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Risorsa idrica superficiale: razionalizzazione del suo uso

 

     

Obiettivi Attività Bibliografia

OBIETTIVI

       L’attività di ricerca condotta per il WorkPackage 2 ha la finalità di definire attendibili scenari di futura disponibilità della risorsa idrica sul territorio della regione Lombardia.

Lo studio è riferito al bacino del fiume Adda scelto come area campione per la ricerca.

Il lavoro mira a ottimizzare le modalità d’uso della risorsa in uno scenario climatico e idrologico in progressiva evoluzione, anche per salvaguardare la qualità dell’ambiente fluviale durante le situazioni di crisi e di emergenza idrica.

 Per fornire il supporto alle analisi economiche per la gestione delle risorse idriche e per la pianificazione della distribuzione della risorsa tra le diverse utenze lo studio si propone di produrre gli strumenti operativi utili allo scopo:

 1 - modello di precipitazione

 2 - modello di trasferimento e distribuzione dei deflussi

 

 1 - Il modello di formazione della precipitazione genera serie stocastiche continue di piogge giornaliere distribuite sull’area del bacino, per formulare scenari plausibili della loro distribuzione spazio temporale in funzione di possibili o previsti cambiamenti nel regime pluviometrico.

Il modello che riproduce i fondamentali caratteri statistici del processo stocastico delle precipitazioni distribuite nello spazio e nel tempo è oggetto di studio già da parecchio tempo presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale di Pavia (DIIA), i risultati delle ricerche condotte sono citati in bibliografia.

Il modello, distingue le componenti a breve termine (alternanza di periodi umidi e asciutti), da quelle stagionali e da quelle a lungo termine (cicli climatici pluriannuali, tendenza dei parametri medi del clima).

 Per l’analisi delle serie storiche necessarie per tarare il modello da applicare col metodo Monte Carlo è usata la procedura di campionamento di Gibbs, che consiste nella taratura delle variabili del modello stocastico adottando percorsi casuali: questo moderno approccio è indicato con il nome di Markov Chain Monte Carlo (MCMC). I vantaggi conseguiti sono la sua convergenza al livello desiderato, la semplicità e la versatilità di applicazione.

 Perturbando opportunamente i valori dei parametri del modello stocastico delle grandezze climatiche di  interesse (pluviometria, termometria), si possono ricavare diversi scenari di disponibilità idrica nell’area di interesse.

Il modello consentirà di formulare scenari di risposta idrologica dell’area campione attraverso lo studio della formazione e distribuzione dei deflussi.

 

2  -  Il modello afflussi-deflussi simula la formazione e la propagazione dei deflussi.

Il modello, soprattutto per quanto riguarda i bacini montani, dovrà simulare l’effetto dei ghiacciai e delle abbondanti precipitazioni nevose nel periodo invernale, considerando l’accumulo e lo scioglimento della neve.

La presenza, inoltre, di invasi regolati impone di simulare anche le procedure di regolazione e di gestione  dei serbatoi.

Il modello è validato confrontando i deflussi giornalieri, ricostruiti  dal modello a partire dagli afflussi meteorici storici, con quelli effettivamente transitati nelle sezioni di chiusura dei bacini oggetto di studio, su un periodo di anni sufficientemente lungo.

L’attività propedeutica alla messa a punto del modello afflussi-deflussi consiste nell’individuazione delle caratteristiche fisiche dei bacini, nella definizione di metodologie di caratterizzazione e parametrizzazione del modello e nella sperimentazione di modelli esistenti per un’eventuale implementazione in alternativa.

 Il modello idrologico-idraulico potrà essere quindi utilizzato per studiare gli effetti di differenti politiche di gestione dei serbatoi e di uso delle acque in funzione della disponibilità idrica.

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ATTIVITA'

L’attività di ricerca condotta dal WorkPackage 2 durante il 2006, è stata indirizzata, allo studio del bacino del Mallero (Valmalenco), caratterizzato  da una situazione idrologica resa particolarmente complessa per la presenza di ghiacciai e delle precipitazioni nevose nel periodo invernale, da forti variazioni di quota e dalla presenza di numerosi invasi artificiali.

