Nuovi strumenti modellistici applicati alla gestione e tutela della risorsa idrica PROGETTO TRUST (LIFE )

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1 IV CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA ACQUA E CITTA Giugno 2011, Venezia Nuovi strumenti modellistici applicati alla gestione e tutela della risorsa idrica PROGETTO TRUST (LIFE ) M. Ferri, M. Monego, D. Norbiato, F. Baruffi Autorità di Bacino dell Alto Adriatico (Venezia) (http://www.publ ywebitalia.com) Venezia,

2 Sommario 1. Introduzione 2. Modello idrologico 3. Applicazione all area di studio 4. Conclusioni e sviluppi

3 Tool for Regional scale assessment of groundwater Storage improvement in adaptation to climate change Finanziato da: Commissione Europea (Programma Life ) Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare ENTE BENEFICIARIO E COORDINATORE: Autorità di Bacino dell Alto Adriatico PARTNERS: European-Mediterranean Centre for Climate Change (CMCC) SGI Studio Galli Ingegneria S.p.A.. (SGI)

4 Progetto TRUST Problematiche L Alta Pianura Veneta e Friulana èsededi un importante sistema acquifero sfruttato da decenni a scopi acquedottistici, agricoli, industriali Negli ultimi anni gli acquiferi hanno evidenziato un cospicuo abbassamento dei livelli freatici e una depressurizzazione delle falde artesiane Art.4 (WFD) Dir. Acque 2000/60: gli Stati membri proteggono, migliorano e ripristinano i corpi idrici sotterranei, e assicurano un equilibrio tra l'estrazione e il ravvenamento delle acque sotterranee al fine di conseguire un buono stato delle acque sotterranee Obiettivi Mettere a punto degli strumenti atti a valutare i possibili impatti negativi sugli acquiferi connessi agli scenari di cambiamento climatico Considerare nella pianificazione a scala di bacino possibili scenari di cambiamento climatico e identificare obiettivi/misure di risposta adattative

5 Progetto TRUST Area di studio BRENTA PIAVE TAGLIAMENTO MODELLO IDROLOGICO LIVENZA TORRE MODELLO DI BILANCIO SOTTERRANEO BACCHIGLIONE Dati raccolti: 250 stazioni meteorologiche, 21 nivometriche, 60 idrometriche Periodo monitoraggio: 1/1/ /12/2008

6 Strumento per il bilancio idrico sotterraneo a scala regionale Geo-Database strutturato atto a caratterizzare i corpi idrici sotterranei (ed i relativi termini di bilancio) alla scala regionale Modello idrologico geomorfoclimatico Modello GIS per valutare il deficit idrico in base alla coltura (Remote sensing land use mapping) Modello di bilancio degli acquiferi sotterranei SCENARI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO Valutazione di diverse strategie di adattamento in funzione delle modificazioni attese nel bilancio idrico MAR (Managed Aquifer Recharge) TAVOLO TECNICO (stakeholders)

7 2 1. Introduzione 2. Modello idrologico 3. Applicazione all area di studio 4. Conclusioni e sviluppi

8 Moduli di calcolo del modello idrologico Estrazione reticolo idrografico da DEM Interpolazione spaziale di variabili climatiche (kriging) Modulo accumulo e scioglimento nivale Modulo trasformazione afflussi - deflussi Modulo di TARATURA automatica Modulo gestione serbatoi - derivazioni Modulo di propagazione dei deflussi (geomorfoclimatico)

9 Modulo di accumulo e scioglimento nivale SNOW MELT MODEL: Utah Energy Balance Snow Model (Tarboton et al.1996) (http://forum.ilmeteo.it) Separazione Precipitazione piovosa e nevosa (P p, P n ) Bilancio di energia Bilancio di massa 31/01/ /03/ /05/2001 Distribuzione spaziale dell accumulo nivale

10 Modulo di trasformazione afflussi-deflussi j EQUAZIONE DI BILANCIO: I E R S(t+ t)= S(t)+I(t)- Rsub(t)-L(t)-ET(t) L R sub I(t)= j(t)-r(t) S max volume massimo d acqua immagazzinabile nel terreno -> parametro ricavabile dall informazione relativa all uso e al tipo di suolo (metodo CN) R(t)= C(S(t)/S max ) j(t) se j(t) f=s max (S max -S(t))/(S max -CS(t)) j(t)-(s max -S(t)) se j(t)>f (De Smedt et al., 2000) (Liu et al., 2004) Rsub(t)= c(s(t)-s c ) L(t) = Ks [(e ß (S(t)-S c )/S max -1] / [(e ß (1-S c /S max ) -1] (Laio et al., 2001) ET(t) = ETP(t) w se S(t)>S pwp w=s(t)/s max ETP (Hargreaves&Samami)

