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Modellistica idrologica

Chi siamo

L’area di ricerca in modellistica idrologica nasce con il CETEMPS e con il modello idrologico CHyM, inizialmente sviluppato fromscratch come supporto alle attività di monitoraggio dello stato della rete idrologica abruzzese, per fini di protezione civile. Nel corso degli anni, CHyM è stato ulteriormente sviluppato ed esteso oltre i confini regionali e nazionali con numerose applicazioni su diversi settori ambientali. Il modello viene continuamente aggiornato e validato dal gruppo di modellistica idrologica del CETEMPS.

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Coordinatore: Dr. Marco Verdecchia
Staff: Barbara Tomassetti, Annalina Lombardi, Valentina Colaiuda

Il modello idrologico

Cos’è?

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Un modello idrologico lega, matematicamente, la quantità di pioggia che cade su di un determinato bacino imbrifero e la portata della rete drenante (i sistemi fluviali) che da essa deriva; si può dire, semplificando, che esso contiene una parte del ciclo dell’acqua, ovvero, tutti quei processi fisici e quei percorsi che una goccia d’acqua subisce dal momento in cui tocca terra, al momento in cui defluisce vero il mare o di nuovo evapora per tornare in atmosfera.Per tale motivo, una previsione idrologica è intimamente connessa alla previsione del modello meteorologico e ne eredita eventuali errori nel calcolo della pioggia e della temperatura dell’aria, che rappresentano le variabili meteorologiche fondamentali in input.
Un modello idrologico “basato su griglia” discretizza lo spazio in elementi finiti, detti celle, per ognuno dei quali vengono calcolate le variabili idrologiche fondamentali: portata, infiltrazione, evapotraspirazione ed eventuale melting (apporto di acqua determinato dallo scioglimento del manto nevoso). Ognuna di queste variabili può essere calcolata attraverso l’utilizzo di relazioni matematiche precise (soluzioni analitiche), oppure attraverso relazioni semi-empiriche e semplificate (parametrizzazioni). L’utilizzo di una soluzione analitica o di una parametrizzazione, piuttosto che un’altra, differenzia i vari modelli idrologici e ne definisce quella che in gergo tecnico viene chiamata la “fisica del modello”.

A cosa serve?

immagine_3L’impiego dei modelli idrologici abbraccia differenti discipline. In primo luogo, esso rappresenta uno strumento di lavoro utile nella previsione e gestione di eventi severi. Se accoppiato con un modello di previsione meteorologica, un modello idrologico può fornire previsioni a breve e medio termine (da qualche ora a qualche giorno) sullo stato di stress dei corsi d’acqua di una determinata area e su eventuali ingrossamenti o eventi di piena. Questa previsione viene effettuata attraverso l’impiego di “indici di stress”, grandezze dipendenti dalla portata, ma non solo, calcolate e calibrate per una determinata area geografica. Un modello idrologico finalizzato alla valutazione del rischio idrologico è parte del cosiddetto DSS (Sistema di Supporto alle Decisioni): tra le caratteristiche principali, oltre all’esattezza della previsione, esso deve possedere un buon bilanciamento tra l’impiego di soluzioni analitiche (più dispendiose in termini di tempo di calcolo) e parametrizzazioni (meno precise e da calibrare geograficamente), in quanto deve poter essere uno strumento leggero e flessibile, in grado di dare risposte veritiere e precise, da un lato, ma anche immediate e coerenti con le tempistiche di lavoro in fase di monitoraggio ed emergenza.
Naturalmente, le condizioni di pioggia a temperatura, necessarie in input al modello idrologico, possono essere non solo simulate da un altro modello, ma anche essere misure reali da strumentazioni ed è, anzi, grazie ad esse che il funzionamento del modello può essere testato e confrontato con la realtà di ciò che avviene (validazione) o corretto e diversificato a seconda delle caratteristiche morfologiche del bacino oggetto di simulazione (calibrazione).
Se il modello idrologico è alimentato da dati, esso può essere un utile strumento per la comprensione di fenomeni causa-effetto che hanno determinato particolari situazioni (analisi post-evento) o per ricostruire situazioni del passato, studi storico-climatici o paleo-idrologici per scopi di ricerca o per finalità legate alla valutazione di impatto ambientale. La sfera di applicazione non si limita alla sola idrologia, ma a tutti quei sistemi che sono in qualche modo collegati ed influenzatidalla presenza di un fiume. Si pensi ad esempio all’ecologia fluviale, allo sfruttamento energetico, all’agricoltura, all’inquinamento idrico e allo scarico in mare con tutti gli impatti economici e sociali che questo comporta.
Infine, un modello idrologico può essere anche “idro-climatico”, se accoppiato con modelli e proiezioni climatiche , può essere un utile strumento di valutazione sugli effetti dei cambiamenti climatici nella gestione di una delle risorse fondamentali del pianeta: l’acqua dolce.

