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Idraulica ambientale/Idrologia operativa

01RKMNF

A.A. 2019/20

2019/20

Idraulica ambientale/Idrologia operativa (Idraulica ambientale)

Presentazione Il corso completa la preparazione di base degli Ingegneri Ambientali con concetti e metodologie di fondamento per l'ingegneria delle acque. Il modulo di Idraulica Ambientale consente agli allievi di comprendere e modellare alcuni dei principali processi che contraddistinguono il moto dei fluidi nell'ambiente naturale e costruito. Particolare riguardo è posto all'ambiente fluviale e all’ambiente antropizzato

Idraulica ambientale/Idrologia operativa (Idrologia operativa)

Il corso completa la preparazione di base degli Ingegneri Ambientali con concetti e metodologie di fondamento per l'ingegneria delle acque. Il modulo di Idrologia Operativa fornisce i presupposti per la comprensione e la valutazione quantitativa dei fenomeni idrologici a diverse scale spaziali e temporali.

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The course is part of the fundamental training for Environmental Engineers with basic concepts and methodologies of water engineering. The Environmental Hydraulics module provides a general understanding of main processes related to fluids behaviour in natural and man-made environment. The module is particularly focused on fluvial and urban environments.

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The course is part of the fundamental training for Environmental Engineers with basic concepts and methodologies of water engineering. The Operative Hydrology module provides a general understanding and quantitative assessment of hydrological processes at different spatial and temporal scales.

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Risultati attesi Il secondo modulo (dedicato all'Idraulica Ambientale) è volto a fornire conoscenze riguardo i flussi turbolenti, e i processi di trasporto nei fluidi, la morfodinamica fluviale, l’ecoidraulica e l’ecoidrologia, con particolare attenzione all'ambiente fluviale e all’ambiente urbano. Per entrambi i moduli, sono previste esercitazioni su dati di campo in modo tale da mostrare casi reali agli allievi e fare acquisire loro le abilità necessarie per trattarli.

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Il primo modulo (Idrologia Operativa) fornisce le conoscenze quantitative di base relative al ciclo dell'acqua, al fine di valutare le grandezze idrologiche di progetto con metodi deterministici e statistici. Vengono inoltre forniti agli allievi gli strumenti metodologici essenziali per valutare la disponibilità di risorsa idrica, con particolare riferimento alla produzione di energia rinnovabile da idroelettrico.

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The second module (Environmental Hydraulics) explores phenomena like turbulent fluxes, transport processes of fluids, river morphodynamics, ecohydraulics and ecohydrology with particular emphasis on river and urban contexts. Both of modules are supported by numerical exercises based on real data.

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The first module (Operative Hydrology) provides basic knowledge on the water cycle, in order to quantitatively estimate hydrological variables using deterministic and statistical methods. Students acquire common methodological tools to evaluate the availability of water resources, with particular attention to the production of renewable energy through hydropower.

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Conoscenza del calcolo differenziale ed integrale. Conoscenze di base di Probabilità e Statistica. Conoscenza della Meccanica e dell'Idraulica.

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Conoscenza del calcolo differenziale ed integrale. Conoscenze di base di Probabilità e Statistica. Conoscenza della Meccanica dei fluidi e dell'Idraulica.

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Knowledge of differential and integral calculus. Basic knowledge of Probability and Statistics. Knowledge of Fluid Mechanics and Hydraulics.

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Knowledge of differential and integral calculus. Basic knowledge of Probability and Statistics. Knowledge of Fluid Mechanics and Hydraulics.