Per questo bacino, infatti, è disponibile una base dati di misure idrologiche (pioggia, altezza del manto nevoso, temperatura, deflusso) sufficientemente ampia da  consentire di analizzare in dettaglio il fenomeno fisico della formazione e propagazione del deflusso e di mettere quindi a punto un modello di simulazione continua della trasformazione afflussi-deflussi.

Il periodo temporale è stato preso in esame, in funzione dei dati disponibili, compreso tra il 1990 ed il 1998.

Lo studio del bacino  è stato sviluppato secondo i seguenti punti:

a)  Raccolta dati climatici (dati pluviometrici, nivometrici e termometrici) reperiti da 21 stazioni automatiche (fonte A.R.P.A.) e ricostruzione dati mancanti mediante lo studio preliminare della correlazione tra le serie pluviometriche delle diverse stazioni di misura, archiviazione dati.

     Determinazione dei gradienti mensili di precipitazione e di temperatura in funzione della quota assoluta per la definizione dello zero termico.

      Analisi statistica delle serie temporali delle principali grandezze idrologiche (precipitazioni mensili, temperature medie mensili) relative alle 21 stazioni di misura, mediante F.F.T. (Fast Fourier Transform). In particolare sono state analizzate le tre componenti: annuale (periodo di 12 mesi), pluriannuale (periodo maggiore di 12 mesi) e casuale (periodo inferiore a 12 mesi) che costituiscono il segnale temporale di origine.

 L’analisi è stata condotta sia per studiare come la correlazione tra le serie temporali delle stazioni di misura sia influenzata dalla componente del segnale considerato, sia per definire lo scenario metereologico in ingresso al bacino idrografico come input del modello di calcolo.

 

b)  Suddivisione del bacino del Mallero  in 3 Sottobacini, rispettivamente: 

              Sottobacino Mallero Alto: parte Nord-Ovest della Valmalenco

              Sottobacino Mallero Basso: parte Sud della Valmalenco

              Sottobacino Torrente Lanterna: parte Nord-Est della Valmalenco

 Per ogni Sottobacino si sono determinate le caratteristiche morfologiche e        morfometriche di maggior interesse: curva ipsografica, tempo di corrivazione, curva aree-tempi, curva di concentrazione. 

c)  Calcolo delle altezze di precipitazione e delle temperature medie per ogni Sottobacino (riferite alle quote medie di ogni Sottobacino), con l’utilizzo dei gradienti precedentemente calcolati e mediante la valutazione dell’ area di competenza di ogni singola stazione di misura  valutata con il metodo dei topoieti.

       Le altezze di precipitazione e le temperature medie giornaliere determinate (periodo 1990-1998), sono state elaborate con il modello di formazione dei deflussi.

 d) Attività condotta sull’analisi in letteratura dei modelli di trasformazione afflussi-    deflussi, facendo particolare attenzione alla necessità di simulare il contributo del deflusso generato dalla fusione del manto nevoso.

E’ stato quindi necessario che il modello utilizzato contenesse un modulo di idrologia nivale, che tenga conto delle presenza delle copertura nevosa, dei ghiacciai e quindi del loro contributo al deflusso.

In particolare sono state analizzate le potenzialità del programma Hec-Hms, sviluppato dalla U.S. Army Corps of Engineers ((Hydrologic Modeling System – HEC HMS – Users Manual, Version 3.0.1, April 2006. Runoff from snowmelt – HEC Engineering and Design Manual, march 1998).

Mediante l’utilizzo del programma è stato schematizzato il reticolo fluviale del bacino oggetto di studio.

L’unità di tempo utilizzata è pari a 24 ore, i deflussi simulano quindi le portate medie giornaliere transitanti nella sezione di chiusura del bacino.

Sono stati quindi simulati i fenomeni fisici di maggior interesse: perdite idrologiche (infiltrazione, evapotraspirazione), fusione del manto nevoso, deflusso superficiale, deflusso sotterraneo (deflusso di base, deflusso profondo).

