Moderne tecniche per una misura speditiva della portata in corsi d'acqua naturali

This PhD thesis illustrates two methods for estimatin discharge in natural channels, based on a reduced number of velocity measurements, in order to limit as much as possible the preliminary sampling phase. First, the theoretical development and practical application of three new methods for estimating the entropy parameter M used within the framework of the entropy method proposed by Chiu in the 1980s as a valid alternative to the velocity-area method for measuring the discharge in a river is here illustrated. The first method is based on reproducing the cumulative velocity distribution function associated with a flood event and requires measurements regarding the entire cross-section, whereas, in the second and third method, the estimate of M is based on reproducing the cross-sectional mean velocity U by following two different procedures. Both of them rely on the entropy parameter M alone and look for that value of M that brings two different estimates of U , obtained by using two different M-dependent-approaches, as close as possible. From an operational viewpoint, the acquisition of velocity data becomes increasingly simplified going from the first to the third approach, which uses only one surface velocity measurement. The procedures proposed are applied in a case study based on the Ponte Nuovo hydrometric station on the Tiber River in central Italy. Secondly, this thesis presents a procedure for estimating discharge in a river cross-section based on the combined use of dimensionless isovel contours and one or more point velocity measurements. More specifically, taking the Biot Savart law on the magnetic field induced by an electric current in a wire as their basis, like Maghrebi (2003, 2006), a different formulation of the relationship characterizing the “effect” of the wetted perimeter on the range of velocities in a cross-section is proposed, in order to take explicit account of roughness, expressed by means of Manning’s coefficient. Once appropriately nondimensionalized, the “isoeffect” contours can be read as dimensionless isovel contours. At this point, assuming that a number of velocity measurements are available, it is possible to estimate discharge; two different methods are proposed for this purpose. The proposed procedure is applied to seven real-life cases characterized by river cross-sections which differed greatly from one another. The results show that the two methods proposed for estimating discharge lead to equivalent outcomes and that in all cases the procedure as a whole enables a very accurate estimation of discharge, even when it is based on a limited number of velocity measurements or even on the measurement of maximum surface velocity alone. Finally, this thesis presents a new method for reconstructing the bathymetric profile of a cross section based on the application of the principle of maximum entropy and proposes a procedure for its parameterization. The method can be used to characterize the bathymetry of a cross-section based on a reduced amount of data exclusively of a geometric type, namely, the elevation of the lowest point of the channel crosssection, the observed, georeferenced flow widths and the corresponding water levels measured during the events. The procedure is parameterized and it is applied on two actual river cross-sections characterized by different shapes and sizes. In both cases the procedure enables us to describe the real bathymetry of the cross-sections with reasonable precision and to obtain an accurate estimate of the flow areas. With reference to the same two cases, we show, finally, that combining the bathymetry reconstruction method proposed here and the entropy-based approach for estimating the cross-sectional mean velocity previously described, enables a good estimate of discharge.

La presente tesi di dottorato illustra due metodi di stima della portata nei corsi d'acqua naturali, basati su un numero ridotto di misure di velocità, allo scopo di limitare il più possibile la fase preliminare di campionamento di velocità. Innanzitutto, viene illustrato lo sviluppo teorico e l’applicazione pratica di tre nuovi metodi per stimare il parametro entropico M utilizzato nell'ambito del metodo entropico proposto da Chiu nel 1980 come valida alternativa alla tecnica velocità-area per misurare la portata in un canale. Il primo metodo è basato sulla riproduzione della funzione di distribuzione di probabilità cumulata della velocità associata ad un evento di piena e richiede misurazioni estese all'intera sezione fluviale, mentre, nel secondo e terzo metodo, la stima di M si basa sul calcolo della velocità media di sezione U trasversale seguendo due diverse procedure. Entrambe si basano esclusivamente sul parametro entropico M e determinano in particolare quel valore di M che rende due differenti stime di U , ottenute utilizzando due differenti approcci M-dipendenti, il più vicino possibile. Dal punto di vista operativo, l'acquisizione dei dati di velocità diventa sempre più semplificata dal primo al terzo approccio, che utilizza la sola misura di velocità superficiale. Le procedure proposte vengono applicate al caso studio della stazione idrometrica Ponte Nuovo sul fiume Tevere nel centro Italia. Successivamente, si presenta una procedura per la stima della portata in una sezione di un corso d’acqua basata sull’utilizzo combinato di isotachie adimensionali e di una o più misure puntuali di velocità. In particolare, partendo, al pari di Maghrebi (2003, 2006), dalla legge di Biot Savart sul magnetismo indotto da una corrente elettrica in un filo conduttore, si propone una diversa formulazione della relazione che caratterizza l’”effetto” del perimetro bagnato sul campo di velocità interno alla sezione, capace di tenere esplicitamente conto della scabrezza, espressa mediante il coefficiente di Manning. Le curve di “ugual effetto” opportunamente adimensionalizzate possono essere quindi lette come isotachie adimensionali. A questo punto, dopo aver ricostruito il pattern delle isotachie adimensionali, nel caso in cui si disponga di più misure di velocità, è possibile stimare la portata, operazione per la quale si propongono due diverse metodologie. La procedura proposta è stata applicata a sette casi studio caratterizzati da dimensioni delle sezioni idrauliche molto diverse tra loro. I risultati hanno evidenziato che le due metodologie proposte per la stima della portata portano a risultati equivalenti tra loro e che in tutti i casi studio la procedura nel suo complesso consente una stima della portata molto accurata, anche quando ci si appoggia a un ridotto numero di misure di velocità o addirittura alla sola misura di massima velocità superficiale. Infine, questa tesi presenta un nuovo metodo per la ricostruzione del profilo batimetrico di una sezione trasversale basato sull'applicazione del principio di massima entropia e propone un procedimento per la sua parametrizzazione. Il metodo può essere utilizzato per caratterizzare la batimetria di una sezione trasversale sulla base di una quantità ridotta di dati esclusivamente di tipo geometrico, cioè, la quota del punto più basso della sezione trasversale del canale, le larghezze bagnate georeferenziate osservate e i corrispondenti livelli d'acqua misurati durante gli eventi. La procedura è parametrizzata ed è applicata su due sezioni fluviali caratterizzate da forma e dimensioni diverse. In entrambi i casi il procedimento permette di descrivere la vera batimetria delle sezioni trasversali con ragionevole precisione e ottenere una stima accurata dell’area bagnata. Con riferimento agli stessi due casi, si mostra infine come l’accoppiamento del metodo di ricostruzione batimetria qui proposto e l'approccio entropico di stima della velocità media di sezione precedentemente descritto consenta una buona stima della portata.