Hidrologie

Ciclul apei , în centrul hidrologiei

Hidrologia este știința care studiază distribuția, mișcarea, biologia și chimia maselor de apă ale planetei . Compus din mai multe domenii de studiu științific, cum ar fi hidrografia , hidrogeologia , hidrogeochimia și hidrobiologia. Deși cunoașterea ciclurilor hidrologice este importantă pentru viața și activitățile umane, hidrologia este o știință relativ tânără și până în prezent nu există o teorie completă, la fel cum există, de exemplu, o teorie pentru electromagnetism .

O caracteristică importantă a multor fluxuri de cicluri hidrologice este variabilitatea lor spațială și temporală, ceea ce le face și mai dificil de modelat matematic . În acest context, două tehnici legate de conceptele de probabilitate au o mare aplicare: ramura statisticii numită geostatistică și teoria variabilelor aleatorii . Omul de știință Robert Elmer Horton este considerat tatăl hidrologiei moderne.

Descriere

Ciclul hidrologic

Același subiect în detaliu: Ciclul apei .

Mișcarea apei în jurul, peste și prin Pământ se numește ciclul apei.

Hidrologia studiază debitele de apă care alcătuiesc așa-numitul ciclu hidrologic . Fluxurile din atmosferă către suprafața pământului se numesc precipitații; apa de ploaie se infiltrează în sol sau curge la suprafață în râuri, râuri , pâraie sau lacuri , sau subteran, formând așa-numitele „ieșiri laterale”. În cele din urmă, există evaporarea din sol, de pe suprafețele apei, în primul rând din oceane , dar și lacuri și alte bazine, și transpirația de la plante și animale , inclusiv de la oameni; aceste fluxuri sunt denumite evapotranspirare .

Contribuția ființelor vii la ciclul hidrologic este semnificativă, de fapt, aproximativ jumătate din cantitatea de precipitații din pădurile tropicale se datorează evapotranspirației pădurilor în sine.

Debiturile de apă pot fi modificate de activitățile umane, cum ar fi operațiunile agricole sau de urbanizare care necesită defrișarea unor zone întinse în special în țările în curs de dezvoltare ( Africa Centrală , America de Sud , Indonezia ), construcția de baraje și poluarea aerului.

Transport hidrologic

Același subiect în detaliu: Modelul de transport hidrologic .

Mișcarea apei este un mijloc important prin care unele materiale, precum solul sau poluanții , sunt transportate dintr-un loc în altul. Punctele de plecare prin care aceste materiale intră în ciclul apei pot fi diferite, cum ar fi un dren localizat sau pe scară largă de apă de origine umană, precum și apa care curge pe sol în urma unei ploi sau a unui eveniment cel mai traumatic ( inundații , potop etc.). Modele matematice destul de complexe sunt disponibile încă din anii 1960 , care, datorită computerelor din ce în ce mai puternice, facilitează analiza fenomenului. Clasele de poluanți cel mai frecvent analizate sunt cele de nutrienți, pesticide , substanțe organice și anorganice dizolvate în mod obișnuit în apă și sedimente .

Măsurare

O magazie pentru măsurători hidrometrice pe Stura di Lanzo .

Mișcarea apei pe Pământ poate fi măsurată în multe moduri pentru evaluarea resurselor de apă și pentru înțelegerea ciclului hidrologic. Mai jos este o listă a dispozitivelor utilizate pentru măsurători :

disdrometru pentru a determina dimensiunea, viteza și distribuția precipitațiilor;
hidrometru sau debitmetru pentru a determina respectiv cota de apă și debitul cursurilor de apă;
evaporimetru pentru a măsura caracteristicile fizice ale evaporării ;
infiltrometrul vă permite să determinați rata de infiltrare a apei în sol;
piezometru pentru măsurarea presiunii și adâncimii pânzei freatice ;
radar pentru a evalua caracteristicile norilor ;
pluviometru pentru măsurarea cantității de ploaie sau zăpadă care cade pe unitatea de suprafață a proiecției solului pe un plan orizontal;
higrometru pentru măsurarea umidității relative a aerului;
reflectometria în domeniul timpului și tensiometrul permit detectarea cantității de apă prezentă în sol;
sateliți

Prognozele

Monitorizarea și colectarea datelor referitoare la fenomenele hidrologice sunt operațiuni foarte importante pentru a crea o bază de date cât mai bogată posibil de date referitoare la extracția apei din fântâni sau la o anumită secțiune fluvială sau bazin hidrologic sau teritoriu mai larg. Acest lucru este pentru a putea fi accesat pentru formularea de prognoze care să corespundă cât mai mult realității cu privire la viitoarele mișcări și disponibilitatea resurselor de apă și pe baza cărora să poată realiza proiectarea dimensională a lucrări necesare în funcție de nevoile teritoriului în care vor fi realizate.

