P alermo convegnoidraulica

Il modello Nuovo Adige (NewAge)
XXXII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche- Palermo 2010
D. Shawn - High Waters - 2004

G. Formetta, R. Rigon, S. Franceschi, S. Endrizzi , A. Antonello E. Cordano, and R.
Mantilla
Thursday, September 16, 2010

Prologo

Il governo dell’acqua
Andrea Rinaldo, 2010

2

Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010

Prologo

Tre domande

•Quali sono gli impatti dell'uso del suolo sull'idrologia ?
•Quali sono gli impatti della gestione dell'acqua sul ciclo idrologico dei bacini ?
•Qual e' la sensibilità dei flussi al cambiamento climatico ?

3


Prologo

Tre domande

•Quali sono gli impatti dell'uso del suolo sull'idrologia ?
•Quali sono gli impatti della gestione dell'acqua sul ciclo idrologico dei bacini ?
•Qual e' la sensibilità dei flussi al cambiamento climatico ?

... Sull'idrologia: piene e magre, ma anche contenuto d’acqua del
suolo, evaporazione e (almeno) statistiche sulla copertura nevosa
stagionale e il contenuto d’acqua equivalente

3


La struttura di NewAge

Serve qualcosa di più di un modello

•Un GIS per la gestione dei dati in
Input ed Output

•Un DB SQL per per per contenere i
dati
geografici e numerici

Output

•E magari uno strumento web-
based per scaricare i dati del DB in
•Rosso et al., 1992 locale senza fare complicate query
SQL

6


I processi

Serve qualcosa di più di un modello di afflussi -deflussi
Radiazione
Elementi del bilancio idrico

Precipitazione
Temperatura dell’aria
Umidità dell’aria
Vento

Le forzanti atmosferiche e radiative sono derivate da
misure e interpolate

5


I dati!

6


I processi


Terreno, versanti, reticoli idrografici, separazione versanti - canali

I dati digitali del terreno sono trattati con JGrass e i dati
del reticolo e dei versanti immagazzinati in un sistema DB
geografico (SQL per i dati vettoriali, un data server
RAMADDA per i dati raster). Il reticolo è organizzato
secondo un ordinamento alla Pfafstetter (Verdin e Verdin,
1999) in accordo alla metadazione suggerita dalla direttiva
europea INSPIRE.

7


I processi

Radiazione

Precipitazione
Vento


Vegetazione Il bilancio idrico del
versante

Neve

Suolo non saturo

Falda

8


I processi e l’interazione con le infrastrutture idrauliche

Radiazione

Precipitazione
Vento


Vegetazione

Neve

Suolo non saturo

Falda

Canali Laghi Derivazioni

9


I processi

Il buon vecchio bilancio idrologico

10


I processi

Il buon vecchio bilancio idrologico

ma con dentro le opere idrauliche! 10


Azione!

Per ogni passo temporale

Meteo

Rainfall/Snow Radiation Atm. Turbulence

11


Azione!


Meteo


Snow/Energy budget

12


Azione!


Meteo


Suitable modiﬁcation of:

Snow/Energy budget Utah Energy Balance
(UEB) Snow Model

12


Azione!

NewAge

Hillslope Storage
Dynamics

Surface flows
Aggregation

Channel flow

Il prossimo passo temporale
13


Azione!

NewAge

Duffy et al, 1996 Hillslope Storage
Duffy’s storage model
Dynamics

Surface flows
Aggregation

Channel flow

13


Azione!

NewAge

Duffy et al, 1996 Hillslope Storage
Duffy’s storage model
Dynamics

Mantilla and Gupta, 2005 Surface flows
Aggregation Cuencas

Channel flow
Semi-implict solver of
the de Saint-Venant 1D

13


Back to the geometry

Qualcuno le chiama Hydrologic Runoff-Units
Rinaldo, Geomorphic Flood Research, 2006

noi li chiamiamo versanti e canali 14


Back to the geometry

Per ogni variabile che entra nel ciclo idrologico
e per ogni passo temporale
è effettuata una statistica delle quantità idrologiche da cui sono
valutate le medie che sono il risultato dei modelli

così, si hanno 5 valori delle variabili prognostiche che rappresentano
medie spazio-temporali di che cosa accade all’interno di ogni versantie
15


Semi-Distributed

16


I processi

Precisamente
per ogni versante si calcola

•la precipitazione media (neve e acqua)
•la radiazione (sfruttando una vecchia idea Ian Moore)

•l’evapotraspirazione media
•l’equivalente in acqua della neve al suolo
•la produzione di deflusso

17


Non diamo i modelli troppo per scontati

Schema concettuale del bilancio di versante
i -AET r = i- PET

i = infiltrazione Suolo non saturo
r = deflusso superficiale S1
su suoli saturi
qs = deflusso sub-
superficiale
qf = deflusso tra zona qf qr = i-
insatura e falda
S 1 = volume d’acqua Falda
nella zona insatura S2 qs
S2 = volume d’acqua
nella falda