La modellistica idrologica al CETEMPS

immagine_4Il modello idrologico CHyM è stato realizzato e viene costantemente sviluppato in ambito CETEMPS.
Il “cuore” del modello è scritto in linguaggio fortran ed è open source, così come, per scelta, la piattaforma di funzionamento (UNIX), tutte le librerie e gli strumenti di compilazione sono liberi e gratuiti. Anche gli output delle simulazioni modellistiche sono accessibili liberamente su questo sito (vedi sezione “previsioni”)
Il modello è stato inizialmente realizzato e calibrato per la Regione Abruzzo, ma oggi il suo “dominio” spaziale è stato esteso a tutto il territorio italiano e al di là del Mar Adriatico, in Croazia e Albania.Uno dei punti di forza di CHyM è proprio rappresentato dal fatto che il modello può ricostruire la rete drenante (il percorso che l’acqua segue all’interno di un’area) a partire dalla sola topografia di un territorio (il cosiddetto Digital Elevation Model), senza la necessità di utilizzare ricostruzioni GIS o layer predefiniti. Dal momento che il DEM è disponibile per tutto il pianeta Terra, il modello è in grado di simulare qualsiasi bacino nel mondo.
L’altra condizione fondamentale, necessaria affinché il modello possa funzionare è l’input di dati di pioggia e temperatura. Non tutti i dati di pioggia sono disponibili con una certa regolarità spazio-temporale: a tal proposito, il modello CHyM è in grado di assimilare dati di pioggia e temperatura a partire da qualsiasi distribuzione e di integrarli coerentemente nello spazio attraverso tecniche di interpolazione basate sula tecnica degli automi cellulari (consultare il manuale del modello per approfondimenti).

MANUALE DI CHyM

LIBRERIE MVLIB

Pubblicazioni:

elenco e pdf disponibili su: cetemps.aquila.infn.it/chym

 

Progetti

Ad ogni nome è inserito un collegamento ipertestuale che rimanda alla pagina web del progetto)

ACQWA: progetto europeo FP7 in cui CHyM è statouno dei tre modelli idrologici utilizzati per la simulazione di scenari idrologici futuri, fino al 2100, per lo studio dell’effetto dei cambiamenti climatici ipotizzati dallo scenarioIPCC A1B, sul regime delle portate dei bacini del Po e del Rodano;

ADRIARadNet: progetto europeo IPA-Adriatic in cui è stato sviluppato e validato il modello idrologico CHyM-Adria, come sistema di supporto alle decisioni per le regioni adriatiche centrali (Marche e Abruzzo) e per Croazia e Albania. Inoltre, il modello è stato inserito nella piattaforma DEWETRA.

CapRadNet: progetto europeo IPA-Adriatic finalizzato alla capitalizzazione del progetto ADRIARadNet. Il modello CHyM è il protagonista di due studi di fattibilità; il primo, finalizzato all’ipotesi di introdurre nel modello l’effetto barriera del mare durante eventi combinati di ingressione marina ed esondazione, allo scopo di migliorare il sistema di allertamento idrologico in aree costiere. Il secondo studio di fattibilità, in collaborazione con l’Istituto Zooprofilattico Sperimentale dell’Abruzzo e del Molise, vede l’utilizzo del modello e della sua capacità di simulare eventi di piena come strumento per la gestione degli allevamenti di molluschi al largo delle foci e della rilevanza della portata nella contaminazione da E. coli.

RAISS: progetto nazionale finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico, in cui viene implementato un dominio spaziale ad alta risoluzione sul bacino del fiume Tevere per lo sviluppo di un sistema di allertamento locale.

ConvenzioneCFA: progetto regionale con il Centro Funzionale d’Abruzzo per la fornitura operativa degli output del modello CHyM per la previsione di eventi idrologici severi.

Convenzione RAI-CETEMPS: anche il gruppo di idrologia partecipa alla redazione e alla diffusione di bollettini meteorologici sul circuito informativo della RAI

 

Contatti

Dr. Marco Verdecchia (Coordinatore)

Tel.: 0862 433046

e-mail: marco.verdecchia@aquila.infn.it

Skype: Marco Verdecchia

 

Dott.sa Barbara Tomassetti, Ph.D

Tel.: 0862 433046

e-mail: barbara.tomassetti@aquila.infn.it

Skype:

 

Dott.ssa Annalina Lombardi, Ph.D.

Tel.: 0862 433024

e-mail: annalina.lombardi@aquila.infn.it

Skype: Annal2

 

Dott.ssa Valentina Colaiuda, Ph.D.

Tel.: 0862 433024

e-mail: valentina.colaiuda@univaq.it

Skype: valentinacola