Casi studio

La misura continua della portata di un fiume o di un canale può diventare particolarmente complessa quando le condizioni del sito rendono poco conveniente l’installazione di strumenti direttamente a contatto con l’acqua.

Correnti elevate, variazioni rapide del livello, trasporto solido e materiale flottante possono infatti aumentare le esigenze di manutenzione e il rischio di danneggiamento dei sensori immersi.

In questo caso studio viene ipotizzata la realizzazione di una stazione automatica di monitoraggio di un corso d’acqua mediante tecnologia radar senza contatto. La soluzione prevede la misura della velocità superficiale dell’acqua, abbinata al controllo del livello idrometrico e a un sistema di acquisizione e trasmissione remota dei dati.

L’obiettivo è ottenere un monitoraggio continuo del corso d’acqua, con particolare attenzione agli eventi di piena, mantenendo la strumentazione di misura al di fuori della corrente.

Misurare la velocità dell’acqua senza contatto

La misura della velocità superficiale viene effettuata mediante un sensore radar Doppler. Lo strumento trasmette un segnale elettromagnetico verso la superficie dell’acqua e analizza la variazione di frequenza del segnale riflesso dalla superficie in movimento.

Da questa variazione è possibile determinare la velocità della corrente senza contatto, evitando che il sensore debba essere installato direttamente nell’acqua.

In una configurazione di questo tipo può essere utilizzato un radar operante nella banda dei 24 GHz, in grado di rilevare velocità superficiali indicativamente comprese tra 0,02 e 15 m/s.

Il sistema può quindi essere utilizzato sia nelle normali condizioni di deflusso sia durante eventi caratterizzati da velocità significativamente superiori.

Il sensore può inoltre integrare la misura della propria inclinazione, consentendo di compensare automaticamente l’effetto dell’angolo di installazione sul valore della velocità rilevata.

Installazione del radar sopra il corso d’acqua

Nel caso ipotizzato, il sensore radar viene installato sotto l’impalcato di un ponte e orientato verso una porzione della superficie sufficientemente rappresentativa della corrente.

Una configurazione tipica può prevedere il posizionamento del radar a un’altezza compresa indicativamente tra 1 e 25 metri rispetto alla superficie dell’acqua, con un’inclinazione di circa 30°.

La possibilità di effettuare la misura completamente senza contatto rappresenta uno dei principali vantaggi di questa tecnologia. Non essendoci elementi di misura immersi, il sensore risulta meno esposto all’azione di rami, vegetazione, sedimenti e materiale flottante trasportato durante le piene.

Questo aspetto è particolarmente interessante per torrenti e corsi d’acqua caratterizzati da variazioni rapide delle condizioni idrauliche, dove proprio durante gli eventi più importanti aumenta il rischio di danneggiamento della strumentazione installata nell’alveo.

Dalla velocità superficiale alla portata

La misura radar fornisce direttamente la velocità superficiale dell’acqua. Per molte applicazioni di monitoraggio idrologico, tuttavia, il parametro maggiormente significativo è rappresentato dalla portata, normalmente espressa in metri cubi al secondo.

In termini generali, la portata può essere determinata attraverso la relazione:

Q = V × A

dove Q rappresenta la portata, V la velocità media dell’acqua e A l’area della sezione bagnata.

In un corso d’acqua reale il calcolo è però più complesso, perché la sezione può essere irregolare e la velocità non è uniforme né lungo la larghezza né lungo la verticale.

La velocità superficiale rilevata dal radar non coincide quindi necessariamente con la velocità media dell’intera sezione.

Come riferimento generale, la velocità media può assumere valori indicativamente compresi tra l’80% e il 95% della velocità superficiale, ma il coefficiente da utilizzare deve essere valutato in funzione delle caratteristiche dello specifico sito.

Per ottenere risultati attendibili è quindi opportuno effettuare una caratterizzazione della sezione idraulica e confrontare le misure radar con misure di portata eseguite in differenti condizioni di deflusso.

