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L’Arno ha origine dal versante meridionale del M. Falterona alla quota 1.385 m. sul mare. Dopo un primo tratto percorso con direzione prevalente Nord-Ovest-Sud-Est, l’Arno lascia il Casentino e, attraverso la stretta di S. Maria, sbocca nella piana di Arezzo. A circa 60 Km dalle sorgenti, nei pressi del bordo occidentale della piana, si congiunge con il Canale Maestro della Chiana. Entra quindi nel Vardarno Superiore dove scorre con direzione Sud-Est-Nord-Ovest sino a Pontassieve fino alla confluenza con la Sieve, suo principale affluente di destra. Da qui piega decisamente verso Ovest e mantiene tale direzione fino alla foce. È in questo ultimo tratto che confluiscono i restanti importanti affluenti di destra e sinistra.Il bacino imbrifero si estende su una superficie di 8.228 Kmq, dei quali il 55,3% è a quota inferiore a 300 m.s.m., il 30,4% a quote comprese tra 300 e 600 m.s.m., il 9,8% a quote comprese tra 600 e 900 m.s.m. e il 4,5 a quota superiori a 900 m.s.m. Le maggiori altitudini si riscontrano nel gruppo montuoso del Falterona e del Pratomagno, rispettivamente con le vette di Monte Falco (1.657 m.s.m.) e del Poggio Uomo di Sasso (1.537 m.s.m.).L’intero bacino viene solitamente suddiviso nei 6 sottobacini riportati nella tabella sopra riportata: Casentino, Val di Chiana, Valdarno Superiore, Sieve, Valdarno Medio, Valdarno Inferiore.
Il Casentino è costituito dall’alto bacino dell’Arno dalle origini alla confluenza con la Chiana. È delimitato dai contrafforti dell’Appennino e del Pratomagno e numerosi sono gli affluenti, tutti di carattere torrentizio, come il Solano e il Capraia in destra, l’Archiano, il Corsalone e il Chiassa in sinistra.La Val di Chiana comprende una vasta zona quasi completamente pianeggiante; anticamente zona paludosa, è stata, in tempi relativamente recenti, bonificata e suddivisa tra il bacino dell’Arno e quello del Tevere.Il Valdarno Superiore è formato da una lunga pianura, chiusa a destra dal Pratomagno e a sinistra dai modesti rilievi della provincia di Siena, dai quali ha origine il torrente Ambra, unico affluente di una certa importanza in tutto il sottobacino. Il sottobacino della Sieve, al pari del Casentino, costituisce un bacino a sé stante tra la dorsale Appenninica ed i contrafforti del Mugello. Tributario di molti affluenti, la Sieve confluisce nell’Arno poco a monte di Firenze, delimitando a valle il Valdarno Superiore, così come la Chiana lo delimita a monte.Il Valdarno Medio origina a valle di Pontassieve e comprende i sottobacini del Bisenzio e dell’Ombrone in destra, del Greve-Ema in sinistra. La confluenza Arno-Ombrone determina la chiusura del bacino.Il Valdarno Inferiore è caratterizzato in destra da una ampia pianura di bonifica con il sottobacino Valdinievole – Padule di Fucecchio e in sinistra da lunghe vallate in cui scorrono importanti affluenti come il Pesa, l’Elsa e l’Era.A valle di Pontedera l’Arno fluisce verso la foce, contenuto in arginature di difesa, che impediscono un interscambio tra l’acqua del fiume e quella della pianura pisana.In totale l’asta fluviale ha uno sviluppo di 241 Km, mentre l’asse della valle risulta più corto di 18 Km; questa differenza è dovuta ai numerosi meandri che il fiume forma, specie nel tratto terminale, tra le confluenze dell’Era e Pesa.
I terreni pianeggianti e cioè con pendenza inferiore al 15% misurano 1.410 Kmq pari al 17% dell’intera superficie. Poco inferiore è la percentuale di terreni di media ed alta montagna, mentre fortemente predominante è la parte del territorio classificabile come collinare.Le pendenze del fiume, calcolate sull’asta principale, variano tra il 20 ed il 14% nel tratto appenninico sino a Stia; si mantengono intorno al 10% tra Stia e la confluenza con il T. Solano; scendono al 3 – 3,5% tra il Solano e il Levante, fatta eccezione per il tratto compreso tra Giovi e Molino Abate ove la pendenza raggiunge valori del 7,5%; si riducono all’1 – 3% sino alla confluenza con la Pesa e allo 0,3% da qui alla foce. La pendenza media sull’intero percorso risulta pari circa allo 0,5 – 0,6%.Le formazioni geologiche sono in prevalenza impermeabili costituite da argille, marne, scisti argillosi, calcari marmosi e arenarie compatte. La parte prevalentemente permeabile del bacino non supera il 5% dell’intera superficie. La copertura alluvionale, quasi ovunque di spessore modesto, è presente sul 23% della superficie.Nel complesso le rocce costituenti il bacino dell’Arno sono facilmente erodibili. La stessa colorazione, generalmente giallastra, delle acque fluenti, è indice di un forte trasporto solido. Ciò determina una denudazione piuttosto intensa del bacino, nonostante che tutta la Toscana sia una delle regioni più ricche di bosco rispetto alla superficie complessiva agraria e forestale.L’erosione in alveo è stata favorita dalla sottrazione di materiali, effettuata nelle numerose vasche o cave destinate all’immagazzinamento delle acque torbide di morbida e di piena dell’Arno, che depositano i materiali trasportati in sospensione. A ciò si aggiunge il prelevamento di materiali di fondo, come ghiaie o sabbie, eseguito per le necessità costruttive, soprattutto vicino ai centri abitati.
