Giornate dell Idrologia della Società Idrologica Italiana 2014 Arcavacata di Rende, 26-28 Novembre 2014 Cosa preannunciano i sistemi di preannuncio D. Biondi 1 e P. Versace 1 1 Dipartimento di Ingegneria Informatica, Modellistica, Elettronica e Sistemistica
Schema generale di un sistema di allertamento Fase conoscitiva Fase di Previsione Fase Di Monitoraggio / Sorveglianza Fase di gestione dell emergenza Volta a definire e aggiornare gli elementi tecnicoscientifici di base Previsione degli effetti al suolo indotti dalla situazione meteorologica prevista Verifica del livello di criticità in essere/previsto: confronto misure rilevate-soglie adottate e/o informazioni osservatori locali Messa in atto delle azioni di contrasto degli effetti, contenimento danni e gestioni degli interventi 1) Suddivisione del territorio in zone di allerta omogenee 2)definizione tipo rischio 3) Determinazione e aggiornamento del sistema soglie Emissione del Bollettino/Avviso di criticità idrogeologica e idraulica Emissione del bollettino di aggiornamento sulla situazione meteoidrometrica
Fase conoscitiva: Definizione scenari di evento per rischio idrogeologico e idraulico Scenario Fenomeni meteo-idro Scenario d'evento Scenario 0 Localizzati e intensi 1 2 3 Diffusi, non intensi, anche persistenti Diffusi, intensi e/o persistenti 3 Diffusi, molto intensi e persistenti - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. GEO - Possibili cadute massi. Fenomeni meteo-idro - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale - Limitati fenomeni di alluvionamento nei tratti montani dei bacini a regime torrentizio - Repentini innalzamenti dei livelli idrometrici dei corsi d acqua minori - Fenomeni di rigurgito dei sistemi di smaltimento delle acque meteoriche - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. GEO - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. - Incrementi dei livelli dei corsi d acqua generalmente contenuti all interno dell alveo. IDRO - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. IDRO 0 Localizzati e intensi 1 Diffusi, non intensi, anche persistenti 2 Diffusi, intensi e/o persistenti GEO -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, in contesti geologici particolarmente critici. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. Diffusi, molto intensi e persistenti - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, trasporto IDRO solido e divagazione dell alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. GEO IDRO - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, anche di grandi dimensioni. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di aree anche distanti dai corsi d'acqua. - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro.
Scenari di evento: rischio idrogeologico e idraulico Fenomeni meteo-idro Localizzati e intensi Diffusi, non intensi, anche persistenti Diffusi, intensi e/o persistenti Diffusi, molto intensi e persistenti GEO IDRO GEO IDRO GEO IDRO GEO IDRO Scenario d'evento - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. - Possibili cadute massi. - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale - Limitati fenomeni di alluvionamento nei tratti montani dei bacini a regime torrentizio - Repentini innalzamenti dei livelli idrometrici dei corsi d acqua minori - Fenomeni di rigurgito dei sistemi di smaltimento delle acque meteoriche - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. - Incrementi dei livelli dei corsi d acqua generalmente contenuti all interno dell alveo. - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, in contesti geologici particolarmente critici. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, trasporto solido e divagazione dell alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, anche di grandi dimensioni. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di aree anche distanti dai corsi d'acqua. - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro. 137 zone di allerta
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Criticità/Cod./Colore Fenomeni meteo-idro Scenario d'evento Ordinaria Moderata Elevata Ordinaria Moderata Elevata Localizzati e intensi Diffusi, non intensi, anche persistenti Diffusi, intensi e/o persistenti GEO IDRO GEO IDRO GEO IDRO GEO Diffusi, molto intensi e persistenti IDRO - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. - Possibili cadute massi. - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale - - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. - Incrementi dei livelli dei corsi d acqua generalmente contenuti all interno dell alveo. - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, in contesti geologici particolarmente critici. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, trasporto solido e divagazione dell alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di versante, anche di grandi dimensioni. - Possibili cadute massi in più punti del territorio. -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di aree anche distanti dai corsi d'acqua. - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro.
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Ordinaria Moderata Elevata Ordinaria Moderata Elevata Gravità ed estensione dei fenomeni Probabilità si verifichi il fenomeno Precursore del fenomeno OFF - probabilità di accadimento nulla o trascurabile ON - probabilità di accadimento non trascurabile
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Criticità = Scenario d evento Come si decide? Cosa si fa?
