tra l’approccio POT e Annual Maxima (AM). PIOGGE DI PROGETTO: Forme delle piogge di progetto: Ietogrammi sintetici triangolare e Chicago. Curve di Huff. Durata critica. STIMA DEL DEFLUSSO SUPERFICIALE: Richiami sul movimento dell'acqua nel mezzo insaturo e sui fattori che influenzano l'infiltrazione. Equazioni di Richards. Modelli semplificati: richiami sul modello di Horton e modello Green-Ampt. Infiltrazione effettiva. MODELLAZIONE DELLE PIENE: Modello GIUH. Modello SCS-UH. Modello di Clark. Il software HEC-HMS per la modellazione delle piene. ANALISI DI EVENTI DI MAGRA E SICCITÀ: Identificazione degli eventi di magra e di siccità. Caratterizzazione probabilistica delle caratteristiche degli eventi di magra e di siccità. Tempi di ritorno di siccità pluriennali. Indici e indicatori per il monitoraggio dell’evoluzione spazio-temporale delle siccità.

Course Syllabus

INTRODUCTION: Objectives and field of applications. Recall of the water cycle. Climate change effects on the water cycle. STATISTICAL DATA ANALYSIS: Autocorrelation. Long memory analysis. Stationarity: time series components, seasonality, abrupt and gradual changes. Extreme events analysis through the method of Peak Over Thresholds (POT): Generalized Pareto Distribution (GPD) and threshold selection, relations between GPD and GEV, comparison between POT and Annual Maxima (AM) approaches. DESIGN STORMS: synthetic triangular and Chicago hyetographs, Huff curves, critical storm duration. ASSESSMENT OF DIRECT RUNOFF: water infiltration in the unsaturated zone and main control factors. Richards’s equation. Simplified models: the Horton model (recall) and the Green-Ampt model. Effective infiltration. FLOOD MODELING: GIUH model. SCS-UH model. Clark model. The software HEC-HMS for flood analysis. LOW FLOWS AND DROUGHT ANALYSIS: Event identification. Probabilistic characterization of low flow and drought events’ characteristics. Return period of multiyear droughts. Drought monitoring indices and indicators.