Il bilancio idrico - Fondazione Museo Civico di Rovereto

Verona, 18 marzo 2008
Prof. Riccardo Rigon, Ing. Andrea Antonello, Ing. Silvia Franceschi
Ing. Erica Ghesla, Ing. Davide Giacomelli
IL BILANCIO IDRICO DI SUPERFICIE
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
Interfacce
(Java/JGRASS)
web
Modelli
(UNITN/OpenMI)
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Tools di analisi
(UNITN/R)
users
external
database
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
• 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
stazioni meteo
opere di presa
punti restituzione
serbatoi
idrometri
• Punti monitoraggio:
inizio-fine canale,
confluenze
• Nodi topologici:
Esistono due tipologie di nodi
Oltre a bacini e corsi d’acqua contiene:nodi della rete
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
stazioni meteo
opere di presa
punti restituzione
serbatoi
idrometri
• Punti monitoraggio:
Ai punti di monitoraggio sono legati i dati delle serie temporali:
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Quadro riassuntivo delle
stazioni di misura i cui dati
sono contenuti nel database
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
2. Estrazione dal database delle informazioni
riguardati i dati registrati in una determinata
stazione.
1. Estrazione dal database delle informazioni
riguardanti le serie temporali di portata;
Esempi di query al database:
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Vincoli per l’esecuzione della query
nella query
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
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
FROM
punti_monitoraggio pm,metadati md,tipologia_serie_temporali tst,serie_temporali st
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
1. Estrazione dal database delle informazioni
riguardanti le serie temporali di portata:
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Risultato della query:
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
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Condizione che identifica l’intervallo
temporale scelto:
dal 01-03-2007 al 31-03-2007
Risultato della query:
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
Condizione che identifica la stazione
AND pm.id=md.punti_monitoraggio_id
scelta:
AND md.id=st.metadati_id
AND md.tipologia_serie_temporali_id=0
id=115 corrisponde all’idrometro
AND st.dataora between '2007-03-01' AND '2007-03-31'
“Adige a Tell”
GROUP BY pm.nome,st.dataora,st.valore,md.unita,st.intervallo,st.metadati_id
ORDER BY st.dataora
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Risultato della query:
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’
2. Estrazione dal database delle informazioni
riguardati i dati registrati in una determinata
stazione meteorologica (Lasa):
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
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
Risultato della query:
scelta:
punti_monitoraggio_id=1133
corrisponde alla stazione meteo di
“Lasa”
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
Condizione che identifica la stazione
AND md.punti_monitoraggio_id=1133
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Lasa
Direzione vento (id=218)
Velocità vento (id=217)
La serie temporali sono così ricondotte al punto sulla
mappa in cui sono state raccolte
Temperatura aria (id=219)
Precipitazione (id=216)
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• Aggiornamento delle serie temporali.
• Calcolo delle portate derivabili;
• Intersezioni con i laghi;
• Posizionamento delle sezioni trasversali;
• Inserimento geometrie;
Sono stati costruiti appositi tools per
gestire l’inserimento e la creazione delle
geometrie e dei dati necessari al
funzionamento dei modelli:
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• 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.
INSERIMENTO GEOMETRIE
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• 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.
POSIZIONAMENTO SEZIONI TRASVERSALI
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• 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.
INTERSEZIONI CON I LAGHI
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• Calcola la massima portata derivabile nei diversi periodi
dell’anno, per la destinazione d’uso selezionata.
CALCOLO DELLE PORTATE DERIVABILI
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
• 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.
AGGIORNAMENTO SERIE TEMPORALI
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
La serie temporale è così ricondotta al punto sulla
mappa in cui è stata raccolta
Adige a Tell
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
- 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
Problemi:
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
Modelli (UNITN/OpenMI)
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
Asta
principale:
si
un
modello
di
propagazione
immissioni e derivazioni sia naturali che artificiali.
