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Il modello Nuovo Adige (NewAge)
G. Formetta, R. Rigon, S. Franceschi, S. Endrizzi , A. Antonello E. Cordano, and R. Mantilla
XXXII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche- Palermo 2010D
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20
04
Thursday, September 16, 2010
Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010
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Il governo dell’acquaAndrea Rinaldo, 2010
Prologo
Thursday, September 16, 2010
Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010
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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 ?
Prologo
Thursday, September 16, 2010
Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010
3
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
Prologo
Thursday, September 16, 2010
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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 datigeografici e numerici
Output
•E magari uno strumento web-based per scaricare i dati del DB in locale senza fare complicate query SQL
•Rosso et al., 1992
La struttura di NewAge
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Elem
enti
del
bil
anci
o i
dri
co
Radiazione
Precipitazione
Temperatura dell’aria
Umidità dell’aria
Vento
Le forzanti atmosferiche e radiative sono derivate da misure e interpolate
Serve qualcosa di più di un modello di afflussi -deflussi
I processi
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I dati!
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Elem
enti
del
bil
anci
o i
dri
co
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.
Terreno, versanti, reticoli idrografici, separazione versanti - canali
I processi
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Elem
enti
del
bil
anci
o i
dri
co
Suolo non saturo
Falda
Neve
Vegetazione
Radiazione
Precipitazione
Temperatura dell’aria
Umidità dell’aria
Vento
I l b i l a n c i o i d r i c o d e l versante
Terreno, versanti, reticoli idrografici, separazione versanti - canali
I processi
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Elem
enti
del
bil
anci
o i
dri
co
Suolo non saturo
Falda
Neve
Vegetazione
Canali Laghi Derivazioni
Radiazione
Precipitazione
Temperatura dell’aria
Umidità dell’aria
Vento
Terreno, versanti, reticoli idrografici, separazione versanti - canali
I processi e l’interazione con le infrastrutture idrauliche
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Il buon vecchio bilancio idrologico
I processi
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10
Il buon vecchio bilancio idrologico
ma con dentro le opere idrauliche!
I processi
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Meteo
Rainfall/Snow Atm. TurbulenceRadiation
Per ogni passo temporale
Azione!
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Meteo
Rainfall/Snow
Snow/Energy budget
Atm. TurbulenceRadiation
Per ogni passo temporale
Azione!
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12
Meteo
Rainfall/Snow
Snow/Energy budget
Atm. TurbulenceRadiation
Per ogni passo temporale
Utah Energy Balance (UEB) Snow Model
Suitable modification of:
Azione!
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Hillslope Storage Dynamics
Surface flows Aggregation
Channel flow
Il prossimo passo temporale
NewAge
Azione!
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13
Hillslope Storage Dynamics
Surface flows Aggregation
Channel flow
Il prossimo passo temporale
NewAge
Duffy’s storage modelDuffy et al, 1996
Azione!
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13
Hillslope Storage Dynamics
Surface flows Aggregation
Channel flow
Il prossimo passo temporale
NewAge
Semi-implict solver of the de Saint-Venant 1D
CuencasMantilla and Gupta, 2005
Duffy’s storage modelDuffy et al, 1996
Azione!
