Pierluigi CauEnergy and Environment ProgramCenter for Advanced Studies, Research and Development in Sardiniaplcau@crs4.it

CRS4Sardegna Ricerche, 09010 Pula CA, Italy http://www.crs4.it

Il modello SWAT

Gestori e pianificatori (ADIS, ARPAS, ecc.), per rispondere alla propria missione istituzionale hanno necessità crescente di prodotti affidabili per erogare servizi avanzati sempre più evoluti;

Il nuovo paradigma si concretizza nella messa a punto di azioni sinergiche per promuovere, sviluppare e erogare servizi nel mercato dell’ambiente e della gestione del territorio attivando cooperazioni tra enti di ricerca, soggetti pubblici e/o privati che hanno esperienze specifiche.

La modellistica ambientale

In questa direzione si sta muovendo anche la modellistica ambientale sviluppando prodotti e soluzioni che si basano e integrano diverse discipline (ingegneria, idrologia, fisica, geologia, agronomia, biologia, ecc.).

I modelli di ultima generazione sono distribuiti “fisicamente basati”, generalmente computazionalmente onerosi e hanno necessità di grosse moli di dati.

La modellistica ambientale

Le tecnologie

Le applicazioni ambientali di ultima generazione sono facilmente accessibili mediante interfaccia amichevoli con soluzioni Client / Server (e.g. WEB-based) con funzionalità di computing on demand

Le tecnologie abilitanti sono:

1. GIS: GRASS, ArcGIS, Geomedia, QGIS ecc.

2. Tecnologie RDBMS: ORACLE, PostgreSQL , MySQL, Access, ecc.

3. Codici numerici: SWAT , Tribs, QUAL2K, MikeSHE, ecc.

Le tecnologie informatiche di ultima generazione offrono

■ risorse distribuite su scala geografica: server di calcolo, e di archiviazione

■ reti veloci e sicure■ servizi di base e applicativi numerici avanzati

Il nuovo paradigma è basato su un approccio integrato e collaborativo:

§ inter-disciplinarietৠsviluppo e utilizzo di tecnologie abilitanti per analizzare

problemi complessi che richiedono:o architetture HD/SW di archiviazione di ingenti moli

di dati e sistemi di calcolo ad alte prestazioni per l’analisi

Le nuove sfide

Le problematiche ambientali richiedano un approccio integrato dove i rapporti di causa-effetto siano esplicitati con chiarezza.

Approcci metodologici semplificati (modelli black box, concettuali, ecc.) hanno necessità: 1) di moli di dati relativamente piccole, 2) e relativamente poche competenze per il loro utilizzo, ma non sono in grado di rappresentare i fenomeni fisici/naturali soprattutto quando ci si trova in condizioni sufficientemente dissimili dalle quali è stato eseguito il fitting del modello.

Le nuove sfide

Finalità di SWAT

Il programma di calcolo SWAT (Soil and Water Assesment Tool) è un modello idrologico semi distribuito a scala di bacino “fisicamente basato” sviluppato per quantificare l’impatto ambientale nel medio-lungo termine indotto da cambiamenti naturali e antropici in bacini idrografici vasti e complessi.

SWAT modella il ciclo integrato dell’acqua.

SWAT simula l’impatto delle pratiche agro-zootecniche (fonti di inquinamento diffuse) e degli scarichi (fonti puntuali) sui corpi idrici recettori

SWAT tiene conto della variabilità climatica

Principali caratteristiche di SWAT

È fisicamente basato – non incorpora equazioni di regressione che descrivono la relazione tra le variabili di input e quelle di output (black-box model),

SWAT si basa su informazioni riguardanti il clima, le proprietà del suolo, l’orografia, la copertura vegetazione ecc., necessarie per descrivere i processi fisici

Tiene conto delle pratiche di gestione del territorio

È interfacciato con un Sistema Informativo Territoriale (GIS) ed é computazionalmente efficiente

È usato e validato in tantissime condizioni geografiche e climatologiche (in Europa e in Italia)