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Modulo Idraulica Ambientale Introduzione: il moto dei fluidi negli ambienti naturali e antropizzati 1) Turbolenza. Aspetti introduttivi. Concetto di media temporale, media di insieme, autocorrelazione e spettro. Equazioni fondamentali (moto medio, energia cinetica del moto medio, energia cinetica turbolenta). Modello della cascata dei vortici e scale fondamentali della turbolenza. Turbolenza libera (getti, scie e strati di miscelamento) e turbolenza di parete. 2) Processi di trasporto nei fluidi. Aspetti introduttivi. Diffusione molecolare: legge di Fick, equazione di diffusione, funzione di Green, equazione di diffusione-convezione. Diffusione turbolenta: teoria di Taylor, cenni alla teoria di Batchelor. Dispersione per shear: caso laminare e caso turbolento, equazione di dispersione-convezione. 3) Processi di trasporto nei fiumi. Introduzione al problema. Valutazione dei coefficienti di diffusione turbolenta. Problemi di dispersione longitudinale. Trasporto di inquinanti, di nutrienti, di semi e di sedimenti. Trasporto iporreico, modellazione idrodinamica e zonazione chimica riparia. Morfodinamica fluviale. Trasporto solido al fondo ed in sospensione. Principali forme fluviali: ripples, dune, barre e meandri. Fiumi meandriformi e braided. Equazioni della morfodinamica. Ipotesi di acque basse, modelli 2D e modelli 1D. Eco-idraulica: interazione tra processi ecologici e fenomeni idraulici. Laghi: cenni sui moti dei fluidi stratificati. 4) L’ambiente costruito ed antropizzato: concetti generali, ecoidraulica ed ecoidrologia applicate al contesto urbano, servizi ecosistemici e loro valutazione. Effetti dei cambiamenti climatici e dell’urbanizzazione sul ciclo dell’acqua in ambito urbano. Sostenibilità urbana e vivibilità: Spazi verdi urbani, infrastrutture green e blue. 

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Modulo Idrologia Operativa Introduzione Il ciclo dell'acqua: fenomeni e grandezze principali. 1) Stima statistica delle variabili idrologiche di progetto (18 ore) Definizione delle condizioni di progetto: concetti di rischio e periodo di ritorno. Stima statistica di grandezze idrologiche di progetto: scelta della distribuzione, verifica preliminare, stima dei parametri, test di adattamento. Trasformazione della precipitazione puntuale misurata in precipitazione su un'area: curve Intensità-Durata-Frequenza delle precipitazioni (curve di probabilità pluviometrica). Criteri di mappatura delle grandezze idrologiche nello spazio. 2) Acqua e suolo (18 ore) Acqua nel suolo non saturo: definizione delle forze agenti; contenuto d'acqua a capacità di campo; curve di ritenzione idrica. Movimento dell'acqua nel suolo e infiltrazione; Modelli per la valutazione della capacità di infiltrazione: infiltrazione potenziale e reale; modello di Horton. Produzione del deflusso superficiale. Metodo SCS-Curve Number. Modelli per la formazione del deflusso superficiale a scala di bacino (pioggia netta). 3) Trasformazione afflussi-deflussi (12 ore) Morfologia dei bacini idrografici. Configurazioni planimetriche ed altimetriche dei bacini e relative grandezze caratteristiche, curva ipsografica, analisi morfologica quantitativa dei reticoli fluviali. Formazione delle piene con modelli lineari. Metodo dell'idrogramma unitario (IUH): significato e derivazione per il modello cinematico (curva area-tempi). Stima dei tempi caratteristici (corrivazione e ritardo). Discretizzazione dell'IUH e convoluzione numerica. 4) Valutazione della risorsa idrica (12 ore) Bilancio radiativo ed evapotraspirazione potenziale. Metodi semplificati di stima basati su radiazione e temperatura. Cenni sulla risorsa idrica per le coltivazioni; il bilancio idrico del suolo agrario; interazione tra disponibilità idrica del suolo e traspirazione. Risorsa idrica per la produzione idroelettrica: curve di durata delle portate; deflusso minimo vitale.

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Module: Environmental Hydraulics Introduction: water and fluids in natural and man-made environments 1) Turbulence: temporal mean and ensemble mean. Autocorrelation and energy spectrum. Fundamental concepts and equations (mean motion, kinetic energy, vortex cascade, scales). Free turbulence (jets, wakes, mixing layer) and boundary-layer turbulence. 2) Transport processes: molecular diffusion, Fick’s law, diffusion equation, Green’s function and its statistical meaning, diffusion-convection equation and its solutions. Turbulent diffusion: Taylor’s theory, fundamental equations, Batchelor’s theory, shear dispersion (Taylor’s theory, turbulent and laminar cases). Convection-dispersion equation. 3) Transport processes in rivers: turbulent diffusion coefficients, lateral diffusion and longitudinal dispersion. Natural transport processes: pollutants, nutrients, seeds and sediments. Hyporheic transport phenomena: hydrodynamic and chemical zonation. River morphodynamic and sediment transport: bed load and suspended load. Ripples, dunes, meanders. Braided and meandering rivers. Morphodynamic equations. Shallow water equations. 1D and 2D examples. Ecohydraulics: interaction between ecological and hydraulics processes. Lakes and stratified fluids. 4) The man-made environment: general concepts, ecohydraulics and ecohydrology applied to cities and urban context. Ecosystem services and their evaluation. Effects of climate change and urbanization on water cycle. Green urban spaces. Green and blue infrastructures for urban sustainability.