 

Per quanto riguarda le perdite idrologiche, il modello schematizza il fenomeno fisico dell’infiltrazione con 5 serbatoi posti in serie, che rappresentano rispettivamente: l’intercezione della vegetazione, l’immagazzinamento nelle depressioni superficiali, lo scorrimento di base, mentre gli ultimi 2 serbatoi simulano la presenza della falda profonda che genera lo scorrimento sotterraneo, il cui contributo alla sezione di chiusura del bacino viene calcolato in funzione del volume invasato all’interno dei serbatoi stessi.

L’utente assegna le dimensioni di ogni serbatoio (ovvero il massimo volume invasabile) e la massima velocità di infiltrazione possibile tra due serbatoi posti in serie.

L’infiltrazione dipende dal volume invasato all’interno di ogni serbatoio all’inizio del giorno  e dalla velocità massima di infiltrazione.

 Una parte della pioggia che non si infiltra evapotraspira: il metodo utilizzato dal modello per il calcolo dell’evapotraspirazione, è quello proposto da Blaney e Criddle.

 La parte di pioggia che origina lo scorrimento superficiale  è la componente  “netta” della precipitazione (pioggia lorda).

 La trasformazione della pioggia netta in portata alla sezione di chiusura è stata simulata mediante il modello di Clark ,  che schematizza il bacino come composto di due elementi: modello cinematico (o della corrivazione) e, in serie a questo, un serbatoio lineare.

Il contributo del deflusso generato dalla fusione del manto nevoso  viene calcolato con il metodo dell’indice di temperatura che utilizza come unica variabile la temperatura dell’aria.

 Le simulazioni, eseguite sul bacino “test” della Valmalenco hanno permesso di  valutare se il programma open-source Hec-Hms fosse idoneo per effettuare simulazioni in continuo relative a bacini montani, ed inoltre, di verificare la sensibilità del codice di calcolo ai parametri presenti nei moduli implementati all’interno del programma che permettono di simulare i fenomeni fisici di interesse.

I deflussi osservati alla sezione di chiusura del bacino del Mallero non hanno permesso di tarare il modello in modo soddisfacente, questo perché le portate naturali sono state calcolate, durante un precedente studio condotto sul medesimo bacino, a partire dalle portate turbinate dalle sei centrali idroelettriche presenti nella valle e dai volumi invasati all’interno dei serbatoi alpini.

Durante i periodi di piena, una parte consistente della portata non viene convogliata all’impianto, come si era ipotizzato inizialmente, ma viene scaricata immediatamente a valle dello stesso, questo non ha reso significativo il confronto tra i deflussi misurati e quelli naturali.

I risultati delle simulazioni sono stati confrontati quindi con i deflussi medi giornalieri (naturali) relativi alla stazione idrometrica di Fuentes.

Il confronto è stato reso possibile moltiplicando i deflussi simulati per il coefficiente di scala, calcolato come rapporto tra le aree dei due bacini (Valtellina e Valmalenco). Questo ha permesso di analizzare e quindi di tarare, almeno in prima approssimazione, i parametri principali relativi al modulo nivale ed alle perdite idrologiche.

 Lo studio della tendenza a lungo termine  e delle variazioni stagionali nelle lunghe serie storiche di grandezze climatiche ha utilizzato la procedura di campionamento di Gibbs con lo scopo di separare la tendenza a lungo termine e le variazioni stagionali sul periodo di durata delle osservazioni.

Sono state analizzate serie climatiche di temperatura e precipitazione mensili registrate nelle stazioni del Mallero e delle stazioni del Canton Ticino di Airolo, Faido, Biasca, (versante Sud delle Alpi) per confrontare i risultati delle simulazioni effettuate e individuare un’eventuale correlazione tra l’andamento tendenziale (componente a bassa frequenza) e la variazione stagionale (componente con periodo pari a 12 mesi).

 L’analisi è stata successivamente estesa a serie mensili di almeno 50 anni di osservazione di precipitazione e di temperatura in territorio svizzero (Airolo,  Biasca,  Faido,  Basilea,  Berna, etc.) allo scopo di validare il programma utilizzato e per analizzare come, la presenza dell’arco alpino incida sulla correlazione tra le componenti filtrate dal segnale di origine e come questo possa influire sui differenti regimi climatici.