After Duffy, 1996
18




S1 = Volume d’acqua
nell’insaturo
dS1
= A1 (i − AET − qf )
dt S2 = Volume d’acqua
nell’insaturo

dS2
= A1 (qf − qs ) A1 = area non satura
dt A2 = area satura

qr = A2 (i − PET)

After Duffy, 1996
19




A1 = A − A2
A2 = d4 (S2 − S2 )
0

qf = d0 (S1 − S1 )
0
+ d1 (S1 + d2 )(S2 − S2 )
0 2

qs = d3 (S2 − S2 )
0

After Duffy, 1996
20



Poi il deflusso e aggregato

e infine “routed” con un algoritmo simile a Muskingum-Cunge, o, quando si
vuole integrando l’equazione di de S. Venant 1D (come V. Casulli) 21



22



La propagazione della portata nei canali
 
dqi
= K(qi ) Ai (qr + qs )i + qj − qi 
dt j

3 1/3 2/3 −1/3
K(qi ) = qi Cf B Li γ 1/3
2
B

23



Cosi, per esempio le portate ..


Si possono determinare in tutti i punti
significativi del reticolo 24



Se c’è un invaso


qui

25



Bene: si possono avere le portate a monte e a valle e
inserire le operazioni di controllo

naturalmente avendo le caratteristiche dell’invaso. 26



MA

per farlo senza problemi, e alla bisogna, si è dovuto implementare una opportuna
strutturazione topologica del reticolo idrografico e implementarla in un sistema
object-oriented-geographic.

NewAge lo fa!

dettagli nel manuale e in Antonello et al., da sottomettere

27


Un run

Il bacino dell’Adige chiuso a Bolazno

Area: 2600 km2
Max height: 3800 m

Min height: 250 m

11


Un run

Simulazione Estiva: da 2009-06-01 to 2009-09-01

Measured Discharge
Simulated Discharge

Area: 2600 km2
Max height: 3800 m

Min height: 250 m

11


Un run


Simulazione Invernale: da 2008-10-01 to 2009-03-01

Measured Discharge
Simulated Discharge

Area: 2600 km2
Max height: 3800 m

Min height: 250 m

11


L’idraulica è più semplice dell’idrologia !

La propagazione nei canali - de Saint Venant 1D

∂Q ∂α u Q ∂η Q
+ + g A + g ieA = −q
∂t ∂s ∂s A
∂η ∂Q
B + =q
∂t ∂s
B

η

29



Propagazione: attivazione delle
immissioni e delle derivazioni

immissione
Leno



Propagazione: attivazione delle
immissioni e delle derivazioni

immissione derivazione
Leno Montecatini


E, infatti ...

Il valore medio basta ?

dal punto di vista della portata (vista come risultato) potrebbe essere: è una
quantità aggregata. In generale dipende non solo dalla quantità osservata, ma
anche dalle intenzioni d’uso dell’osservatore.

ma, nello stesso tempo, potrebbe non essere sufficiente per altre grandezze. Infatti:

per valutare l’evapotranspirazione si deve almeno valutare la distribuzione
spaziale di radiazione, vegetazione e contenuto d’acqua del suolo.

per l’evoluzione dell’evoluzione dello stato della neve si deve almeno fare
riferimento alla variazione neve, bisogna almeno avere la validità della radiazione.

32


E, infatti ...

Allora

Ogni versante è suddiviso ulteriormente in

- fasce altimentriche

- classi di radiazione (bande energetiche)

- classi di uso del suolo

E’ su questa base che vengono valutate anche le medie
dei processi: ma in futuro verrà studiata anche la
dinamica delle loro distribuzioni

33


E, infatti ...

34


L’infrastruttura di NewAge

L’insieme
external
users web
database

Interfaces
(Java/udig/JGrass/BeeGIS)

Analysis Models
Tools (UNITN/R) (UNITN/OMS3)

Database
(PostgresSQL/PostGIS/HSQL/H2/CUAHSI)

35



Un modello ?

36



Un modello ?

no ... centomila

36



Questi modelli si parlano

Sono infatti “componenti” che sono sviluppate secondo un protocollo
OMS3 e che possono essere aggiunti o al “run time” senza ricompilazione
del codice

37


La calibrazione di NewAge

Let’s play!
A snapshot of using DREAM (Vrugt et al, 2008)

38


And Beyond

Altre Tre domande

Si può calibrare un modello complesso ?

Quanto è vero un modello ? Quanto sono veri i dati ?

Quant’è l’informazione contenuta nel segnale da prevedere ? Quando si
può definire un modello parsimonioso ?

39


Grazie per l’attenzione !

m-idro
MIGG


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