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Module: Operative Hydrology Introduction The water cycle: main phenomena and quantities. 1) Statistical estimation of the hydrological variables (18 hours) Definition of project background and objectives: basic concepts of risk and return period definition. Statistical estimation of project hydrological variables: choice of the probability distribution, preliminary verification, parameter estimation, adaptation tests. Transformation of point rainfall to areal rainfall: Intensity-Duration-Frequency curves. Criteria for spatial mapping of hydrological variables. 2) Water and soil (18 hours) Water in unsaturated soil: definition of the main drivers; infiltration and water content; water retention curves. Models for the assessment of infiltration capacity: potential and real infiltration; Horton model. Surface runoff generation. SCS-Curve Number method. Modeling the formation of surface runoff at basin scale (net precipitation). 3) Rainfall-runoff models (12 hours) River basin morphology. Planimetric and altimetric configurations of watersheds and their characteristic hydrological variables, ipsographic curve, quantitative morphological analysis of river networks. Formation of floods modelling through linear models. Unit hydrograph theory (IUH): meaning of the kinematic model (time-area response hydropgraph). Estimate of the characteristic time scales (time of concentration and delay). Application of unit hydrograph to derive direct runoff hydrograph by using discrete form of convolution. 4) Availability of water resources (12 hours) Radiative balance and potential evapotranspiration. Simplified estimation methods based on solar radiation and air temperature. Water resource for hydroelectric power production: flow duration curves; environmental flows.

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Il modulo è organizzato in lezioni in aula, esercitazioni e seminari Le lezioni in aula riguarderanno le tematiche descritte nel programma Gli allievi, suddivisi in gruppi di circa 3-4 persone, svolgeranno esercitazioni di tipo numerico. Tali esercitazioni saranno raccolte in relazioni da presentare durante l'esame. Si prevede una serie di seminari su argomenti specifici tenuti da esperti con particolare attenzione all mondo lavorativo. Inoltre, agli studenti, suddivisi in gruppi di 3-4 persone, verrà richiesto di svolgere una ricerca su un argomento a scelta riguardante il macro-tema Acqua. Tale ricerca verrà svolta sulla base di #1 articolo scientifico pertinente l’argomento scelto. Utilizzando le banche dati scientifiche Scopus o Web of Science, ogni gruppo dovrà selezionare l’articolo scientifico (articolo in lingua inglese e pubblicato su rivista internazionale) e descriverlo in una presentazione orale in aula ai docenti e ai colleghi. Ogni presentazione durerà 12 minuti (a cui si aggiungeranno 3 minuti per le domande) e ricalcherà la struttura dell'articolo scientifico selezionato (descrizione del problema, materiali e metodi, risultati e conclusioni). La valutazione della presentazione sarà assegnata dai docenti con un voto variabile da -1 a +2 punti (trentesimi). In particolare, la votazione pari a -1 verrà assegnata a chi non presenterà la suddetta ricerca. Tale votazione verrà applicata a tutti gli studenti iscritti al corso per l’attuale A.A. e indipendentemente dall’anno di frequenza. Eventuali voti della ricerca conseguiti negli anni passati potranno essere recuperati a scelta dello studente. Il voto della ricerca contribuirà a comporre il voto finale.