 

Attività in corso

La necessità di validare il modello di calcolo, mediante il confronto dei deflussi simulati con quelli misurati nella stazione idrometrica di Fuentes (stazione per la quale sono disponibili una serie sufficientemente lunga di osservazioni di portate medie giornaliere), ha fatto estendere l’area di studio al bacino della  Valtellina.

Il periodo temporale considerato, in funzione dei dati climatici disponibili (precipitazioni, termometrie, deflussi), è quello compreso tra il 1990 ed 1995.

Sono state considerate 51 stazioni, sia automatiche (fonte A.R.P.A.) che meccaniche.

Il bacino è stato suddiviso in quattro Sottobacini in funzione dei differenti regimi climatici che possono caratterizzare la Valtellina:

-    Sottobacino Adda Superiore

-    Sottobacino Adda Frodolfo

-    Sottobacino Adda centrale Retico

-    Sottobacino Adda centrale Orobico

 

Sono stati quindi ricostruiti i dati giornalieri di precipitazione mancanti, per il periodo considerato, studiando la correlazione tra le osservazioni delle stazioni di misura ubicate all’interno di ogni Sottobacino, calcolando le altezze di precipitazione mancanti a partire dalle relazioni ottenute mediante l’interpolazione lineare multipla  tra la stazione in cui mancano i dati e quelle maggiormente correlate appartenenti allo stesso Sottobacino.

Per ogni Sottobacino sono state determinate le caratteristiche morfometriche richieste per l’utilizzo del modello di calcolo.

In modo analogo a quanto fatto per il bacino della Valmalenco, sono stati determinati, per ogni Sottobacino, gli input da assegnare al modello afflussi-deflussi (precipitazioni e temperature medie giornaliere riferite alle quote medie di ogni singolo Sottobacino).

 

L’attività è focalizzata attualmente sulla taratura del modello di calcolo Hec-Hms anche simulando  la presenza degli invasi regolati della Valtellina e quindi facendo in modo che l’output (portate medie giornaliere ad Adda Fuentes) risenta della regolazione dei serbatoi stessi.

Particolare attenzione è stata rivolta al modulo nivale implementato nel programma. Con il laboratorio di Telerilevamento è stato avviato lo studio allo scopo di valutare la percentuale di area di ogni singolo Sottobacino coperta da precipitazioni nevose e da nevi perenni (attualmente si fa riferimento a tutta la Valtellina).

L’analisi viene fatta mediante l’acquisizione di immagini satellitari che, opportunamente interpretate e associate alle misure puntuali a terra, possono offrire un valido contributo per la taratura del modulo nivale.

L’acquisizione delle immagini satellitari avviene mediante i sensori AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), in quanto, i dati satellitari forniti da questi sensori,  da un lato presentano risoluzione che possono apparire adeguate per l’utilizzo (circa 1 km di risoluzione spaziale), dall’altro forniscono una copertura temporale della  zona di interesse praticamente quotidiana per un ampio lasso temporale.

Al fine di voler fare uno studio sulle serie storiche delle coperture nevose presenti in Lombardia, essi appaiono i più indicati, in quanto sono disponibili dati pressoché quotidiani dall ’87 in poi. Di fondamentale importanza è la possibilità di avere più bande di frequenza su cui poter lavorare, soprattutto nella zona dell’infrarosso in cui vi sono bande su cui vi è la possibilità di discriminare al meglio la copertura nevosa da quella nuvolosa.

I dati provenienti dal sensore AVHRR vengono attualmente utilizzati per la determinazione della copertura nevosa, nuvolosa, della temperatura superficiale del mare e del terreno, l'osservazione della vegetazione, della neve e del ghiaccio, del mare e delle acque interne.

I dati disponibili dall’AVHRR, considerata la lunga operatività dei satelliti NOAA, consentono inoltre di realizzazione studi specifici sul monitoraggio in continuo degli ecosistemi ed in particolare lo studio degli eventuali cambiamenti in atto o già avvenuti.