Il modello SWAT

lavora su due livelli di disagregazione spaziale:

• considerazioni topografiche (DEM)

• considerazioni sull’uso del suolo e sul tipo di suolo

I schematizzazione: il bacino idrografico viene suddiviso in una serie di sottobacini,

(particolarmente utile nel mettere in evidenza il diverso impatto che da un punto di vista idrologico esercitano fonti puntuali e diffuse sullo stato quali-quantitativo)

II schematizzazione: per ognuno di questi sottobacini vengono definite delle ulteriori

unità idrologiche che prendono il nome di HRU (Hydrologic Response Unit) definite come delle aree caratterizzate da una medesima combinazione tra tipo e uso del suolo per ognuna delle quali si effettua una valutazione del deflusso superficiale.

.

I processi fisici rappresentati vengono suddivisi in 2 fasi

• Land phase: fase che si svolge a livello della matrice suolo e che controlla la quantità d’acqua, di sedimenti e di composti chimici che arriva al reticolo idrografico

• routing phase: fase che riguarda il movimento di acqua, sedimenti e composti chimici lungo il reticolo idrografico (asta principale e tributari) fino alla sua sezione di chiusura del bacino idrografico stesso

Il modello SWAT

I principali processi modellati da SWAT sono: • Ciclo idrologico:

- forzanti meteo-climatiche- ruscellamento superficiale - evapotraspirazione- percolazione

- immagazzinamento dell’acqua - deflusso di base

• ciclo dei sedimenti • crescita della vegetazione• ciclo dei nutrienti

Il modello SWAT

In sintesi, il modello SWAT consente di eseguire simulazioni a lungo termine con passo temporale giornaliero per valutare lo stato di quantità e di qualità delle acque superficiali a fronte di forzanti naturali e/o antropiche, suddividendo i bacini idrografici in sottobacini e HRU per tenere conto delle diversità del tipo di suolo, uso del suolo, vegetazione, topografia, condizioni climatiche, etc.

Il modello SWAT

La storia di SWAT

Versioni del codice SWATSWAT 2012 (attuale)

SWAT 2005SWAT 2000 SWAT 99.2SWAT 98.1

SWAT è un software di dominio pubblico attivamente supportato dal Dipartimento Americano dell’Agricoltura (USDA) attraverso l’Agricultural Research Service di Temple, Texas, USA. (http://www.brc.tamus.edu/swat).

Il modello è attivamente sviluppato dai primi del 1990.

Le interfacceArcGIS SWAT

AVSWAT QSWAT

SWAT-GRASSInterfaccia DOS

ArcSWAT

Interfaccia ArcSWAT. Progetto Sardegna

Dati di base

Digital Elevation Model (DEM)

Dati climatologici minimali:serie storiche di temperatura a passo giornalieroserie storiche di pioggia a passo giornalieroanalisi statistiche su irraggiamento solareanalisi statistiche su piogge e temperature

Dati sull’uso del suolocarta digitale (raster o vettoriale)parametrizzazioni

Dati sul tipo di suolo carta digitale (raster o vettoriale) parametrizzazioni

Serie storiche di portata per la calibrazione

Reticolo idrografico e caratteristiche

Spartiacque superficiale – sezioni di controllo qualità serie storiche di valori di concentrazione misurate fosforo (P)

organico e minerale - NO3 - NH4 - NO2 - CBOD - DO

Laghi – invasi – traverse, opere di derivazione e regole di gestione

Fonti puntuali:scarichi civili e industriali - depuratori - quantità d’acqua sversata e

concentrazione degli inquinanti.

Fonti diffuse:zootecnia: aree di pascolo - tipo e numero di capi di bestiame

agricoltura: aree e colture piantate – periodi di semina e di raccolto – fertilizzanti e pesticidi usati (quantità utilizzate e periodi di utilizzo)

Dati di base

Organizzazione logica

Cartografia di base e parametrizzazioni

Preprocessing – interfaccia GIS (ArcSWAT)

Input SWAT

Il codice numerico SWAT

Postprocessing – interfaccia GIS (ArcSWAT)

Forzanti meteo-climatiche e antropiche

FLOW-CHART

INPUT

NO

GEODATABASE

DataBase PARAMETRIZZAZIONE

CLIMATIC DATABASE

RUN

SCENARIO 1

SCENARIO 2

SCENARIO n

Confronto con dati misurati

OKOUTPUT

?