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Gli allievi, suddivisi in gruppi di circa 3-4 persone, svolgeranno esercitazioni di tipo numerico. Tali esercitazioni saranno raccolte in relazioni da presentare durante l'esame. Inoltre, agli studenti, suddivisi in gruppi di 3-4 persone, verrà richiesto di svolgere una ricerca su un argomento a scelta riguardante il macro-tema Acqua. Tale ricerca verrà svolta sulla base di #1 articolo scientifico pertinente l’argomento scelto. Utilizzando le banche dati scientifiche Scopus o Web of Science, ogni gruppo dovrà selezionare l’articolo scientifico (articolo in lingua inglese e pubblicato su rivista internazionale) e descriverlo in una presentazione orale in aula ai docenti e ai colleghi. Ogni presentazione durerà 12 minuti (a cui si aggiungeranno 3 minuti per le domande) e ricalcherà la struttura dell'articolo scientifico selezionato (descrizione del problema, materiali e metodi, risultati e conclusioni). La valutazione della presentazione sarà assegnata dai docenti con un voto variabile da -1 a +2 punti (trentesimi). In particolare, la votazione pari a -1 verrà assegnata a chi non presenterà la suddetta ricerca. Tale votazione verrà applicata a tutti gli studenti iscritti al corso per l’attuale A.A. e indipendentemente dall’anno di frequenza. Eventuali voti positivi della ricerca conseguiti negli anni passati potranno essere recuperati a scelta dello studente. Il voto della ricerca contribuirà a comporre il voto finale.

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The module is structured in: lecures, exercises and seminars. The lectures concerns the topics decribed in the course syllabus Students, divided into groups of about 3-4 people, will perform numerical exercises. These exercises will be collected in reports to be presented during the exam. During the module, there will be one/two seminars given by professinal experts with particular emphasys on practical appplications. Furthermore, students, divided into groups of 3-4 people, will be asked to carry out a research on a topic of their choice concerning "Water Science". This research will be carried out on the basis of # 1 scientific article relevant to the chosen topic. Using the Scopus or Web of Science scientific databases, each group will have to select a scientific article (article in English and published in an international scientific journal) and describe it in an oral presentation to the teachers and the colleagues. Each presentation will last 12 minutes (to which 3 minutes will be added for questions) and will follow the structure of the selected scientific article (description of the problem, materials and methods, results and conclusions). The evaluation of the presentation will be assigned by the professors with a score ranging from -1 to +2 points (expressed in thirtieths). A score equal to -1 will be assigned to those who do not present the aforementioned research. This score will be applied to all students enrolled in the course for the current academic year and regardless of the frequency year. Any score obtained in the past years can be recovered, following the student's choice. The score of the research will contribute to the final grade.

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Students, divided into groups of about 3-4 people, will perform numerical exercises. These exercises will be collected in reports to be presented during the exam. Furthermore, students, divided into groups of 3-4 people, will be asked to carry out a research on a topic of their choice concerning "Water Science". This research will be carried out on the basis of # 1 scientific article relevant to the chosen topic. Using the Scopus or Web of Science scientific databases, each group will have to select a scientific article (article in English and published in an international scientific journal) and describe it in an oral presentation to the teachers and the colleagues. Each presentation will last 12 minutes (to which 3 minutes will be added for questions) and will follow the structure of the selected scientific article (description of the problem, materials and methods, results and conclusions). The evaluation of the presentation will be assigned by the professors with a score ranging from -1 to +2 points (expressed in thirtieths). A score equal to -1 will be assigned to those who do not present the aforementioned research. This score will be applied to all students enrolled in the course for the current academic year and regardless of the frequency year. Any score obtained in the past years can be recovered, following the student's choice. The score of the research will contribute to the final mark.

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Modulo di Idraulica Ambientale. Materiale distribuito dal docente. Testi di approfondimento. Kundu, Cohen, FluidMechanics, Academic Press, 2002. Henderson, Open-channel flow, Prentice-Hall, 1966. Pope, Turbulence, Cambridge Univ., 2000. Fischer et al, Mixing in inland and coastal waters, Academic Press, 1979. Rodriguez-Iturbe, I. and Porporato, A., Ecohydrology of Water-Controlled Ecosystems: Soil Moisture and Plant Dynamics, 2007.

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Modulo di Idrologia Operativa Maione, Moisello, Elementi di statistica per l'idrologia, La Goliardica Pavese , 1993. Maione, Le piene fluviali, La Goliardica Pavese, 1995. Dispense e slides resi disponibili sul portale della didattica e sul sito web www.idrologia.polito.it/didattica/ Esempio di elaborato già disponibile Testi di approfondimento: N.T. Kottegoda and R. Rosso. Statistics, probability and reliability methods for civil and environmental engineers. McGraw-Hill, New York, 1997. Bras, Hydrology - An introduction to hydrologic science, Addison-Wesley, 1990 Maidment, Handbook of applied hydrology, Mc Graw-Hill, 1992.