monodimensionale della portata tenendo in considerazione eventuali
z
applica
Zone periferiche del bacino: viene applicato un modello afflussi deflussi
per il calcolo della portata
z
principale dove invece è fondamentale considerare le opere artificiali:
bacino dell'Adige, dove è preponderante il deflusso naturale, e per l'asta
L'approccio alla modellazione idrologica è distinto per le zone periferiche del
Modelli (UNITN/OpenMI)
Neve
Meteo
Deflusso:
Generazione e propagazione
Serbatoi e
derivazioni
Evapotraspirazione
Modelli (UNITN/OpenMI)
Neve
z
z
modello per il calcolo dell'evapotraspirazione potenziale
Interpolazione spaziale delle temperature
Deflusso
z
z
modello di deflusso su base geomorfologica
modello di divisione delle piogge e di infiltrazione
Modello per la stima dell'altezza di neve al suolo a fasce altimetriche
Infiltrazione
z
Evapotraspirazione
Meteo
-Modello di interpolazione spaziale delle piogge con kriging
Modelli (UNITN/OpenMI)
serie temporali (idrometri e stazioni meteo)
dati delle derivazioni
dati dei serbatoi
z
z
z
macrobacini: aree racchiuse dalle linee di displuvio e da un nodo, o interposte tra due
bacini elementari: unità idrologica di base (livello di dettaglio 5 nel DB) caratterizzati da
area inferiore ai 2 km2.
z
nodi successivi;
z
vuole conoscere la portata simulata;
nodi: punti singolari interni al bacino quali: idrometri, serbatoi artificiali, laghi, punti ove si
chiusura, viene suddiviso in:
Secondo il modello utilizzato il territorio del bacino selezionato, chiuso alla sezione di
dati geometrici (struttura del reticolo idrografico)
z
I dati per la modellazione idrologica che vengono estratti automaticamente dal DB sono:
TUTTO SULLA BASE DEL
Modelli (UNITN/OpenMI):
the(digital
digital watershed
“BACINO
INFORMATICO
watershed)”
metodo di Pfafstetter.
simulazione grazie ad una particolare gerarchizzazione del reticolo idrografico basata sul
le geometrie per l'elaborazione dei modelli vengono ricreate ogni volta ad hoc per la
Modelli (UNITN/OpenMI): database dinamico
selezionerà come validi per la simulazione in corso.
In questa fase vengono creati i macrobacini chiusi nei nodi che l'utente
ricostruire i bacini.
Pfafstetter del tratto di rete selezionato, è quindi possibile navigare la rete e
Con questo metodo si ricavano gli elementi di monte noto il numero di
Modelli (UNITN/OpenMI): la creazione delle geometrie della rete
Modelli (UNITN/OpenMI): la creazione delle geometrie della rete
Modelli (UNITN/OpenMI): selezione della sezione di chiusura
Modelli (UNITN/OpenMI): selezione della sezione di chiusura
Modelli (UNITN/OpenMI): visualizzazione dei macro bacini
nodi non attivi
Modelli (UNITN/OpenMI): macro bacini
temperatura
pressione
umidità
velocità del vento
radiazione solare
z
z
z
z
z
Questi dati vengono ragguagliati sul sottobacino elementare.
pioggia
z
I dati meteorologici utilizzati dai modelli sono:
Meteo
Meteo
z
modello distribuito che divide ogni bacino elementare (area max 5 km2) in
fasce altimetriche e bande energetiche
zcalcola la quantità di precipitazione che si deposita e l'eventuale
scioglimento della neve al suolo
zfunge da filtro tra le piogge misurate ed il modello idrologico modificando gli
input di pioggia al modello
Neve
Deflusso
il modello di propagazione risolve le equazioni di Saint Venant per
l'integrazione numerica del modello monodimensionale viene fatta
si pone come condizione iniziale su tutto il tratto la condizione di moto
si definiscono le condizioni al contorno a monte e/o a valle a seconda
si possono utilizzare sezioni generiche (direttamente i dati misurati)
sono calcolate le immissioni e le derivazioni di portata
z
z
del regime della corrente
z
uniforme per la prima portata in ingresso
z
usando uno schema alle differenze finite
z
determinare le variabili idrodinamiche nel caso unidimensionale
z
Propagazione
derivazione sull'Adige: origine
del canale Montecatini
Propagazione: immissioni e derivazioni
immissione in Adige del canale
Montecatini
derivazione sull'Adige: origine
del canale Biffis
Propagazione: immissioni e derivazioni
Propagazione: immissioni e derivazioni
Villa Lagarina
Propagazione: profilo longitudinale
Marco
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento
con HydroloGIS
di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione
z
Interfacce
(Java/JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
parte mutuato da GRASS
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
z
HydroloGIS
Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione con
z
Interfacce
(Java/JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un
da GRASS
zvisualizza i dati vettoriali presenti nel database
motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato
z
HydroloGIS
Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione con