Sistemi di preannuncio delle piene e delle frane indotte da pioggia Sistema di RILEVAMENTO Radar Meteorologico Sensori Satellitari Rete di Monitoraggio al suolo Pluviometri Idrometri Inclinometri Altri strumenti Sistema di PREVISIONE Trasformazione Afflussi - Deflussi Innesco Frane indotte da pioggia Previsione delle Piogge Propagazione Onda di Piena Propagazione della frana DECISORE Assente Ordinaria Moderata Elevata Criticità
Modelli previsionali PQPF QPF Altri input
Modelli previsionali
Soglie pluviometriche Criticità Elevata Criticità Moderata Criticità Ordinaria Periodo di ritorno Equilibrio MA-FA Soluzioni di modellazione inversa Numero superamenti tollerabile Eventi del passato Criticità Elevata Criticità Moderata Criticità Ordinaria
Soglie idrometriche franco Sezioni critiche P[Q eff >Q cr ] Portata critica = portata di guardia
Tempi di preannuncio vs tempi di intervento Previsione del precursore Nowcasting Tempo di risposta Tempo evoluzione del fenomeno Occorrenza del precursore Innesco di Piene/Shallow landslides Impatto tempo di intervento Previsione del precursore Nowcasting Occorrenza del precursore Tempo di risposta Innesco di Piene/Shallow landslides Tempo evoluzione del fenomeno Impatto
Prevedibilità degli eventi, precursori e incertezza Evoluzione temporale del fenomeno Dimensioni piccole Dimensioni medie Dimensioni grandi Previsioni meteorologiche (PQPFs/radar/satellite) Precipitazione/Pluviometri Livello idrometrico/idrometri Incertezza
Possibile alternativa: attribuire ad ogni scenario/criticità una classe di probabilità Es. Classi di probabilità Nulla < 1% 1%<Bassa<5% 5%<Media<20% Alta>20% Scenario d'evento Fenomeni meteo-idro 0 Localizzati e intensi 1 Diffusi, non intensi, anche persistenti 2 Diffusi, intensi e/o persistenti 3 Ordinaria 0-1 Diffusi, molto intensi e persistenti Criticità/Scenario Moderata 2 Elevata 3 N V V V Probabilità B V G A M G A R A A R R
NOTHING SPECIAL BE AWARE BE PREPARED TAKE ACTION Da Casagli, Landslides Monitoring, Geological and Hydraulic Safety along Motorways and Railways, Cosenza 25-26 novembre 2014
Un metodo per la valutazione dell incertezza: il BFS (Bayesian Forecasting System) Precipitazione Altri input Modello Idrologico deterministico Precipitation Uncertainty Processor (PUP) Hydrologic Uncertainty Processor (HUP) Integratore (INT) Ψ n ( y n y 0 ) Incertezza predittiva
Valutazione dell incertezza idrologica Incertezza idrologica: - Struttura del modello - Stima dei parametri - Stima altri ingressi - Precipitazione non affetta da errori Precipitazione Modello Idrologico deterministico Altri input P t 0 t 1 t 2 t 3 Modello a priori Hydrologic Uncertainty Processor (HUP) y 0 y 1? y 2? y 3? t 0 s 1 s 2 y =portata effettiva; s=portata prevista dal modello; s 3
Valutazione dell incertezza idrologica Anticipo di 1 ora Qcr Qcr Qcr Piove poco Piove poco Piove poco Piove molto Piove molto Piove molto Distribuzione a priori (basata solo su y 0 ) Distribuzione a posteriori (basata su y 0 e previsione modello s 1 =2 m 3 /s) Distribuzione a posteriori (basata su y 0 e previsione modello s 1 =15 m 3 /s) (Biondi et al., 2010)
Valutazione dell incertezza associata alla previsione della precipitazione Probabilistic Quantitative Precipitation Forecast (PQPF) P t 0 t 1 t 2 Precipitazione prevista Modello Idrologico deterministico Altri input y 0 y 1? y 2? t 0 s 1 s 2 y =portata effettiva; s=portata prevista dal modello; Precipitation Uncertainty Processor (PUP) Ipotesi di modello idrologico perfetto