La temperatura media annua diminuisce costantemente e progressivamente procedendo dal mare verso l’interno della vallata. Tale diminuzione è più sensibile solo a partire dal Medio Valdarno. L’ampiezza dell’escursione annua varia a causa dell’altitudine e della vicinanza del mare, la cui azione livellatrice si fa sentire a discreta profondità dal litorale. Le isoterme di valore meno elevato corrono parallelamente alle giogaie ed al rilievo del Pratomagno, mentre quelle di valore più elevato seguono i rilievi, delimitando a nord ed a sud la parte più bassa della vallata.L’andamento mensile delle temperature è nel complesso caratterizzato in tutto il bacino da un progressivo aumento da gennaio sino a luglio, e da un altrettanto progressiva diminuzione da luglio a dicembre. Le temperature minime si rilevano nel mese di gennaio o febbraio, mentre le massime in luglio o in agosto. Come nella quasi totalità delle regioni italiane, i mesi più sereni sono quelli di luglio e agosto mentre il più nuvoloso è dicembre.Per il bacino dell’Arno non si dispone di un elevato numero di stazioni di misura eolica, tuttavia dai dati disponibili è possibile ricostruire un quadro sufficientemente rappresentativo della circolazione delle masse d’aria. L’esame dei dati conferma in primo luogo la stretta relazione della posizione geografica ed orografica con il regime dei venti. In vicinanza della costa i venti dominanti sono quelli dei quadranti occidentali ed orientali in accordo con le variazioni barometriche stagionali, che caratterizzano le zone marittime della costa tirrenica. A Firenze i venti più frequenti sono quelli provenienti dai quadranti nord e nord-orientali, dovuti alle correnti fredde provenienti da settentrione, che scavalcano la catena appenninica specie nei mesi invernali. Nel periodo estivo prevalgono i venti del quadrante sud-occidentale. Tra Pisa e Firenze i venti hanno direzioni prevalenti orientate secondo i quattro punti cardinali, risentendo sia del regime riscontrato alla stazione di Pisa che di quello visto alla stazione di Firenze. Nella rimanente parte del bacino il regime è influenzato al massimo dall’orografia. Nella Val di Chiana lo sviluppo longitudinale della valle favorisce la circolazione delle masse d’aria provenienti dai quadranti meridionali e settentrionali. I rilievi orientali costituiscono una valida barriera ai venti di questi quadranti, mentre ad occidente le modeste alture dello spartiacque lasciano passare i venti di ponente.L’andamento della evaporazione nel corso dell’anno è analogo a quello della temperatura dell’aria con massimi e minimi in estate e inverno.
Dall’esame dei dati pluviometrici riportati negli Annali Idrologici del Ministro dei Lavori Pubblici si deduce che le precipitazioni atmosferiche nell’ambito del bacino sono generalmente distribuite nell’arco dell’anno in due periodi.Nel primo, compreso tra i mesi di gennaio e maggio inclusi, si hanno precipitazioni abbondanti e di norma regolari, nel secondo, che va da ottobre a dicembre, si hanno precipitazioni rilevanti ed intense ma irregolarmente distribuite nel tempo. Tra questi due periodi piovosi si inserisce un intervallo caratterizzato da scarse, e a volte scarsissime, piogge.Il mese con più abbondanti precipitazione è risultato quello di novembre, mentre in luglio si sono registrate le minori quantità di piogge. Per quanto concerne la distribuzione dei giorni piovosi si può affermare che per tutto il bacino gli eventi meteorici sono distribuiti in parti pressoché uguali nelle stagioni autunnali, invernali e primaverili, in ragione del 90% circa del totale annuo.Relativamente alla distribuzione areale delle piogge sul bacino si nota una spiccata interdipendenza tra quantità di pioggia caduta e orografia, in special modo in destra idrografica. Infatti nel Valdarno Superiore e su un’ampia zona allungata e parallela al crinale appenninico, le precipitazioni non scendono al di sotto dei 1.000 mm, e raggiungono, con gradiente sempre più ripido, valori intorno ai 2.000 mm sullo spartiacque tra il Pescia ed il Bisenzio, 1.400 – 1.900 mm lungo il crinale sino al M. Falterona ed infine sul Pratomagno valori intorno ai 1.700 mm.In anni con elevate precipitazioni nelle zone suddette si possono toccare rispettivamente valori superiori a 3.000 mm, 2.000 mm e 2.500 mm. Sempre facendo riferimento all’anno medio, le precipitazioni raggiungono e superano di poco i 1.000 mm in zone ristrette dell’alto bacino della Chiana e dell’Era. Nella parte restante del bacino le precipitazioni sono generalmente livellate intorno a valori oscillanti tra 800 – 900 mm nel Valdarno Medio e Inferiore, e tra 700 – 900 mm nella Chiana ove peraltro si riscontrano le zone a minore piovosità. Infine le precipitazioni nevose sono, escluse le zone montuose, di assai modesta entità e rivestono carattere di eccezionalità, soprattutto nelle zone vicine al mare. Da quanto esposto in precedenza, il tipo pluviometrico nel bacino del fiume Arno può essere classificato sub-litoraneo appenninico nelle parti più elevate del bacino e marittimo nella fascia più prossima alla costa tirrenica.
Il bacino è prevalentemente impermeabile per cui i deflussi seguono le caratteristiche delle precipitazioni nella loro irregolarità di distribuzione. I deflussi sono pure caratterizzati da due massimi (dicembre-marzo) e da un minimo assoluto (agosto). Lo sfasamento del regime dei deflussi da quello delle precipitazioni è dovuto alle condizioni stagionali del terreno e alle portate di esaurimento.Il deflusso totale medio annuo dell’intero bacino è pari a circa 3 miliardi di mc con una portata media di 100 mc/sec a San Giovanni alla Vena.