AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
IL BILANCIO IDRICO DI SUPERFICIE
Prof. Riccardo Rigon, Ing. Andrea Antonello, Ing. Silvia Franceschi
Ing. Erica Ghesla, Ing. Davide Giacomelli
Verona, 18 marzo 2008
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
users
web
external
database
Interfacce
(Java/JGRASS)
Tools di analisi
(UNITN/R)
Modelli
(UNITN/OpenMI)
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Difesa idrogeologica e bilancio idrico nel bacino dell’Adige
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Diversi
dettaglio
Contiene geometrie
della livelli
rete adidiversi
ordini di dettaglio:
• Livello 5
• Livello 4
• Livello 3
• Livello 2
• Livello 1
Possibilità di calibrare la mole di dati
sulle esigenze della simulazione
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Oltre a bacini e corsi d’acqua contiene:nodi della rete
Esistono due tipologie di nodi
• Nodi topologici:
inizio-fine canale,
confluenze
• Punti monitoraggio:
idrometri
serbatoi
punti restituzione
opere di presa
stazioni meteo
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Ai punti di monitoraggio sono legati i dati delle serie temporali:
• Punti monitoraggio:
idrometri
serbatoi
punti restituzione
opere di presa
stazioni meteo
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Quadro riassuntivo delle
stazioni di misura i cui dati
sono contenuti nel database
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Esempi di query al database:
1. Estrazione dal database delle informazioni
riguardanti le serie temporali di portata;
2. Estrazione dal database delle informazioni
riguardati i dati registrati in una determinata
stazione.
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
1. Estrazione dal database delle informazioni
riguardanti le serie temporali di portata:
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
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
nella query
Vincoli per l’esecuzione della query
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
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
Risultato della query:
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
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
Risultato della query:
Condizione che identifica l’intervallo
temporale scelto:
dal 01-03-2007 al 31-03-2007
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
2. Estrazione dal database delle informazioni
riguardati i dati registrati in una determinata
stazione meteorologica (Lasa):
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’
Risultato della query:
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
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
scelta:
punti_monitoraggio_id=1133
corrisponde alla stazione meteo di
“Lasa”
Risultato della query:
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
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Precipitazione (id=216)
Velocità vento (id=217)
Lasa
Temperatura aria (id=219)
Direzione vento (id=218)
La serie temporali sono così ricondotte al punto sulla
mappa in cui sono state raccolte
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Sono stati costruiti appositi tools per
gestire l’inserimento e la creazione delle
geometrie e dei dati necessari al
funzionamento dei modelli:
• Inserimento geometrie;
• Posizionamento delle sezioni trasversali;
• Intersezioni con i laghi;
• Calcolo delle portate derivabili;
• Aggiornamento delle serie temporali.
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Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
INSERIMENTO GEOMETRIE
• 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.
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
POSIZIONAMENTO SEZIONI TRASVERSALI
• 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.
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Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
INTERSEZIONI CON I LAGHI
• 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.
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
CALCOLO DELLE PORTATE DERIVABILI
• Calcola la massima portata derivabile nei diversi periodi
dell’anno, per la destinazione d’uso selezionata.
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
AGGIORNAMENTO SERIE TEMPORALI
• 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.
AdB Adige – CUDAM - Bilancio idrico di superficie di primo livello
Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Adige a Tell
La serie temporale è così ricondotta al punto sulla
mappa in cui è stata raccolta
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Database
(PostgresSQL/PostGIS/CUAHSI)
Problemi:
- 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
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Modelli (UNITN/OpenMI)
Modelli (UNITN/OpenMI)
L'approccio alla modellazione idrologica è distinto per le zone periferiche del
bacino dell'Adige, dove è preponderante il deflusso naturale, e per l'asta
principale dove invece è fondamentale considerare le opere artificiali:
z
Zone periferiche del bacino: viene applicato un modello afflussi deflussi
per il calcolo della portata
z
Asta
principale:
si
applica
un
modello
di
propagazione
monodimensionale della portata tenendo in considerazione eventuali
immissioni e derivazioni sia naturali che artificiali.
