IL BILANCIO IDRICO DI SUPERFICIE

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1 AdB Adige CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell Adige IL BILANCIO IDRICO DI SUPERFICIE Prof. Riccardo Rigon, Ing. Andrea Antonello, Ing. Silvia Franceschi Ing. Erica Ghesla, Ing. Davide Giacomelli Verona, 18 marzo 2008

2 AdB Adige CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell Adige users web external database Interfacce (Java/JGRASS) Tools di analisi (UNITN/R) Modelli (UNITN/OpenMI) Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)

3 AdB Adige CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell Adige Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)

4 Livello 1 Livello 2 Livello 3 Livello 4 Livello 5 Possibilità di calibrare la mole di dati sulle esigenze della simulazione Diversi dettaglio Contiene geometrie della livelli rete adidiversi ordini di dettaglio: Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello

5 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Oltre a bacini e corsi d acqua contiene:nodi della rete Esistono due tipologie di nodi Nodi topologici: inizio-fine canale, confluenze Punti monitoraggio: idrometri serbatoi punti restituzione opere di presa stazioni meteo

6 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Ai punti di monitoraggio sono legati i dati delle serie temporali: Punti monitoraggio: idrometri serbatoi punti restituzione opere di presa stazioni meteo

7 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Quadro riassuntivo delle stazioni di misura i cui dati sono contenuti nel database

8 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Esempi di query al database: 1. Estrazione dal database delle informazioni riguardanti le serie temporali di portata; 2. Estrazione riguardati stazione. dal database delle informazioni i dati registrati in una determinata

9 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) 1. Estrazione dal database delle informazioni riguardanti le serie temporali di portata: SELECT pm.id,pm.nome,pm.provincia,md.descrizione,md.origine_dati,md.ente_riferimento,tst.descrizione as tipologia_serie, min(st.dataora) as inizio_periodo,max(st.dataora) as fine_periodo,count(st.dataora) as numero_dati FROM punti_monitoraggio pm,metadati md,tipologia_serie_temporali tst,serie_temporali st WHERE pm.id=md.punti_monitoraggio_id AND md.tipologia_serie_temporali_id=tst.id AND st.metadati_id=md.id AND md.tipologia_serie_temporali_id=0 Campi che vengono restituiti nella query GROUP BY pm.id,md.descrizione,md.origine_dati,md.ente_riferimento,pm.nome,pm.provincia,tst.descrizione ORDER BY pm.id Tabelle che vengono interrogate nella query Vincoli per l esecuzione della query

10 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) SELECT pm.id,pm.nome,pm.provincia,md.descrizione,md.origine_dati,md.ente_riferimento,tst.descrizione as tipologia_serie, min(st.dataora) as inizio_periodo,max(st.dataora) as fine_periodo,count(st.dataora) as numero_dati FROM punti_monitoraggio pm,metadati md,tipologia_serie_temporali tst,serie_temporali st WHERE pm.id=md.punti_monitoraggio_id AND md.tipologia_serie_temporali_id=tst.id AND st.metadati_id=md.id AND md.tipologia_serie_temporali_id=0 GROUP BY pm.id,md.descrizione,md.origine_dati,md.ente_riferimento,pm.nome,pm.provincia,tst.descrizione ORDER BY pm.id Risultato della query:

11 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello SELECT pm.nome,st.dataora,st.valore,md.unita,st.intervallo,st.metadati_id FROM punti_monitoraggio pm,metadati md,serie_temporali st WHERE pm.id=115 AND pm.id=md.punti_monitoraggio_id AND md.id=st.metadati_id AND md.tipologia_serie_temporali_id=0 AND st.dataora between ' ' AND ' ' GROUP BY pm.nome,st.dataora,st.valore,md.unita,st.intervallo,st.metadati_id ORDER BY st.dataora Risultato della query: Condizione che identifica la stazione scelta: id=115 corrisponde all idrometro Adige a Tell Condizione che identifica l intervallo temporale scelto: dal al