L’importanza della misura del livello

Per realizzare una stazione completa, alla misura radar della velocità può essere affiancato un sensore per la misura continua del livello idrometrico.

La conoscenza del livello è fondamentale perché consente di determinare come varia la sezione bagnata al variare dell’altezza dell’acqua.

Associando questo dato alla velocità superficiale misurata dal radar è possibile ricostruire l’andamento della portata nel tempo.

La stazione permette così di osservare contemporaneamente l’innalzamento del livello e l’aumento della velocità della corrente durante un evento meteorologico.

Una volta caratterizzato il comportamento idraulico della sezione, i dati acquisiti possono essere elaborati automaticamente per ottenere una stima continua della portata.

Acquisizione automatica dei dati

Il radar di velocità può essere collegato direttamente a un data logger attraverso un’interfaccia digitale RS-485 e protocollo Modbus.

Il sistema di acquisizione può quindi interrogare periodicamente il sensore e registrare i valori di velocità misurati.

Lo stesso data logger può acquisire anche il sensore di livello e gli eventuali altri strumenti installati nella stazione, centralizzando tutte le informazioni in un unico sistema.

È inoltre possibile acquisire sia la velocità istantanea sia una velocità media opportunamente filtrata. In presenza di onde o piccole oscillazioni della superficie, l’utilizzo di un valore mediato permette di ridurre le fluttuazioni della misura e ottenere un dato maggiormente rappresentativo delle condizioni effettive del corso d’acqua.

Trasmissione dei dati e piattaforma METRA

I dati registrati localmente possono essere trasmessi mediante rete mobile alla piattaforma METRA, rendendo possibile il monitoraggio remoto della stazione.

L’operatore può così consultare l’andamento temporale del livello idrometrico, della velocità superficiale e della portata calcolata, verificando l’evoluzione delle condizioni del corso d’acqua senza la necessità di raggiungere fisicamente il sito.

La disponibilità contemporanea dei diversi parametri permette inoltre di interpretare in modo più completo gli eventi idrologici e di confrontare le condizioni rilevate durante eventi differenti.

Monitoraggio degli eventi di piena

Uno degli aspetti più interessanti di questa configurazione emerge durante gli eventi di piena.

Con l’arrivo delle precipitazioni il sistema può registrare inizialmente l’aumento del livello idrometrico e successivamente la variazione della velocità della corrente.

Combinando queste informazioni con la geometria della sezione è possibile seguire l’evoluzione della portata fino al raggiungimento del valore massimo e durante la successiva fase di diminuzione.

L’intero evento viene registrato automaticamente, creando una serie storica di dati che può essere successivamente analizzata e confrontata con eventi precedenti.

L’accumulo di dati nel tempo permette inoltre di migliorare progressivamente la conoscenza del comportamento idraulico del sito e, quando necessario, di affinare le relazioni utilizzate per trasformare livello e velocità superficiale in portata.

Una soluzione per fiumi, torrenti e canali

La misura radar senza contatto rappresenta una soluzione particolarmente interessante per il monitoraggio di fiumi, torrenti e canali a cielo aperto nei quali l’installazione di strumenti immersi risulta complessa o richiede frequenti attività di manutenzione.

Ponti e attraversamenti costituiscono punti particolarmente favorevoli per questo tipo di applicazione, perché permettono di installare i sensori direttamente sopra il corso d’acqua senza realizzare strutture all’interno dell’alveo.

L’integrazione tra radar di velocità, misura del livello, data logger e teletrasmissione consente di realizzare una stazione automatica capace di seguire continuamente l’evoluzione delle condizioni idrauliche.

Il risultato non è soltanto una misura della velocità dell’acqua, ma un sistema completo di monitoraggio della portata attraverso il quale trasformare i dati acquisiti sul campo in informazioni utili per conoscere l’andamento del corso d’acqua e ricostruire anche gli eventi idrologici più significativi.