11 Q( t) MODELLO GEOMORFOLOGICO DELLA RISPOSTA IDROLOGICA = t dt j ( t ) f ( t t ) 0 0 Ai 0 γ i 0 [Rinaldo et al., 2006] γ Γ i stato versante Distribuzione dei tempi di residenza nel singolo percorso: stato canale f ( γ t) = f ( t) f ( t) f ( t) f ( t) 1 v 1 c 1 c 3 c 5 f c (t) STATO CANALE Formulazione convettiva-diffusiva del trasporto L cella per cella f v ( t) = k v e k v t STATO VERSANTE k v [1/t] costante di tempo L media sottobacino Calcolo di k (=v/l) differenziato per le diverse tipologie di deflusso (superficiale, subsuperficiale) R(t) V(t) Q(t) Deflusso profondo Serbatoio lineare: Q(t)=kpV(t)

12 MODELLO GEOMORFOLOGICO DELLA RISPOSTA IDROLOGICA Calcolo della costante di tempo k per il deflusso superficiale Formulazione geomorfoclimatica Ipotesi di dipendenza della velocità (o tempo di residenza) superficiale dall entità dell evento, e quindi dall intensità della precipitazione efficace nelle precedenti trattazioni (Rodriguez-Iturbe et al., 1982, Hall et al., 2001, Verri et al., 2006): risposta idrologica del bacino ad un impulso unitario (IUH) dipendente da da: macrocaratteristiche del bacino (leggi di Horton, ordini di Strahler) intensità media della precipitazione efficace durante l evento Si vuole applicare l approccio climatico alla moderna trattazione geomorfologica (basata su una dettagliata descrizione della geometria del bacino) tempi di residenza dei percorsi fuori rete legati all intensità della precipitazione variabile nel corso del singolo evento, per descrivere in continuo l andamento della risposta idrologica

13 MODELLO GEOMORFOLOGICO DELLA RISPOSTA IDROLOGICA Calcolo della costante di tempo k per il deflusso superficiale Formulazione geomorfoclimatica Tempo di residenza nello stato versante Per ogni cella u v ( t) = k S y( t) s 2/3 funzione dell altezza d acqua y, della pendenza S e della scabrezza k s della cella direzioni di drenaggio celle canalizzate Per il calcolo di y si pone: u v ( t) = q( t) / y( t) dove q( t) = R( t) A B drenata è funzione dell intensità della precipitazione efficace R(t), dell area drenata (n celle drenanti x Area cella), della larghezza B della cella velocità variabile temporalmente in funzione dell intensità della precipitazione efficace

14 MODELLO GEOMORFOLOGICO DELLA RISPOSTA IDROLOGICA Calcolo della costante di tempo k per il deflusso superficiale tempo di residenza nello stato versante = somma dei tempi di permanenza nelle celle incontrate lungo il percorso γ dalla cella versante alla prima cella canalizzata T γ = γ L u cella v cella R(t) f1 f2 R(t) f1 f2 costante di tempo k variabile nel tempo e funzione di R(t) Q(t) f3 Q(t) f3 Formulazione tradizionale t Formulazione geomorfoclimatica t

15 3 1. Introduzione 2. Modello idrologico 3. Applicazione all area di studio 4. Conclusioni e sviluppi

16 APPLICAZIONE AI BACINI DI STUDIO Bacino del Brenta a Borgo (BRENTA) 201 km m s.l.m mm/anno Bacino dell Astico a Pedescala (BACCHIGLIONE) 137 km m s.l.m mm/anno CORDEVOLE FIORENTINA Saviner PIAVE BRENTA BRENTA Borgo Nervesa Pedescala Bassano ASTICO BACCHIGLIONE Bacino del Cordevole a Saviner (PIAVE) 109 km m s.l.m mm/anno Bacino del Fiorentina a Sottorovei (PIAVE) 57 km m s.l.m mm/anno Vicenza

17 APPLICAZIONE AI BACINI DI STUDIO Periodo di calibrazione: 1/12/2002-1/10/2005 Periodo di validazione: 1/10/2005-1/10/2008 CORDEVOLE FIORENTINA Saviner Astico a Pedescala simulata calibrazione simulata validazione osservata BRENTA Borgo Pedescala ASTICO Bassano PIAVE Nervesa Portata m 3 /s Vicenza Periodo di calibrazione: E NS =0.78 Periodo di validazione: E NS =0.7 (Nash-Sutcliffe, 1970)

18 APPLICAZIONE AI BACINI DI STUDIO CORDEVOLE FIORENTINA Saviner Precipitazione Portata misurata Portata simulata Cordevole a Saviner E NS =0.75 BRENTA Borgo 70 0 Pedescala ASTICO m 3 /s Vicenza Bassano PIAVE Nervesa Brenta a Borgo precipitation measured runoff simulated runoff mm/h portata (m 3 /s) Q simulata geomorfoclimatico Q misurata precipitazione /2/02 4/4/02 24/5/02 13/7/02 1/9/02 21/10/02 10/12/ 02 Fiorentina a Sottorovei E NS =0.71 E NS =0.8 (Nash-Sutcliffe, 1970) precipitazione (mm/ora)

19 ACCUMULO E SCIOGLIMENTO NIVALE Stazione Monte Ornella (2250 m s.l.m.) Bacino del Cordevole (PIAVE) 109 km m s.l.m mm/anno Monte Saviner Ornella (idrometria) (neve) Nervesa della Battaglia