SA / CALIBRAZIONE / VALIDAZIONE / UA

Il bacino idrografico e i sottobacini in SWAT

Il bacino idrografico è la porzione di territorio che raccoglie tutte le acque, che, trasformandosi in portata nella rete idrografica, defluiscono attraverso una assegnata sezione di chiusura.

Elementi importanti:

- sezione di chiusura (outlet)

- linea spartiacque (watershed)

- reticolo idrografico

- sottobacini (subbasin)

I schematizzazione in SWAT:

Gli spartiacque

Linea spartiacque (sub/watershed):

Il bacino idrografico è spesso diverso dal bacino idrogeologico

- linea “topografica” ideale che rappresenta il confine idraulico del bacino idrografico

- può essere individuata solo a partire dalla sezione di chiusura.

- non interseca mai il reticolo idrografico (se non nella sezione di chiusura)

- è sempre perpendicolare alle linee di livello

I schematizzazione in SWAT:

Spesso le condizioni di naturalità sono alterate nei sottobacini

La linee spartiacque sono intersecate da canalizzazioni

Intere aste fluviali sono spostate rispetto alle linee naturali degli impluvi

Il reticolo idrografico può essere usato per forzare la delineazione

L’identificazione delle aree minime drenanti deve tenere in conto la qualità del data, le necessità, la normativa (WFD; DM 131/08), ecc.

- Identificazione e scelta delle sezioni di chiusura dei sottobacini è funzione di scarichi, invasi, traverse, acque di transizione, punti di monitoraggio di qualità e quantità, sezioni ritenute di interesse, presenza di insediamenti, ecc.

Il bacino idrografico e i sottobacini in SWAT

I schematizzazione in SWAT:

LE HRU

le HRU (Hydrologic Response Unit) sono aree caratterizzate da una medesima combinazione tra tipo e copertura / uso del suolo

Le HRU sono costruite sulla base di:dati sull’uso del suolo

carta digitaleparametrizzazioni

dati sul tipo di suolo carta digitaleparametrizzazioni

II schematizzazione in SWAT:

Il suolo (I)

Le caratteristiche fisiche dei suoli influenzano la fase terrestre del ciclo idrologico con un impatto diretto sui fenomeni di ruscellamento superficiale, evapotraspirazione, infiltrazione e percolazione dell’acqua negli strati acquiferi profondi.

Inoltre le caratteristiche dei suoli influenzano gli scambi di energia tra sole e terra e i fenomeni di erosione e trasporto dei sedimenti e inquinanti dalla superficie topografica ai corpi idrici superficiali.

I dati del suolo usati da SWAT sono suddivisi in 2 classi: caratteristiche fisiche e chimiche

II schematizzazione in SWAT:

Il suolo - parametrizzazione

CAMPO MIN MAX DESCRIZIONE

SNAMNome del suolo

HYDGRP Gruppo idrologico del suolo (A,B,C,D)

SOL_ZMX 0 3500 Profondità massima radici nel profilo di suolo

ANION_EXCL 0.01 1 Volume % di vuoti dal quale gli anioni sono esclusi

SOL_CRK 0 1 Volume potenziale delle fratture [OPTIONAL]

TEXTURE Tessitura dell’orizzonte [OPTIONAL]