Analele hidrologice

Fundamentale, așa cum s-a spus, în scopul unei monitorizări corecte a fenomenelor hidrologice care afectează un anumit teritoriu, sunt studiile datelor hidrologice precum cele privind ploile și debitele și, în general, asupra tendinței în timp a variabilelor hidrologice care afectează un anumit bazin sau secțiune fluvială. Un rol primar și de neînlocuit, în acest sens, îl joacă colecțiile de date conținute în Analele hidrologice , emise de ministerele responsabile cu reglementarea apei .

În vremurile istorice, acestea erau compilate manual și aveau doar date punctuale colectate la anumite ore ale zilei și ale nopții de către personal special instruit. Din acest motiv, acestea erau disponibile doar pentru râuri sau bazine fluviale și lacuare de o importanță mai mare și, în general, este dificil să se găsească date înainte de anii 1930.

De fapt, Analele s-au născut în 1918 sub denumirea de „Buletine hidrologice”, editate de fostele birouri hidrografice și vor fi numite cu acel nume până în 1925, când și-au asumat definitiv numele actual.

După cel de- al doilea război mondial și în special în urma inundațiilor din Polesine ( 1951 ) și Florența ( 1966 ), sistemele de înregistrare automată, atât pluviometrice , cât și strict hidrologice, au început să se răspândească, permițând analiza datelor înregistrate continuu 24 de ore pe zi.

Informatizarea din ce în ce mai avansată din ultimul deceniu a facilitat această detectare și mai mult, dar supravegherea personalului înalt specializat rămâne esențială pentru utilizarea corectă și transpunerea informațiilor colectate.

Statistici

Analizând cu metodologii statistice adecvate înregistrările, de la cele istorice la cele mai recente, referitoare la ploi, disponibilitatea apei în râuri sau lacuri, este posibil să se facă estimări asupra tendinței fenomenelor hidrologice. Aceste estimări vor fi cu cât mai aproape de realitate este cu atât mai mare este numărul de date disponibile pentru situația studiată. Atunci când nu sunt disponibile date referitoare la un bazin hidrografic specific, dar datele referitoare la bazine cu caracteristici similare (climatice, geomorfologice etc.), vor fi luate datele referitoare la bazinul „similar”, care să prevadă orice „ajustări”. pentru a le adapta la teritoriul pe care se face efectiv prognoza. Cu toate acestea, se presupune că caracteristicile procesului nu suferă modificări semnificative. Prin urmare, perspectiva unor posibile scenarii ale schimbărilor climatice poate pune probleme pentru acest tip de calcul.

Aceste estimări sunt importante pentru ingineri , geologi și economiști pentru o analiză corectă a riscului hidraulic . Alegerile legate de riscul hidraulic pot viza investiții în infrastructuri, pot determina caracteristicile de proiectare a sistemelor de distribuție și eliminare a apei și pot determina constrângeri asupra activităților de urbanizare, în special în contextul planurilor regionale și generale de reglementare (PRG). respectă reglementările regionale.

Informațiile statistice sunt, de asemenea, utilizate pentru proiectarea barajelor, pentru a satisface nevoile specifice, în special pentru agricultură , apă potabilă, apă de proces industrială, turism și energie.

Modelare

Modelele hidrologice sunt reprezentări conceptuale și simplificate ale unei părți a ciclului hidrologic. Acestea sunt utilizate în principal pentru prognoză și pentru a înțelege procesele hidrologice. Acestea pot fi împărțite în două tipuri:

modele bazate pe date. Acestea sunt sisteme modelate ca o cutie neagră , care utilizează concepte matematice și statistice pentru a stabili relații între anumite intrări (de exemplu ploaie ) și ieșiri (de exemplu , apele de suprafață ). Tehnicile utilizate în mod obișnuit includ regresia , funcțiile de transfer și rețelele neuronale . Aceste modele sunt cunoscute sub numele de modele hidrologice stocastice;
modele bazate pe descrieri de proces. În acest caz, se încearcă reprezentarea matematică a modelului fizic observat în lumea reală. Scurgerea suprafeței , fluxul subteran , evapotranspirația și fluxul canalului sunt de obicei reprezentate, dar modelul poate deveni mult mai complicat decât atât. Vorbim despre modele hidrologice deterministe, care pot fi împărțite în modele „eveniment” și modele „simulare continuă”.

Bibliografie

( EN ) E. Wilson Diversitatea vieții Pinguin, 1994 (ediția italiană: E. Wilson Biodiversity , Bompiani, 1999)
( EN ) Enciclopedia științelor hidrologice , ISBN 0-471-49103-9
( EN ) SL Dingman Physical hydrology Prentice-Hall, 1994
( EN ) JH Wallace, PV Hobbs Atmospheric science, un sondaj introductiv , Academic Press, San Diego , 1977
( EN ) P. Eagleson Dynamic hydrology , McGraw-Hill, 1970
M. Greppi Hydrology , HOEPLI, 2005