12 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) 2. Estrazione dal database delle informazioni riguardati i dati registrati in una determinata stazione meteorologica (Lasa): SELECT Astext(pm.shape) as coordinate,pm.id,pm.nome,pm.quota,pm.comune,pm.provincia,pm.regione,tn.descrizione FROM punti_monitoraggio pm,tipologia_nodi tn WHERE pm.tipologia_nodi_id=tn.id AND pm.nome = Lasa Risultato della query:

13 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) SELECT md.id, md.punti_monitoraggio_id, md.descrizione, md.unita, md.ente_riferimento, md.origine_dati, tst.descrizione FROM metadati md,tipologia_serie_temporali tst WHERE md.tipologia_serie_temporali_id=tst.id AND md.punti_monitoraggio_id=1133 Condizione che identifica la stazione scelta: punti_monitoraggio_id=1133 corrisponde alla stazione meteo di Lasa Risultato della query: Conoscendo l id che identifica i metadati che descrivono le singole serie temporali è possibile estrarre i dati di serie temporale relativi alle diverse grandezze registrate

14 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Precipitazione (id=216) Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Velocità vento (id=217) Temperatura aria (id=219) Lasa Direzione vento (id=218) La serie temporali sono così ricondotte al punto sulla mappa in cui sono state raccolte

15 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Sono stati costruiti appositi tools per gestire l inserimento e la creazione delle geometrie e dei dati necessari al funzionamento dei modelli: Inserimento geometrie; Posizionamento delle sezioni trasversali; Intersezioni con i laghi; Calcolo delle portate derivabili; Aggiornamento delle serie temporali.

16 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) INSERIMENTO GEOMETRIE Trasferisce le geometrie dagli shapefile alle tabelle del database; Estrae dalle geometrie i nodi topologici; Crea le corrispondenze tra le entità geometriche: bacini, canali, nodi.

17 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) POSIZIONAMENTO SEZIONI TRASVERSALI Trova l intersezione tra la rete idrografica e le sezioni trasversali; Calcola la progressiva dei nuovi punti trovati e aggiorna la rete; Trasferisce le informazioni relative ai nuovi punti nelle tabelle di analisi.

18 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) INTERSEZIONI CON I LAGHI Trova l intersezione tra la rete idrografica e le geometrie dei laghi; Identifica e distingue i punti di entrata nel lago da quelli di uscita; Trasferisce le informazioni relative ai nuovi punti nella tabella punti di monitoraggio.

19 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) CALCOLO DELLE PORTATE DERIVABILI Calcola la massima portata derivabile nei diversi periodi dell anno, per la destinazione d uso selezionata.

20 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) AGGIORNAMENTO SERIE TEMPORALI Riscrive i file dei dati di serie temporale in linguaggio SQL; Assegna le serie ai rispettivi metadati e alle rispettive stazioni; Consente la creazione di eventuali nuovi metadati.

21 AdB Adige CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Adige a Tell La serie temporale è così ricondotta al punto sulla mappa in cui è stata raccolta

22 AdB Adige CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell Adige Database (PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI) Problemi: - Non tutte le stazioni sono presenti - L aggiornamento dei dati presenti non avviene secondo protocolli standard - Non tutte le derivazioni maggiori sono quantificate - Mancano i dati degli invasi

23 AdB Adige CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell Adige Modelli (UNITN/OpenMI)

24 Modelli (UNITN/OpenMI) L'approccio alla modellazione idrologica è distinto per le zone periferiche del bacino dell'adige, dove è preponderante il deflusso naturale, e per l'asta principale dove invece è fondamentale considerare le opere artificiali: Zone periferiche del bacino: viene applicato un modello afflussi deflussi per il calcolo della portata Asta principale: si applica un modello di propagazione monodimensionale della portata tenendo in considerazione eventuali immissioni e derivazioni sia naturali che artificiali.