SOL_Z 0 3500 Profondità dell’orizzonte dalla superficie alla base

SOL_BD 1.1 2.5 Densità apparente

SOL_AWC 0 1 Capacità di campo dell’orizzonte di suolo

SOL_K 0 2000 Conducibilità idraulica a saturazione

SOL_CBN 0.05 10 Contenuto di carbonio organico

CLAY 0 100 Contenuto di argilla

SILT 0 100 Contenuto di limo

SAND 0 100 Contenuto di sabbia

ROCK 0 100 Contenuto in scheletro roccioso

SOL_ALB 0 0.25 Albedo

USLE_K 0 0.65 Coefficiente di erosione del suolo

SOL_EC 0 10000 Conducibilità elettrica [NON ATTIVO]

NLAYERS 1 10 Numero di orizzonti del suolo

La copertura del suolo

Per la corretta modellazione del ciclo dell’acqua della crescita delle piante e del ciclo dei nutrienti, risulta di centrale importanza la corretta descrizione e parametrizzazione della copertura vegetale.

La pioggia viene intercettata dalla vegetazione, che ne immagazina una parte prima di arrivare al suolo.

La parte immagazianata e l’effetto di protezione sul suolo è funzione:

• del tipo di vegetazione (altezza, tipo di foglia, ecc.), • della densità della copertura della vegetazione,

• del periodo dell’anno

• dello stato di crescita delle piante.

I schematizzazione in SWAT:

Copertura del suolo-parametrizzazione

Parametro Descrizione Unità di misura variabilità

Crop Name Nome della pianta

CPNM Codice identificativo della coltura/pianta

IDC Classificazione del tipo di pianta (stagionale, annuale, ecc.)

Bio_E Biomassa/energia [(kg/ha)/(MJ/m2)] 10 - 90

HVSTI Indice di raccolta [kg/ha/kg/ha] 0,01 – 1.25

BLAI Indice di dimensione fogliare [m2/m2] 0.5 - 10

RDMX Massima profondità delle radici [m] 0 - 3

CHTMX Altezza massima della pianta [m] 0.1 - 20

T_OPT Temperatura per la crescita ottimale della pianta [° C] 11 - 38

T_Base Temperatura minima per far crescere la pianta [° C] 0 - 18

CN2A CN2 funzione della coltura per suoli tipo A [/] 25 - 98

CN2B CN2 funzione della coltura per suoli tipo B [/] 25 - 98

CN2C CN2 funzione della coltura per suoli tipo C [/] 25 - 98

CN2D CN2 funzione della coltura per suoli tipo D [/] 25 - 98

La climatologia e il generatore di tempo

Parametro Descrizione Unità di misura

Pi(W/W) probabilità di giorno i piovoso dato il giorno i-1 piovoso

[/]

Pi(W/D) probabilità di giorno i piovoso dato il giorno i-1 secco [/]

STD_PCP Standard deviation della precipitazione media mensile [mm]

PCP_MM Precipitazione media mensile [mm]

TMPMX Temperatura massima media mensile del mese °C

TMPMIN Temperatura minima media mensile del mese °C

TMP_STD_MX Standard deviation delle temperature massime medie mensili del mese

[m]

TMP_STD_MIN Standard deviation delle temperature minime medie mensili del mese

[m]

ID Codice identificativo stazione

Xpr Coordinata (X) della stazione

Ypr Coordinata (Y) della stazione

Il ciclo integrato dell’acqua

Principali fenomeni modellati da SWAT nella fase terrestre sono (LAND PHASE):

Il ciclo dell’acqua - idrologia –

Il ciclo dei sedimenti

Il ciclo dei nutrienti

Il ciclo del fosforo

Il ciclo dell’azoto

Il ciclo dei pesticidi

Il ciclo di crescita delle piante

Il ciclo integrato dell’acqua

Principali fenomeni modellati da SWAT nella fase acquosa (ROUTING PHASE - FIUME ) sono :

Flusso (Flood routing)

Trasporto dei sedimenti nel fiume (Sediment routing)

Trasporto e trasformazione dei nutrienti (Nutrient routing)

Trasporto e trasformazione dei pesticidi (Pesticide routing)

Modellazione di altri parametri di qualità

Per la simulazione dei nutrienti, pesticidi e parametri di qualità dell’acqua, SWAT si appoggia al codice QUAL2E.