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PORTALE DELLA DIDATTICA

Idraulica ambientale/Idrologia operativa

01RKMNF

A.A. 2022/23

2022/23

Idraulica ambientale/Idrologia operativa (Idraulica ambientale)

Il corso completa la preparazione di base delle/degli Ingegnere/Ingegneri Ambientali con concetti e metodologie di fondamento per l'ingegneria delle acque. Il modulo di Idraulica Ambientale consente alle/agli allieve/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. Inoltre, la/lo studentessa/studente è in grado di applicare tecniche volte a valutare la vulnerabilità dei sistemi idrici nei confronti di pressioni antropiche/naturali.

Idraulica ambientale/Idrologia operativa (Idrologia operativa)

L'insegnamento di Idrologia Operativa per Ingegneria Ambientale intende fornire conoscenze teoriche e competenze operative sui fenomeni fisici agenti nel ciclo idrologico a diverse scale spaziali e temporali. Metodi di stima statistica di grandezze idrologiche di progetto sono proposti per gli estremi di precipitazione e di portata, sia mediante tecniche (dirette) di data analysis quando sono disponibili osservazioni sia, in assenza di dati, tramite modelli matematici concettuali (indiretti) con input statistici (modelli afflussi-deflussi). Lezioni teoriche ed esercizi saranno dedicati a processi cruciali nei metodi indiretti, quali il frazionamento della precipitazione tra pioggia e neve, l’interazione tra pioggia e terreno anche in base alle sue condizioni antecedenti l’evento, e la cinematica dei flussi idrici superficiali nelle reti idrografiche. Analizzando un evento alluvionale del passato si metteranno in pratica i metodi presentati, con particolare riguardo alla valutazione della rarità dell’evento e alla taratura di parametri di infiltrazione. Su scale temporali annuali verranno infine studiate, attraverso le Curve di Durata delle portate, le disponibilità idriche per diverse finalità operative, quali derivazioni irrigue o idroelettriche e controllo della compatibilità ambientale di sversamenti in fiume di immissioni inquinanti in alveo.

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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. Moreover, the student is able to apply tools aimed at assessing water system vulnerability to natural and anthropic pressures.

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The Engineering Hydrology for Environmental Engineering course aims to provide theoretical knowledge and operational skills about the physical phenomena acting in the water cycle at different spatial and temporal scales. Methods of statistical estimation of design hydrological variables are proposed: precipitation and discharge extremes are treated both through (direct) data analysis techniques, if observations are available, and through conceptual (indirect) mathematical models with statistical inputs (rainfall-runoff models), if they are not. Theoretical lessons and exercises will be dedicated to crucial processes in indirect methods, such as the fractionation of precipitation between rain and snow, the interaction between rain and soil, also based on its moisture condition prior to the event, and the kinematics of surface flows in stream networks. The analysis of a past flood event will allow the presented methods to be applied, with reference to the evaluation of the rarity of the event and the calibration of infiltration parameters. Finally, water availability for various operational purposes will be studied through the Flow Duration Curves on annual time scales: these goals relate to irrigation or hydropower water requirements and the control of the environmental compatibility of leaks in rivers.

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Al termine dell’insegnamento le/gli studentesse/studenti saranno in grado di: - Analizzare i dati provenienti da misure di grandezze turbolente e dedurre le principali caratteristiche statistiche dei segnali turbolenti - Calcolare i principali parametri legati alla dispersione di un inquinante in un flusso turbolento e calcolare grandezze quali le concentrazioni, la dimensione della nuvola di inquinante e i tempi di trasferimento - Calcolare le grandezze proprie del movimento di una sostanza in un fiume o torrente al fine di programmare opere e azioni di bonifica e controllo - Determinare le quantità legate al trasporto solido di fondo e in sospensione, rilevando in particolare: (1) se il movimento avviene o meno (moto incipiente), (2) la quantità di solido movimentato, (3) le conseguenze sull'analisi dei processi mofrodinamici di trasformazione dell' ambiente fluviale - Definire le caratteristiche fondamentali dei flussi idraulici relativi alla gestione delle acque in ambito urbano e in relazione alle problematiche dei paesi interessati da crisi idrica, confrontando in particolare diversi modelli di gestione (es: IV, IUWM,IUDM, SUDS,...) Tramite le esercitazioni, lo studio dell'articolo scientifico e la sua esposizione in pubblico, ulteriori obiettivi di apprendimento attesi saranno: - Capacità di approfondire autonomamente un tema legato alla gestione delle acque in ambito ambientale - Capacità di gestire il tempo e le risorse - Capacità di riflettere sui temi etici, sociali, culturali connessi alla gestione delle acque in ambito ambientale - Capacità di lavorare in team - Capacità di presentare in pubblico il proprio lavoro