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BIBLIOGRAFIA

Modelli stocastici afflussi-deflussi:

Kottegoda, N.T., Natale, L., 1994. Two component lognormal of irrigation affected low flows. Jour. Hydrology, 158, pp. 187-199.

Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., Saccardo, I., 1995. A stochastic model of daily flows for simulating low flows in a highly developed basin. Atti del convegno “Statistical & Bayesan Methods in Hydrological Sciences” - An international conférence in honour of Jacques BERNIER”, Paris, UNESCO, September 11-13, 1995.

Natale, L., Raiteri, E., 1996. Effects of seasonal water diversions on the probability distribution of low flows. Atti del convegno “Rivertech ’96 - 1st International Conference on New/Emerging Concepts for Rivers”, Chicago, Illinois, USA, September 22-26, 1996.

Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., 1999. Statistical modelling of daily streamflows using rainfall input and Curve Number technique. Journal of Hydrology, 234, pp. 170-186.

Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., 2000. Daily streamflow simulation using recession characteristics. Journal of Hydrologic Engineering (ASCE), 5, pp. 17-24.

         

Modelli pluviometrici e climatici

Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., 2003. A parsimonious approach to stochastic multisite modelling and disaggregation of daily rainfall. Journal of Hydrology, 274, pp. 44-61.

Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., 2004. Some considerations of periodicity and persistence in daily rainfalls. Journal of Hydrology, 296, pp.23-37.

 

Caratterizzazione della copertura nevosa mediante misure satellitari

G. Lisini, F. Dell’Acqua, P. Gamba, “Joint feature and pixel-based change detection in high resolution SAR data”, Proc of IGARSS’05, Seoul (Korea), 25-29 July.

G. Lisini, F. Dell’Acqua, G. Trianni, P. Gamba, “Comparison and combination of multiband classifier for Landsat urban cover mapping”, Proc of IGARSS’05, Seoul (Korea), 25-29 July.

G. Lisini, P. Gamba, F. Dell’Acqua, G. Trianni, W. Tompkinson, “Image interpretation through problem segmentation for very high resolution data”, Proc of IGARSS’05, Seoul (Korea), 25-29 July.

F. Dell’Acqua, P. Gamba,  G. Lisini, “Urban land cover mapping using hyperspectral and multispectral VHR sensors: spatial versus spectral resolution”, Proc. of URBAN 2005, Tempe AZ, USA 14-16 March 2005

G. Trianni, F. Dell’Acqua, P. Gamba, G. Lisini: “ENVISAT-1 data for urban area detection and characterization” Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2004. IGARSS '04. Proceedings. 2004 IEEE International Volume 2,  2004 Page(s):735 - 738.

 F. Dell’Acqua, P. Gamba, G. Lisini “3D Urban mapping jointly exploiting InSAR and LIDAR DEMs” Portland, OR, 17-19 June 2003. Unformatted CD

 G. Lisini, F. Dell’Acqua, P. Gamba, “Raster to Vector in 2D Urban Data”,  Proc of URBAN 07, Paris (Francia), 11-13 April

 

Bibliografia inerente al progetto

 Kottegoda, N.T., Natale, L., Raiteri, E., 2006. Gibbs sampling of climatic trends and periodicities. Journal of Hydrology.

Kottegoda, N.T., Natale, L., Reiteri., E., 2007.Detection of trends and periodicities in long climatic serie. ICID 22nd European Regional Conference.

Luigi Natale, Gabriele Bria, Paolo Gamba, Gianni Lisini.Automatic Northern and Southern Alpine Slopes Snow Extent Extraction: Short and Medium Term 2000 - 2006 Analysis. ICGRHWE,2007, Guangzhou, China.

Paolo Gamba, Gianni Lisini, Elena Merlin, Francesco Riva.Automatic Snow Extent Extraction in Alpine Environments: Short and Medium Term 2000 - 2006 Analysis.SPIE Remote Sensing,2007, Firenze.

Paolo Gamba, Gianni Lisini, Dario Bellingeri, Enrico Zini. Unsupervised and supervised snow monitoring and mapping for hydrological applications using remotely sensed data EARSEL 2007 Bolzano (Italy).

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