25 Meteo Neve Modelli (UNITN/OpenMI) Evapotraspirazione Serbatoi e derivazioni Deflusso: Generazione e propagazione

26 Modelli (UNITN/OpenMI) Meteo -Modello di interpolazione spaziale delle piogge con kriging Interpolazione spaziale delle temperature Evapotraspirazione modello per il calcolo dell'evapotraspirazione potenziale Neve Modello per la stima dell'altezza di neve al suolo a fasce altimetriche Infiltrazione modello di divisione delle piogge e di infiltrazione Deflusso modello di deflusso su base geomorfologica

27 TUTTO SULLA BASE DEL BACINO Modelli (UNITN/OpenMI): INFORMATICO the (digital watershed) I dati per la modellazione idrologica che vengono estratti automaticamente dal DB sono: dati geometrici (struttura del reticolo idrografico) serie temporali (idrometri e stazioni meteo) dati delle derivazioni dati dei serbatoi Secondo il modello utilizzato il territorio del bacino selezionato, chiuso alla sezione di chiusura, viene suddiviso in: nodi: punti singolari interni al bacino quali: idrometri, serbatoi artificiali, laghi, punti ove si vuole conoscere la portata simulata; macrobacini: aree racchiuse dalle linee di displuvio e da un nodo, o interposte tra due nodi successivi; bacini elementari: unità idrologica di base (livello di dettaglio 5 nel DB) caratterizzati da area inferiore ai 2 km 2.

28 Modelli (UNITN/OpenMI): database dinamico le geometrie per l'elaborazione dei modelli vengono ricreate ogni volta ad hoc per la simulazione grazie ad una particolare gerarchizzazione del reticolo idrografico basata sul metodo di Pfafstetter.

29 Modelli (UNITN/OpenMI): la creazione delle geometrie della rete Con questo metodo si ricavano gli elementi di monte noto il numero di Pfafstetter del tratto di rete selezionato, è quindi possibile navigare la rete e ricostruire i bacini. In questa fase vengono creati i macrobacini chiusi nei nodi che l'utente selezionerà come validi per la simulazione in corso.

30 Modelli (UNITN/OpenMI): la creazione delle geometrie della rete

31 Modelli (UNITN/OpenMI): selezione della sezione di chiusura

32 Modelli (UNITN/OpenMI): selezione della sezione di chiusura

33 Modelli (UNITN/OpenMI): visualizzazione dei macro bacini

34 nodi non attivi Modelli (UNITN/OpenMI): macro bacini

35 Meteo I dati meteorologici utilizzati dai modelli sono: pioggia temperatura pressione umidità velocità del vento radiazione solare Questi dati vengono ragguagliati sul sottobacino elementare.

36 Meteo

37 Neve modello distribuito che divide ogni bacino elementare (area max 5 km2) in fasce altimetriche e bande energetiche calcola la quantità di precipitazione che si deposita e l'eventuale scioglimento della neve al suolo funge da filtro tra le piogge misurate ed il modello idrologico modificando gli input di pioggia al modello

38 Deflusso

39 Propagazione il modello di propagazione risolve le equazioni di Saint Venant per determinare le variabili idrodinamiche nel caso unidimensionale l'integrazione numerica del modello monodimensionale viene fatta usando uno schema alle differenze finite si pone come condizione iniziale su tutto il tratto la condizione di moto uniforme per la prima portata in ingresso si definiscono le condizioni al contorno a monte e/o a valle a seconda del regime della corrente si possono utilizzare sezioni generiche (direttamente i dati misurati) sono calcolate le immissioni e le derivazioni di portata

40 Propagazione: immissioni e derivazioni derivazione sull'adige: origine del canale Montecatini

41 Propagazione: immissioni e derivazioni immissione in Adige del canale Montecatini derivazione sull'adige: origine del canale Biffis

42 Propagazione: immissioni e derivazioni

43 Propagazione: profilo longitudinale Villa Lagarina Marco

44 Interfacce (Java/JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS

45 Interfacce (Java/JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS

46 Interfacce (Java/JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database

47 INTERFACCIA GRAFICA: JGrass Interfaccia (JGRASS) LAYERS VIEW CONNESSIONE AL DATABASE

48 VISUALIZZAZIONE DEGLI ATTRIBUTI Interfaccia (JGRASS)

49 Interfaccia (JGRASS)

50 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)