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Rin
ald
o, G
eom
orp
hic
Flo
od
Res
earc
h, 2
00
6
Qualcuno le chiama Hydrologic Runoff-Units
noi li chiamiamo versanti e canali
Back to the geometry
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Rin
ald
o, G
eom
orp
hic
Flo
od
Res
earc
h, 2
00
6
Per ogni variabile che entra nel ciclo idrologicoe 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
Back to the geometry
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Semi-Distributed
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Precisamenteper 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
I processi
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i -AET
i = infiltrazione
r = deflusso superficiale su suoli saturi
q s = d e f l u s s o s u b -superficiale
qf = deflusso tra zona insatura e falda
S1 = volume d’acqua nella zona insatura
S2 = volume d’acqua nella falda
Suolo non saturo
Falda
r = i- PET
qf
qs
S1
S2
After Duffy, 1996
Schema concettuale del bilancio di versante
q r = i -
Non diamo i modelli troppo per scontati
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dS1
dt= A1 (i−AET− qf )
Schema concettuale del bilancio di versante
dS2
dt= A1 (qf − qs)
qr = A2(i− PET)
S1 = Volume d’acqua nell’insaturo
S2 = Volume d’acqua nell’insaturo
A1 = area non satura
A2 = area satura
After Duffy, 1996
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Schema concettuale del bilancio di versante
A1 = A−A2
A2 = d4(S2 − S02)
qf = d0(S1 − S01) + d1(S1 + d2)(S2 − S0
2)2
qs = d3(S2 − S02)
After Duffy, 1996
Non diamo i modelli troppo per scontati
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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)
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Non diamo i modelli troppo per scontati
Thursday, September 16, 2010
Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010
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La propagazione della portata nei canali
B
dqi
dt= K(qi)
Ai(qr + qs)i +�
j
qj − qi
K(qi) =32q1/3i C2/3
f B−1/3Li γ1/3
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Formetta et al., XXXII Convegno di Idraulica, Palermo, 2010
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Cosi, per esempio le portate ..
Rinaldo, Geomorphic Flood Research, 2006
Si possono determinare in tutti i punti significativi del reticolo
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Se c’è un invaso
qui
Rinaldo, Geomorphic Flood Research, 2006
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Bene: si possono avere le portate a monte e a valle e inserire le operazioni di controllo
naturalmente avendo le caratteristiche dell’invaso.
Rinaldo, Geomorphic Flood Research, 2006
Non diamo i modelli troppo per scontati
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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
Non diamo i modelli troppo per scontati
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Area: 2600 km2
Max height: 3800 m
Min height: 250 m
Il bacino dell’Adige chiuso a Bolazno
Un run
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11
Area: 2600 km2
Max height: 3800 m
Min height: 250 m
Simulazione Estiva: da 2009-06-01 to 2009-09-01
Measured DischargeSimulated Discharge
Il bacino dell’Adige chiuso a Bolazno
Un run
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Simulazione Invernale: da 2008-10-01 to 2009-03-01
Measured DischargeSimulated Discharge
Area: 2600 km2
Max height: 3800 m
Min height: 250 m
Il bacino dell’Adige chiuso a Bolazno
Un run
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∂Q∂t
+∂α u Q∂s
+g A∂η∂s
+g ieA=−qQA
B∂η∂t
+∂Q∂s
= q
B
η
La propagazione nei canali - de Saint Venant 1D
L’idraulica è più semplice dell’idrologia !
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immissione Leno
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
L’idraulica è più semplice dell’idrologia !
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immissione Leno
derivazione Montecatini
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
L’idraulica è più semplice dell’idrologia !
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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.
E, infatti ...
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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
E, infatti ...
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E, infatti ...
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AnalysisTools (UNITN/R)
Database (PostgresSQL/PostGIS/HSQL/H2/CUAHSI)
Models(UNITN/OMS3)
Interfaces(Java/udig/JGrass/BeeGIS)
users webexternal
database
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L’insieme
L’infrastruttura di NewAge
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Un modello ?
L’infrastruttura di NewAge
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Un modello ?
no ... centomila
L’infrastruttura di NewAge
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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
L’infrastruttura di NewAge
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Let’s play!A snapshot of using DREAM (Vrugt et al, 2008)
La calibrazione di NewAge
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Quanto è vero un modello ? Quanto sono veri i dati ?
Altre Tre domande
Quant’è l’informazione contenuta nel segnale da prevedere ? Quando si può definire un modello parsimonioso ?
Si può calibrare un modello complesso ?
And Beyond
Thursday, September 16, 2010
m-idro
MIGG
Grazie per l’attenzione !
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