Obiettivi Formativi

Il corso ha come obiettivo l’acquisizione da parte degli studenti di un’adeguata conoscenza e comprensione dei principi teorici della disciplina, fondamentali per le scienze ingegneristiche e per le loro realtà applicative, nonché lo sviluppo della capacità di applicare in maniera autonoma le nozioni teoriche per impostare, analizzare e risolvere problemi teorici 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. Gli studenti devono conseguire la capacità di raccogliere e interpretare i dati utili, eventualmente anche attraverso operazioni di rilievo strumentale, di usare in maniera appropriata i linguaggi tecnici e scientifici specifici della disciplina e di acquisire adeguati metodi di studio, di descrizione e di indagine scientifica.

Learning Goals

The main objectives of the course are the understanding and implementation of statistical tools and techniques for analyzing hydro-meteorological data, as well as of traditional rainfall-runoff models commonly applied for design and risk assessment problems in the field of water 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 them 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

Basic knowledge of statistics and probability theory, as well as of hydraulics, are required.

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 that 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 students' 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 to 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. Cenni sullo sviluppo dell’idrologia. Metodologie di analisi. IL CICLO IDROLOGICO: Precipitazioni. Evaporazione ed evapotraspirazione. Deflussi superficiali. Circolazione dell’acqua nel sottosuolo. Bilancio idrologico. Effetti antropici sul ciclo idrologico. Distribuzione delle risorse idriche sulla terra. INFORMAZIONI IDROLOGICHE: Strumenti e metodi di misura delle grandezze idrometeorologiche. Fonti delle informazioni. Attività e pubblicazioni dei Servizi meteorologici e idrografici. Reti idrometeorologiche in telemisura. Radar e satelliti meteorologici. ANALISI STATISTICA DI SERIE IDROLOGICHE: Popolazione e campione. Statistica descrittiva. Cenni di teoria della probabilità. Definizioni di probabilità, probabilità totale, condizionata. Le variabili idrologiche come variabili casuali. Distribuzioni di probabilità di variabili casuali discrete (binomiale, di Poisson). Distribuzioni di probabilità di variabili casuali continue (normale, log-normale, Gumbel, etc.). Stima dei parametri. Cartogrammi probabilistici. Q-Q plot. Plotting position. Test della bontà di adattamento di distribuzioni di probabilità (Chi-quadro, Kolmogorov). Tempo di ritorno e rischio idrologico. Analisi di regressione e correlazione. Significatività del coefficiente di correlazione. PRECIPITAZIONI E AFFLUSSI RAGGUAGLIATI: Tipi di precipitazioni. Meccanismi di formazione delle precipitazioni. Regimi pluviometrici. Valutazione degli afflussi ragguagliati (topoieti, isoiete, altri metodo di interpolazione). Piogge intense. Serie delle eccedenze e dei massimi annuali. Relazioni altezze di pioggia – durata - tempi di ritorno. Analisi regionali delle piogge intense. CARATTERISTICHE DEI BACINI: Bacino idrografico. Caratteristiche geomorfologiche (curva ipsografica, pendenza media, densità di drenaggio, ecc.). Ordinamento gerarchico del reticolo idrografico. Leggi di Horton e Strahler. Caratterizzazione morfologica dei bacini tramite GIS. DEFLUSSI SUPERFICIALI: Meccanismi di formazione del deflusso superficiale. Regimi fluviali. Misure idrometrografiche. Scala delle portate. Curva di durata di un corso d’acqua. Stima indiretta dei deflussi in funzione degli afflussi. PIENE NEI CORSI D’ACQUA: Formazione delle piene. Idrogramma di piena. Valutazione delle portate al colmo (metodi diretti e indiretti, formule regionali, curve inviluppo, ecc.). Modelli di trasformazione afflussi-deflussi: modelli completi e modelli di piena. Metodo della corrivazione. Stima del tempo di corrivazione e della pioggia netta. Metodo del volume d’invaso. Metodo del Curve Number (Soil Conservation Service). Idrogramma unitario, IUH. Modelli concettuali. Modello di Nash. Analisi regionale delle piene.

Course Syllabus

INTRODUCTION: Objectives and field of applications. Historical evolution of hydrology. Hydrologic analyses and methods. HYDROLOGIC CYCLE: Precipitation, evaporation and evapotranspiration, streamflow, groundwater flow. Water balance. Anthropogenic effects on the hydrologic cycle. Water resources global distribution. HYDROLOGIC INFORMATION: Sensors and methods of measurement. Data sources and agencies in charge of hydro-meteorologic monitoring. Traditional and telemetering gauging networks. Meteorological radars and satellites. STATISTICAL ANALYSIS OF HYDROLOGIC DATA: Statistical population and sample. Descriptive statistics. Elements of probability theory. Definitions of probability, total probability, conditional probability. Discrete probability distributions (Bernoulli, geometric, binomial, exponential, Poisson). Continuous probability distributions (normal, log-normal, gamma, Gumbel, GEV, etc.). Parameter estimation. The goodness of fit. Q-Q plot. Plotting position. Statistical tests (Chi-square, Kolmogorov-Lilliefors). Return period and risk concepts. PRECIPITATION ANALYSIS: Rainfall generation and pluviometric regimes, assessment of areal precipitation, storms (Thiessen polygons, Isohyetal method, IDW), depth-duration-frequency relationships, regional analysis of extreme rainfall events. WATERSHED: Watershed delineation and corresponding morphometric characteristics (hypsometry, slope, drainage density, hydrographic network, etc.). Horton-Strahler stream order. GIS application. RUNOFF: Runoff generation and river flow regimes. Flow velocity and stage level measures. Stage - discharge relationship, flow duration curve. Rainfall-runoff transformation. FLOOD ANALYSIS: Flood generation. Flood hydrograph. Flood peak assessment, rainfall-runoff models, assessment of concentration time and effective rainfall (Runoff coefficient and Curve Number methods). Conceptual models. The Unit Hydrograph (IUH) theory. Time-area model. Linear reservoir models. Nash models. Flood frequency regional analysis.