51 INTERFACCIA GRAFICA: JGrass Interfaccia (JGRASS)

52 Interfaccia (JGRASS)

53 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM) individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena

54 Interfaccia (JGRASS)

55 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM) individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena Comanda l esecuzione dei modelli Selezione dei modelli da utilizzare

56 Interfaccia (JGRASS)

57 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM) individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena esecuzione dei modelli attivazione e disattivazione dei punti di monitoraggio come dighe ed idrometri

58 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM) individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena esecuzione dei modelli selezione dei modelli da utilizzare definizione dei parametri da utilizzare

59 Interfaccia (JGRASS): definizione parametri di simulazione

60 ESECUZIONE DELLE SIMULAZIONI IN JGRASS Visualizzazione del risultato della simulazione: portata misurata e portata simulata pioggia e contributo nivale Interfaccia (JGRASS): esecuzione di una simulazione

61 Propagazione: idrogramma di portata a villa Lagarina 12/09/ /2007

62 MODELLO DI PROPAGAZIONE Idrogramma Propagazione: di portata immissioni immessa del Leno dal Leno

63 MODELLO DI PROPAGAZIONE Propagazione: derivazione dal Montecatini Idrogramma di portata derivata dal Montecatini

64 MODELLO DI PROPAGAZIONE Profilo moto uniforme t = 0 Propagazione: profilo di moto uniforme

65 Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni

66 Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni immissione Leno

67 Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni immissione Leno derivazione Montecatini

68 MODELLO DI PROPAGAZIONE Problematiche riscontrate Propagazione: problematiche riscontrate IMMISSIONI DI PORTATA: le immissioni artificiali devono essere calcolate considerando la portata derivata e le eventuali derivazioni presenti sul canale artificiale: queste immissioni devono conoscere la derivazione che le ha generate le immissioni naturali possono essere inserite dall'utente oppure calcolate con il modello idrologico. Di alcuni potrebbero esserci i dati di portata/livelli misurati alle confluenze (da raccogliere). DERIVAZIONI DI PORTATA: in generale non si conoscono i valori nel tempo, si conoscono solamente i valori di portata massima concessa in derivazione derivazioni per canale artificiale devono essere memorizzate per il calcolo al momento della reimmissione in Adige derivazioni che non rientrano in Adige vengono calcolate e non sono più utilizzate in altri contesti

69 Propagazione: problematiche riscontrate PROFILO LONGITUDINALE: Considerando i minimi delle sezioni il profilo longitudinale del corso dell'adige è molto irregolare, ci sono avvallamenti di 3m di profondità in distanze dell'ordine del chilometro. CONDIZIONI AL CONTORNO: Come condizioni al contorno di monte e di valle si considerano le portate e i livelli negli idrometri. Se la condizione di valle è un livello definito il modello auto-calibra la soluzione finale. Per avere i livelli agli idrometri è necessario conoscere gli zeri idrometrici o le scale delle portate degli idrometri sull'adige.

70 Interfaccia (JGRASS) GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'università di Trento in collaborazione con HydroloGIS dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS visualizza i dati vettoriali presenti nel database visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM) individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena esecuzione dei modelli selezione dei modelli da utilizzare definizione dei parametri da utilizzare visualizzazione dei risultati della simulazione possibilità di salvataggio delle simulazioni nel database HSQL e Postgres/PostGIS

71 Neve

72 INTEGRAZIONE DEI MODELLI OpenMi: metodologia standardizzata di integrazione dei modelli possibilità di interscambio dei modelli da utilizzare per uno stesso calcolo gestione del ciclo temporale direttamente da JGrass possibilità di integrare modelli scritti in linguaggi diversi: Java, Fortran, C possibilità di usare altri modelli già OpenMi compliant (Sobek, HecRAS, Mike 11...)

73 Grazie per la vostra attenzione