Applicazione ad un evento b) Distribuzione a priori (basata solo su y 0 ) PD m 3 /s 30 25 20 15 10 5 95% 75% 50% 25% 5% observed discharge a) m 3 /s 30 25 20 15 10 5 95% 75% 50% 25% 5% observed discharge Incertezza precipitazione UD 0 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 0 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 Incertezza idrologica HD c) m 3 /s 30 25 20 15 10 95% 75% 50% 25% 5% observed discharge d) 30 25 20 15 10 5 5 0 0 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 m 3 /s 95% 75% 50% 25% 5% observed discharge Incertezza Totale TD (Biondi & De Luca, 2012)
Sintesi di più eventi Anticipo n = 1 ora Box-plot ampiezza della fascia di previsione (Biondi & De Luca, 2012)
b) 35 30 PD Inside Interquartile Outside Interquartile a) 35 30 UD Inside Interquartile Outside Interquartile Accuratezza nella previsione degli eventi osservati 50% quantile (m 3 /s) c) 50% quantile (m 3 /s) 25 20 15 10 40% 5 RMSE=6.2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Observed discharge (m 3 /s) 35 Inside Interquartile HD Outside Interquartile 30 25 20 15 10 5 RMSE=5.2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 25 20 15 10 18% 5 RMSE=7.7 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Observed discharge (m 3 /s) d) 35 Inside Interquartile 50% quantile (m 3 /s) 50% quantile (m 3 /s) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Observed discharge (m 3 /s) Observed discharge (m 3 /s) 30 25 20 15 10 TD Outside Interquartile 44% 51% 5 RMSE=5.4 (Biondi & De Luca, 2013)
Valutazione e riduzione dell incertezza (parametrica) in bacini non strumentati Necessità di utilizzare tutta l informazione disponibile; Legame con studi statistici regionali; Utilizzo di firme della risposta idrologica. idrometri Bacini con sezioni a rischio idraulico R4
Valutazione e riduzione dell incertezza (parametrica) in bacini non strumentati Firme idrologiche utilizzate S = L-momenti massimi annuali di portata al colmo ( Q, L cv, L ca ) Eq. di regressione regionali in funzione di descrittori geomorfologici POR Calabria 2000-2006 Lotto 7: Stima delle massime portate al colmo di piena (Claps e Laio, 2008) ln Q ind = 491+ 32.7 lny bar + 3.43ln LCV 6 + 0.887ln A 0.562ln H m L CV L CA = 3.34 10 1 2 2 4 2 4.823 10 = 1.179 2.679 n 8.473 10 LC _ 4 + 3.079 10 2 LC _1 1.259 10 LC _ 4 + 3.125 10 3 IPSO _ INTERQ + 1.46 10 SLDP PERM _ BA& MOBA + 0.0358 SLDP Distribuzione a posteriori dei parametri θ del modello Bacini utilizzati nell analisi regionale p( θ S*) L( Sθ S*) p0( θ ) Incertezza della stima (Biondi & De Luca, 2014)
Distribuzione marginale a posteriori dei parametri S Regionale Media- L 1 27 Lcv 0.369 Lca 0.402 σ Regionale Media L 1 16.3 Lcv 0.106 Lca 0.197 A priori Stime regionali Distribuzione- Post-Reg
Distribuzione marginale a posteriori dei parametri S Empirica Media- L 1 27 Lcv 0.248 Lca 0.283 σ Empirica Media L 1 4.1 Lcv 0.084 Lca 0.234 Stime empiriche Distribuzione- Post-Sample
Curva di frequenza delle piene simulazione idrologica di serie sintetiche di precipitazione A priori- uniforme Post-Reg Post-Sample 80% Monte Carlo Intervalli di conf. 50% Monte Carlo Intervalli di conf. TCEV-Reg TCEV- Sample Valore medio Valore mediano 500 anni di pioggia sintetica con t=20 min 1000 set di parametri
Valutazione e riduzione dell incertezza (parametrica) in bacini non strumentati Bacino Turbolo - Evento 18 Dicembre 2008 Distribuzione a priori uniforme Distribuzione Post-Reg E = 86.8 (%) = 25.9 (%) Qc E Qc
Verifica del modello rispetto a dati non convenzionali Periodo in cui si è verificato l evento
Grazie per l attenzione
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Bollettino di Vigilanza Meteorologica Nazionale Bollettino di Criticità Nazionale per il Rischio idrogeologico e idraulico Scala Comunale Soglie anche complesse, catena di modelli di previsione, valutazione di esperti, monitoraggio strumenti, presidi territoriali
Monitoraggio, analisi e previsione Allertamento, diffusione e gestione dell emergenza