slide cau (1) - collana seminari crs4 2015
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Pierluigi CauEnergy and Environment ProgramCenter for Advanced Studies, Research and Development in [email protected]
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.