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Module of Environmental hydraulics: material supplied during the course. Other texts: Kundu, Cohen, FluidMechanics, Academic Press, 2002. Henderson, Open-channel flow, Prentice-Hall, 1966. Pope, Turbulence, Cambridge Univ., 2000. Fischer et al, Mixing in inland and coastal waters, Academic Press, 1979. Rodriguez-Iturbe and Porporato, Ecohydrology of Water-Controlled Ecosystems: Soil Moisture and Plant Dynamics, 2007.

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Module: Operative Hydrology Maione, Moisello, Elementi di statistica per l'idrologia, La Goliardica Pavese , 1993. Maione, Le piene fluviali, La Goliardica Pavese, 1995. Handouts and slides available on the PoliTo portal and on the website www.idrologia.polito.it/didattica/ Other texts: N.T. Kottegoda and R. Rosso. Statistics, probability and reliability methods for civil and environmental engineers. McGraw-Hill, New York, 1997. Bras, Hydrology - An introduction to hydrologic science, Addison-Wesley, 1990 Maidment, Handbook of applied hydrology, Mc Graw-Hill, 1992.

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria; elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Modalità di esame: prova scritta;

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L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi. La verifica dell'apprendimento si svolgerà in forma di colloquio orale per quanto riguarda il modulo di Idraulica Ambientale. Allo studente verranno poste domande sia sul programma svolto in aula sia sulle esercitazioni e le relative esercitazioni. La vatazione del modulo sarà espressa in trentesimi. La votazione finale sarà calcolata come media aritmetica dei due voti pertinenti i singoli moduli. A tale media verrà sommata aritmeticamente la votazione conseguita durante la presentazione della ricerca relativa all’articolo scientifico.

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Risultati di apprendimento attesi Capacità di descrizione dei principali processi idrologici a scala di bacino idrografico Comprensione degli argomenti teorici e pratici trattati Abilità di calcolo nell'utilizzo dei relativi strumenti matematici introdotti. Criteri, regole e procedure per l'esame La verifica dell'apprendimento per quanto riguarda il modulo di Idrologia Operativa si svolgerà in forma di esame scritto della durata di 2 ore composta di due esercizi di calcolo e 3 domande teoriche. Durante lo svolgimento dell'esame è consentito tenere e consultare le esercitazioni svolte durante il corso. I risultati dell’esame vengono comunicati sul portale della didattica, insieme alla data in cui gli studenti possono visionare il compito e chiedere chiarimenti. La votazione finale sarà calcolata come media aritmetica dei due voti pertinenti i singoli moduli. La votazione finale dell’insegnamento integrato sarà calcolata come media aritmetica dei due voti pertinenti i singoli moduli. A tale media verrà sommata aritmeticamente la votazione conseguita durante la presentazione della ricerca relativa all'articolo scientifico.

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Exam: compulsory oral exam; group essay;

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Exam: written test;

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The goal of the exam is to test the knowledge of the candidate on the topics included in the official program of the course and to verify the computational and theoretical skills in solving problems related to Environmental Hydraulics. Marks range from 0 to 30 cum laude (corresponding to 33) and the exam is succesful if the mark is at least 18. The exam is oral and consists of questions and exercises on the topics presented in the course. There is also a discussion about the reports produced during the course. Questions cover theoretical and practical aspects. The final mark will be averaged with the mark of Operative Hydrology. The score obtained during the presentation of the research relating to the scientific article will be arithmetically added to this average.

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Expected learning outcomes Ability to describe the main hydrological processes at the catchment scale Understanding of the theoretical and practical concepts presented during the course Application of the proposed mathematical methods and tools. Criteria, rules and procedures for the exam The learning assessment for the Operative Hydrology module will take place in the form of a written exam lasting two hours and consisting of two calculation exercises and three theoretical questions. During the exam it will be possible to keep and consult the exercise report carried out during the course. The results of the exam will be communicated on the university portal, along with the date on which students will have the possibility to view the exam and request clarifications. The final mark will be calculated as the arithmetic mean of the two module marks. The final mark of the integrated teaching course will be calculated as the arithmetic average of the two individual module marks. The score obtained during the presentation of the research relating to the scientific article will be arithmetically added to this average.



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