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Capacità di individuare le grandezze fisiche, i fenomeni e gli elementi territoriali in base ai quali poter valutare i rischi connessi a piene fluviali e nubifragi Saper utilizzare metodi probabilistici per la stima diretta di piogge e piene di progetto e la verifica di rarità di eventi passati Saper costruire uno schema di taratura e stima di piene di progetto mediante bilancio idrologico Saper trattare problemi di interazione tra acqua e suolo a scala di versante e di bacino Saper applicare semplici metodi per la costruzione delle curve di durata delle portate

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The 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. Through the exercises, the examination of the scientific article and its public presentation, the module has the following further learning objectives: - Ability to independently investigate a topic related to environmental water management - Ability to manage time and resources - Ability to reflect on ethical, social, cultural issues related to environmental water management - Ability to work in a team - Ability to present your work in public

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The Operative Hydrology module 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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Le conoscenze di base necessarie per affrontare il corso sono in particolare quelle acquisite durante i corsi tenuti nel percorso di laurea triennale. Nello specifico è necessaria possedere le abilità acquisite nei seguenti corsi: - Analisi I: proprietà essenziali del calcolo differenziale e integrale per funzioni di una variabile - Algebra lineare e geometria: strumenti e tecniche che permettono di operare con enti geometrici (vettori nel piano e nello spazio) e algebrici (sistemi di equazioni lineari, matrici, polinomi...) - Fisica I: capacità di identificazione degli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario - Metodi per l'ingegneria ambientale: conoscenza dei metodi di lavoro in team, come reperire dati ed informazioni e validare le fonti, sviluppo di capacità di pensiero sistemico e di comunicazione dei risultati, consapevolezza sui valori della sostenibilità. - Analisi II: calcolo differenziale per le funzioni di più variabili e integrazione multipla - Idraulica: comportamento dei fluidi in condizioni statiche e dinamiche. Inoltre, la soluzione di molti dei problemi analizzati e risolti in sede di esercitazione, è sicuramente agevolata dalle abilità, acquisite durante i corsi precedenti e relative alla conoscenza di un linguaggio di programmazione (e.g. Phyton, Matlab....).

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Possedere basi di calcolo integrale, di probabilità e statistica e di Idraulica. Padroneggiare l’uso di un foglio di calcolo. Non è richiesta ma è gradita la conoscenza di software per il calcolo numerico (ad es. Matlab) per lo sviluppo delle parti esercitative.

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

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1) Introduzione (1.5 ore): il moto dei fluidi negli ambienti naturali e antropizzati, connessioni con i temi propri dell'Ingegneria Ambientale. 2) Turbolenza (10.5 + esercitazione 1). Aspetti introduttivi e ruolo nei processi di trasporto dei fluidi. equazioni fondamentali, aspetti fisici e ricadute ingegneristiche, analisi statistica e teoria di Kolmogorov, turbolenza libera e di parete, analisi numerica 3) Processi di trasporto nei fluidi (6 ore + esercitazione 2). Aspetti introduttivi, teoria di Fick, diffusione molecolare, diffusione turbolenta e diffusione per shear, dispersione. 4) Processi di trasporto nei fiumi (12 ore + esercitazioni 3-5) . Introduzione al problema, valutazione dei coefficienti e problemi di dispersione longitudinale, trasporto di inquinanti, nutrienti e sedimenti, trasporto iporreico, teoria del trasporto solido, cenni di morfodinamica fluviale. 5) L’ambiente costruito ed antropizzato (12 ore): concetti generali, ecoidraulica ed ecoidrologia, valutazione dei servizi ecosistemici, 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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1. Rischio e sicurezza nel progetto idrologico: Definizioni e concetti statistici di base; Inferenza statistica; Misura e stima statistica delle piogge di progetto 2. Progetto e verifica di sistemi per la difesa dalle alluvioni; Morfologia dei bacini idrografici; Bilancio idrico di piena; Cinematica del deflusso superficiale 3. Condizioni iniziali ed al contorno per il bilancio di piena: Cenni di fisica dell’atmosfera e frazionamento pioggia-neve; Interazioni tra acqua e suolo a scala di bacino e di versante (infiltrazione); Bilancio di massa ed energia del vapor d’acqua; Costruzione del bilancio idrico a lungo termine e saturazione iniziale dei suoli. 4. Valutazione delle disponibilità idriche su scala annuale: Curve di durata delle portate, producibilità idroelettrica;

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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: processes 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) Water resource for hydroelectric power production: flow duration curves; ecological flows and minimum environmental flows. Radiative balance and potential evapotranspiration. Simplified estimation methods based on solar radiation and air temperature.

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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 Le/gli allieve/allievi, suddivisi in gruppi di massimo 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 al mondo lavorativo. Inoltre, alle/agli studentesse/studenti, suddivise/i 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 un articolo scientifico (in lingua inglese e pubblicato su rivista internazionale) scelto utilizzando le banche dati scientifiche Scopus o Web of Science. L'articolo scelto verrà discusso durante una presentazione orale in aula al docente e alle/ai colleghe/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 scelta della modalità di presentazione (e.g. PowerPoint, Keynote,etc...) è a libera scelta dello studente.