20 MODELLO GEOMORFOCLIMATICO Q misurata Qsimulata geomorfoclimatico precip itazione M. Ornella (2250 m) Arabba Saviner /4/02 13/6/02 2/8/02 21/9/02 10/11/ Bacino del Cordevole (PIAVE) Q simulata geomorfologico Q simulata geomorfoclimatico 40 Q simulata Q geomorfologico geomorfoclimatico Q simulata geomorfologico Q simulata geomorfoclimatico NSE = 0.6 NSE = NSE = 0.79 NSE = 0.88 Efficacia nel riprodurre le fasi al colmo 0 24/4/02 29/4/02 4/5/02 9/5/02 14/5/02 19/5/02 24/5/ /10/02 31/10/02 10/11/02 20/11/02 30/11/02 10/12/02

21 PROIEZIONE DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI NELL AREA TRUST ( ) vs ( ) (A1B) scenario I cambiamenti nell evapotraspirazione e nella temperatura mostrano lo stesso segno L incremento della temperatura superficiale è circa uniforme in tutte le stagioni (+ 4 C) La precipitazione areale aumenta di circa il 20% durante l inverno e diminuisce nelle altre stagioni

22 IMPATTO DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI SUL BILANCIO IDROLOGICO DEI BACINI MONTANI Present-day mean monthly runoff ( ) Future mean monthly runoff ( ) + 65% - 45% - 15% -8% Winter Spring Summer Autumn (A1B) scenario Introduzione Introduction Modello idrologico Applicazioni Conclusioni e sviluppi

23 Strategie di adattamento al cambiamento climatico Misure per interventi di ricarica artificiale e analisi costi benefici Valutazioni a scala regionale: individuazione di possibili obiettivi di ricarica, analisi economica di confronto tra l opzione zero e le opzioni di ricarica degli acquiferi Sviluppo di strumenti e metodi per introdurre soluzioni MAR (Managed Acquifer Recharge) per la reintegrazione dello stock idrico sotterraneo dell Alta Pianura Veneto-Friulana a scala di bacino fluviale

24 AREE DI INFILTRAZIONE FORESTALE Introduzione Modello idrologico Applicazioni Conclusioni e sviluppi

25 Workshop finale 22 settembre 2011 VENEZIA Isola di San Giorgio - Murano

26 4 1. Introduzione 2. Modello idrologico 3. Applicazione all area di studio 4. Conclusioni e sviluppi

27 Conclusioni Modello geomorfoclimatico strumento affidabile per la determinazione degli apporti idrici superficiali Validazione a scala regionale grazie alla sinergia promossa tra Enti e Istituzioni coinvolte nel governo dell acqua (decisioni condivise) Inserimento del cambiamento climatico tra gli scenari di gestione dei bacini idrografici in accordo con la Direttiva 2000/60 (WFD)

28 28 Thank you for your attention!

29 Bibliografia. Dingman,S.L. Physical Hydrology,2nd Edition,Prentice Hall,p.646, Gupta, V.K., Waymire E. & Wang C.T., A representation of an istantaneous unit hydrograph from geomorphology, Water Resources Research,16(5), ,1980. Hall, M.J., Zaki A.F. & Shahin M.M.A. Regional analysis using Geomorphoclimatic Instantaneous Unit Hydrograph, Hydrology and Earth System Sciences,5(1), ,2001. Hargreaves, G.H. & Samani Z.A., Reference crop evapotranspiration from temperature, Applied Engrg. in Agric., 1, 96-99, Laio, F., Porporato A., Ridolfi L. & Rodriguez-Iturbe I. Plants in water-controlled ecosystems: active role in hydrologic processes and response to water stress II: Probabilistic soil moisture dynamics, Advances in Water Resources, 24, , Manfreda, S., Fiorentino M. & Iacobellis V., DREAM: a distributed model for runoff, evapotranspiration, and antecedent soil moisture simulation,adv.geosci.,2, 31-39,2005. Rinaldo,A.,Marani A. & Rigon R., Geomorphological dispersion,water Resources Research,28(4), ,1991. Rodriguez-Iturbe, I. & Valdes J.B. The geomorphologic structure of hydrologic response, Water Resources Research, 15(6), ,1979. Rodriguez-Iturbe, I., Sanabria M.G. & Bras R.L. A Geomorphoclimatic Theory of the Instantaneous Unit Hydrograph, Water Resources Research,18(4), ,1982. Rodriguez-Iturbe,I.& Rinaldo A., Fractal river basin,cambridge University Press, ,1997. Tarboton, D.G. & Luce C.H., Utah energy balance snow accumulation and melt model (UEB), computer model technical description and users guide, Utah Water Research Laboratory, Utah State University and USDA Forest Service, Intermountain Research Station,41, Tarboton, D.G.& Ames D.P. Advances in the mapping of flow networks from digital elevation data, in World Water and Environmental Resources Congress,Orlando,Florida,May 20-24,ASCE, Verri, G., Sato M. & De Prato F., Applicazione integrata di metodologie avanzate per la modellazione idrologica dell onda di piena del Torrente Cormor, 31 Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Perugia, 2008.

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