z
Interfacce
(Java/JGRASS)
CONNESSIONE AL DATABASE
LAYERS VIEW
INTERFACCIA
GRAFICA: JGrass
Interfaccia (JGRASS)
VISUALIZZAZIONE
DEGLI ATTRIBUTI
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
z
z
da GRASS
motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato
z
HydroloGIS
Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione con
z
Interfaccia (JGRASS)
INTERFACCIA
GRAFICA: JGrass
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
z
z
piena
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
da GRASS
motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato
z
HydroloGIS
Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione con
z
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento di Ingegneria
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di
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
z
z
z
z
z
analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS
z
Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione con HydroloGIS
z
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
z
z
attivazione e disattivazione dei punti di monitoraggio come dighe ed
z
idrometri
esecuzione dei modelli
z
piena
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
parte mutuato da GRASS
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
z
con HydroloGIS
di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione
z
Interfaccia (JGRASS)
GIS Open Source sviluppato da un progetto del CUDAM e del Dipartimento
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
z
z
esecuzione dei modelli
selezione dei modelli da utilizzare
definizione dei parametri da utilizzare
z
z
z
piena
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
parte mutuato da GRASS
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
z
con HydroloGIS
di Ingegneria Civile ed Ambientale dell'Università di Trento in collaborazione
z
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS): definizione parametri di simulazione
Visualizzazione del risultato della simulazione:
portata misurata e portata simulata
pioggia e contributo nivale
ESECUZIONE
DELLE
SIMULAZIONI
JGRASS
Interfaccia
(JGRASS):
esecuzione
di una IN
simulazione
12/09/2007 - 14-09/2007
Propagazione: idrogramma di portata a villa Lagarina
MODELLO DI PROPAGAZIONE
Propagazione:
immissioni
del Lenodal Leno
Idrogramma
di portata
immessa
MODELLO DI PROPAGAZIONE
Propagazione: derivazione dal Montecatini
Idrogramma
di portata derivata dal Montecatini
MODELLO DI PROPAGAZIONE
Propagazione: profilo di moto uniforme
Profilo moto uniforme t = 0
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
immissione Leno
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
immissione Leno
derivazione Montecatini
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
le immissioni artificiali devono essere calcolate considerando la portata derivata e le
le immissioni naturali possono essere inserite dall'utente oppure calcolate con il modello
derivazioni per canale artificiale devono essere memorizzate per il calcolo al momento della
derivazioni che non rientrano in Adige vengono calcolate e non sono più utilizzate in altri
contesti
¾
reimmissione in Adige
¾
solamente i valori di portata massima concessa in derivazione
DERIVAZIONI DI PORTATA: in generale non si conoscono i valori nel tempo, si conoscono
raccogliere).
idrologico. Di alcuni potrebbero esserci i dati di portata/livelli misurati alle confluenze (da
¾
derivazione che le ha generate
eventuali derivazioni presenti sul canale artificiale: queste immissioni devono conoscere la
¾
IMMISSIONI DI PORTATA:
MODELLO DI PROPAGAZIONE
Propagazione: problematiche riscontrate
Problematiche riscontrate
delle portate degli idrometri sull'Adige.
finale. Per avere i livelli agli idrometri è necessario conoscere gli zeri idrometrici o le scale
idrometri. Se la condizione di valle è un livello definito il modello auto-calibra la soluzione
Come condizioni al contorno di monte e di valle si considerano le portate e i livelli negli
CONDIZIONI AL CONTORNO:
irregolare, ci sono avvallamenti di 3m di profondità in distanze dell'ordine del chilometro.
Considerando i minimi delle sezioni il profilo longitudinale del corso dell'Adige è molto
PROFILO LONGITUDINALE:
Propagazione: problematiche riscontrate
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
z
z
z
z
z
z
z
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
zdedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di
analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS
zvisualizza i dati vettoriali presenti nel database
zvisualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
Interfaccia (JGRASS)
Neve
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...)
z
z
z
z
z
INTEGRAZIONE DEI MODELLI
Grazie per la vostra attenzione