Modelli (UNITN/OpenMI)
Meteo
Neve
Evapotraspirazione
Serbatoi e
derivazioni
Deflusso:
Generazione e propagazione
Modelli (UNITN/OpenMI)
-Modello di interpolazione spaziale delle piogge con kriging
Meteo
z
Evapotraspirazione
Neve
z
Interpolazione spaziale delle temperature
z
modello per il calcolo dell'evapotraspirazione potenziale
Modello per la stima dell'altezza di neve al suolo a fasce altimetriche
Infiltrazione
Deflusso
z
modello di divisione delle piogge e di infiltrazione
z
modello di deflusso su base geomorfologica
TUTTO SULLA BASE DEL
Modelli (UNITN/OpenMI):
the(digital
digital watershed
“BACINO
INFORMATICO
watershed)”
I dati per la modellazione idrologica che vengono estratti automaticamente dal DB sono:
z
dati geometrici (struttura del reticolo idrografico)
z
serie temporali (idrometri e stazioni meteo)
z
dati delle derivazioni
z
dati dei serbatoi
Secondo il modello utilizzato il territorio del bacino selezionato, chiuso alla sezione di
chiusura, viene suddiviso in:
nodi: punti singolari interni al bacino quali: idrometri, serbatoi artificiali, laghi, punti ove si
vuole conoscere la portata simulata;
z
macrobacini: aree racchiuse dalle linee di displuvio e da un nodo, o interposte tra due
nodi successivi;
z
bacini elementari: unità idrologica di base (livello di dettaglio 5 nel DB) caratterizzati da
area inferiore ai 2 km2.
Modelli (UNITN/OpenMI): database dinamico
le geometrie per l'elaborazione dei modelli vengono ricreate ogni volta ad hoc per la
simulazione grazie ad una particolare gerarchizzazione del reticolo idrografico basata sul
metodo di Pfafstetter.
Modelli (UNITN/OpenMI): la creazione delle geometrie della rete
Con questo metodo si ricavano gli elementi di monte noto il numero di
Pfafstetter del tratto di rete selezionato, è quindi possibile navigare la rete e
ricostruire i bacini.
In questa fase vengono creati i macrobacini chiusi nei nodi che l'utente
selezionerà come validi per la simulazione in corso.
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
Modelli (UNITN/OpenMI): macro bacini
nodi non attivi
Meteo
I dati meteorologici utilizzati dai modelli sono:
z
pioggia
z
temperatura
z
pressione
z
umidità
z
velocità del vento
z
radiazione solare
Questi dati vengono ragguagliati sul sottobacino elementare.
Meteo
Neve
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
z
Deflusso
Propagazione
z
il modello di propagazione risolve le equazioni di Saint Venant per
determinare le variabili idrodinamiche nel caso unidimensionale
z
l'integrazione numerica del modello monodimensionale viene fatta
usando uno schema alle differenze finite
z
si pone come condizione iniziale su tutto il tratto la condizione di moto
uniforme per la prima portata in ingresso
z
si definiscono le condizioni al contorno a monte e/o a valle a seconda
del regime della corrente
z
si possono utilizzare sezioni generiche (direttamente i dati misurati)
z
sono calcolate le immissioni e le derivazioni di portata
Propagazione: immissioni e derivazioni
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: profilo longitudinale
Villa Lagarina
Marco
Interfacce
(Java/JGRASS)
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
Interfacce
(Java/JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
parte mutuato da GRASS
Interfacce
(Java/JGRASS)
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
z
dedicato 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
INTERFACCIA
GRAFICA: JGrass
Interfaccia (JGRASS)
LAYERS VIEW
CONNESSIONE AL DATABASE
Interfaccia (JGRASS)
VISUALIZZAZIONE
DEGLI ATTRIBUTI
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un
motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato
da GRASS
z
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
INTERFACCIA
GRAFICA: JGrass
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un
motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato
da GRASS
z
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
z
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
piena
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice con un motore di
analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in parte mutuato da GRASS
z
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
z
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena
z
Comanda l’esecuzione dei modelli
z
Selezione dei modelli da utilizzare
Interfaccia (JGRASS)
Interfaccia (JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
parte mutuato da GRASS
z
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
z
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
piena
z
esecuzione dei modelli
z
attivazione e disattivazione dei punti di monitoraggio come dighe ed
idrometri
Interfaccia (JGRASS)
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
z
dedicato soprattutto all'analisi ambientale combina un'interfaccia semplice
con un motore di analisi complesso in parte sviluppato direttamente ed in
parte mutuato da GRASS
z
visualizza i dati vettoriali presenti nel database
z
visualizza altri shapefiles, raster (ortofoto, immagini satellitari, DTM)
z
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di
piena
z
esecuzione dei modelli
z
selezione dei modelli da utilizzare
z
definizione dei parametri da utilizzare
Interfaccia (JGRASS): definizione parametri di simulazione
ESECUZIONE
DELLE
SIMULAZIONI
JGRASS
Interfaccia
(JGRASS):
esecuzione
di una IN
simulazione
Visualizzazione del risultato della simulazione:
portata misurata e portata simulata
pioggia e contributo nivale
Propagazione: idrogramma di portata a villa Lagarina
12/09/2007 - 14-09/2007
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
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
immissione Leno
Propagazione: attivazione delle immissioni e delle derivazioni
immissione Leno
derivazione Montecatini
MODELLO DI PROPAGAZIONE
Propagazione: problematiche riscontrate
Problematiche riscontrate
IMMISSIONI DI PORTATA:
¾
le immissioni artificiali devono essere calcolate considerando la portata derivata e le
eventuali derivazioni presenti sul canale artificiale: queste immissioni devono conoscere la
derivazione che le ha generate
¾
le immissioni naturali possono essere inserite dall'utente oppure calcolate con il modello
idrologico. Di alcuni potrebbero esserci i dati di portata/livelli misurati alle confluenze (da
raccogliere).
DERIVAZIONI DI PORTATA: in generale non si conoscono i valori nel tempo, si conoscono
solamente i valori di portata massima concessa in derivazione
¾
derivazioni per canale artificiale devono essere memorizzate per il calcolo al momento della
reimmissione in Adige
¾
derivazioni che non rientrano in Adige vengono calcolate e non sono più utilizzate in altri
contesti
Propagazione: problematiche riscontrate
PROFILO LONGITUDINALE:
Considerando i minimi delle sezioni il profilo longitudinale del corso dell'Adige è molto
irregolare, ci sono avvallamenti di 3m di profondità in distanze dell'ordine del chilometro.
CONDIZIONI AL CONTORNO:
Come condizioni al contorno di monte e di valle si considerano le portate e i livelli negli
idrometri. Se la condizione di valle è un livello definito il modello auto-calibra la soluzione
finale. Per avere i livelli agli idrometri è necessario conoscere gli zeri idrometrici o le scale
delle portate degli idrometri sull'Adige.
Interfaccia (JGRASS)
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)
z
z
individuazione della sezione di chiusura per il calcolo dell'idrogramma di piena
z
esecuzione dei modelli
z
selezione dei modelli da utilizzare
z
definizione dei parametri da utilizzare
z
visualizzazione dei risultati della simulazione
z
possibilità di salvataggio delle simulazioni nel database HSQL e Postgres/PostGIS
Neve
INTEGRAZIONE DEI MODELLI
z
OpenMi: metodologia standardizzata di integrazione dei modelli
z
possibilità di interscambio dei modelli da utilizzare per uno stesso calcolo
z
gestione del ciclo temporale direttamente da JGrass
z
possibilità di integrare modelli scritti in linguaggi diversi: Java, Fortran, C
z
possibilità di usare altri modelli già OpenMi compliant (Sobek, HecRAS, Mike 11...)
Grazie per la vostra attenzione