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L'insegnamento è organizzato in lezioni e attività operative, sviluppate in Matlab. Le prime sono dedicate alla presentazione degli aspetti teorici e metodologici dei fenomeni idrologici. Le seconde sono finalizzate a redigere uno studio idrologico completo ed a risolvere esercizi numerici. Le lezioni e le esercitazioni richiederanno, per lo più, l’uso del notebook o tablet da parte degli studenti. I contenuti della relazione riguarderanno la valutazione complessiva della rarità di un evento alluvionale e la successiva ricostruzione dell’evento di progetto, secondo lo schema tipico di una relazione idrologica professionale. Verrà redatto un report finale sulla base di un modello predefinito. Il report potrà essere usato in sede di esame e verrà consegnato insieme all'elaborato di prova. Esercizi quantitativi riguarderanno problemi specifici, quali l’effetto idrologico di gradienti termici, il calcolo di volumi di infiltrazione, la stima delle curve di durata, ecc. Potranno essere assegnati esercizi a casa (assignments), i cui punteggi potranno essere utilizzati come bonus per la sessione d'esame. Per una migliore organizzazione della parte esercitativa sarà utilizzato un gruppo Telegram.

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The module is structured in: lectures, 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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Durante il corso verranno distribuite dispense di approfondimento dei temi trattati. Le slide e il materiale relativo alle esercitazione verrà sempre reso disponibile mediante il portale della didattica. Data l'attualità di alcuni argomenti affrontati durante il corso, verranno inoltre costantemente suggerite risorse (articoli, pagine web, etc... ) attraverso le quali sarà possibile eventualmente approfondire le proprie conoscenze in merito. Testi di approfondimento: - Kundu, Cohen, FluidMechanics, Academic Press, 2002. - Jain, Subhash C. Open- Channel Flow. New York: Wiley, 2001. - Chanson, Hubert. Hydraulics of Open Channel Flow. Burlington: Butterworth-Heinemann, 2004. Web. - Pope, Turbulence, Cambridge Univ., 2000. - Fischer et al, Mixing in inland and coastal waters, Academic Press, 1979. - D'Odorico P., Porporato A., Wilkinson Runyan C. Dryland Ecohydrology, Springer International Publishing, 2019.

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Modulo di Idrologia Operativa Dispense: Note, dispense e Stampe delle slides utilizzate, rese disponibili sul portale della didattica. Testi di supporto: - U. Maione, U. Moisello (1993), Elementi di statistica per l’idrologia, La Goliardica Pavese (Cap. 1 e 3) - U. Maione (1995), Le piene fluviali, La Goliardica Pavese (Cap 2) Moisello, U. (2011) Idrologia Tecnica, II Edizione, La Goliardica Pavese

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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. D'Odorico P., Porporato A., Wilkinson Runyan C. Dryland Ecohydrology, Springer International Publishing, 2019.

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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;

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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Exam: Compulsory oral exam;

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Exam: Written test;

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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 coerentemente con quanto indicato nei risultati di apprendimento attesi. La verifica dell'apprendimento si svolgerà in forma di colloquio orale in presenza. Alla/allo studentessa/studente verranno poste domande sul programma svolto in aula, sulle esercitazioni e sul contenuto dell'articolo scientifico scelto. La valutazione del modulo sarà espressa in trentesimi. La votazione finale del corso integrato (Idraulica Ambientale/Idrologia Operativa) sarà calcolata come media aritmetica dei due voti pertinenti i singoli moduli.

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L'esame è finalizzato a verificare il raggiungimento di una sufficiente autonomia nell'affrontare un tipico problema di statistica idrologica o di quantificazione di un fenomeno connesso a problematiche alluvionali o di disponibilità idrica. Verrà proposto un esame scritto (durata: da 2 a 3 ore) contenente 2-3 esercizi e almeno due domande aperte, relative ad aspetti metodologici e a fenomeni idrologici. Gli esercizi saranno risolti solo con l'ausilio di calcolatrice portatile. Durante la prova d’esame sarà possibile utilizzare la relazione tecnica sviluppata nell’ambito delle esercitazioni. La relazione sarà consegnata con l’elaborato di esame ma non verrà valutata ai fini del punteggio. La valutazione dell'esame terrà conto dei metodi di risoluzione scelti, della correttezza delle soluzioni numeriche, delle conoscenze dimostrate e della chiarezza della trattazione. Verrà concesso un bonus di 2 punti alla prima correzione assoluta dell'esame. Coloro che non consegneranno l'esame salveranno il loro bonus per il test successivo. I risultati dell’esame verranno comunicati sul portale della didattica, insieme alla data in cui gli studenti potranno visionare il compito e chiedere chiarimenti. La votazione finale sarà calcolata come media aritmetica dei due voti pertinenti i singoli moduli.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.

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Exam: Compulsory oral exam;

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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.

In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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