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GIT Geology and Information Technology 9 a Riunione del Gruppo di Geologia informatica - Sezione della Società Geologica Italiana Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014 Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014 The SID&GRID GIS-integrated numerical hydrological model: applications and further development I. Borsi - TEA Sistemi SpA, Pisa, Italy R. Rossetto, E. Bonari - Land Lab, Scuola Superiore S.Anna di Pisa, Italy C. Schifani – IEMEST, Palermo, Italy

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GIT – Geology and Information Technology9a Riunione del Gruppo di Geologia informatica - Sezione della Società Geologica Italiana

Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014

Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014

The SID&GRID GIS-integrated numerical hydrological model:

applications and further development

I. Borsi - TEA Sistemi SpA, Pisa, Italy

R. Rossetto, E. Bonari - Land Lab, Scuola Superiore S.Anna di Pisa, Italy

C. Schifani – IEMEST, Palermo, Italy

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Outline

Introduction to SID&GRID project

Software capability

Software structure: hydrological model

Software structure: DB and GIS interface

Ongoing developments

Future developments

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Introduction

SID&GRID Project: Simulazione e sistemi IDroinformatici per la Gestione delle Risorse IDriche

Funded under POR FSE 2007-2013 by Regione Toscana

Started in April 2010 and concluded in March 2013

Scientific partnership:Dep. of Mathematics, University of FirenzeLand Lab, Scuola Superiore S.Anna, PisaCNR--ISTI, PisaEnd-users partnership:Ingegnerie Toscane S.r.l., PisaAutorità di Bacino Pilota del Fiume Serchio, Lucca H2O Ingegneria S.r.l., Pisa See also:Rossetto, R., Borsi, I., Schifani, C., Bonari, E., Mogorovich, P., Primicerio, M., 2010. SID&GRID: hydroinformatics system for the management of the water resource. Società Geologica Italiana 85° Congresso Nazionale. Bonaccorsi, E., Carmina, B., Marchetti, D. & Pappalardo, M. (Eds.).

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Introduction (ctd.)Final goal of the project

To develop a 3D physically based distributed hydrological model (surface/subsurface water)

to be used as helpful tool by public bodies and/or private companies in order to simulate the

whole hydrological cycle and perform spatial-temporal analysis for water management and

planning

All the project was developed using open source and free codes.

SID&GRID architecture is based on:

1. integration of a DBMS (Data Base Management System);

2. development of tools/toolbar into a GIS framework;

3. integration and development of groundwater (saturated and unsaturated zone) and

surface water hydrological modeling codes in the GIS platform.

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Introduction (ctd.)

Technical/scientific staff

Core goup (developers):

Iacopo Borsi (formerly Univ. Firenze) [numerical code modifications & integration]

Rudy Rossetto (Scuola S. Anna) [hydrological supervision and testing]

Claudio Schifani (formerly CNR – ISTI) [GIS interface and DB]

Scientific supervisors:

M. Primicerio (Università degli Studi di Firenze)

E. Bonari (Scuola S. Anna)

P. Mogorovic (CNR - ISTI)

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Software capability

A GIS platform as pre- and post-processing tool to simulate the hydrological cycle

(in addition to standard GIS functionalities)

Model output can be analyzed and integrated with any other

GIS-based data (e.g. for urban planning, new infrastructure design, environmental

assessment, etc.)

Input and output data may be published on the web via WMS

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Software capability (2)

For each simulation a water budget and acontour map of total head in the aquifer areproduced

Data on discharge and head at selected locations

of a surface water body may be produced

All the data produced may be used for taking

informed and critical decisions in water resource

management and planning

SID&GRID allows to know the distribution of the water resourcein space and time

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Software capability (3)

Simulations of recharge variations toaquifers in areas run by fire.

How urban sprawling impact recharge

to the aquifers?ce management and

planning

Assessment of impacts on the hydrological cycle caused by climatechange and or urban sprawling

Example: run off generation on a slope

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Software capability (4)

Example: Simulation of the expected drawdown at the end of a dry season or thegroundwater head increase at the end of the recharge period

Asssessment pumping wells impact in sensitive areas

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Software architecture: hydrological model

SID&GRID numerical core is composed by a set of numerical packages,derived by the well-known MODFLOW “family” (U.S. Geological Survey):the user can simulate the whole hydrological cycle or just parts of it (inred: tools specifically developed or adapted in SID&GRID).

1. Groundwater flow, activating one or more “stresses”:

Effect of Well(s)

Interaction with River/Streams or Drains

Direct aquifer recharge

Other boundary conditions (e.g. lake/sea interface)

2. Water flow in the unsaturated zone with two options:

1D infiltration model (with evapotranspiration)

Full 3D solution (+ evaporation, transpiration, pond, seepage flow)

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Software architecture: hydrological model

3. Water flow in stream/river ( 1D Saint-Venant eq. (kinematic—wave approximation) andinteraction of surface/subsurface flows.

4. Possibility to activate Local Grid Refinement(s) in selected areas of interest.

5. Overland flow.

6. New Jython algorithms (directly integrated in gvSIG) to compute:

the PET (Potential Evapotranspiration) term;

Canopy interception: the net rainfall rate reaching the soil surface.

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Software architecture: DB and GIS interface

Tight coupling approach

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DB and GIS interface

Model Scenario:

the GUI core is the modeling object

included in the GIS interfaceName: StringDatabase: StringWorking directory: StringEngine: objectNotePad: objectTime unit: intSpace unit: intLayers: Vector arraySimulation: intParameters: Array

Model Scenario

Map ViewInput/output files directory

Properties GUI

Dashboard GUI

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DB and GIS interfaceSID&GRID workflowGeographical data

Model Data Object (MDO):

“Grid coordinates” and Temporal discretisation

Wrapper for

input data

generation

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Screenshots:A unique User Control Panel for the whole modeling process

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Screenshots:

An example of LGR (Local Grid Refinement) capability

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Screenshots:

3D and 2D-section visualization

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Screenshots:

OGC (WMS) Module: web publishing of your data!

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Ongoing development

MARSOL FP7 project

TEA and S. S.Anna are partners of the ongoing R&D project MARSOL (DemonstratingManaged Aquifer Recharge as a Solution to water scarcity and Drought), Funded by ECunder the FP7 Programme (section Environment Water Inno&Demo)

In particular, concerning SID&GRID:

Inclusion of SEAWAT <=> capability to simulate heat and solute transport in aquifer(s), useful to model:

(a) contamination plumes(b) well field protection areas(c) sewater intrusion(d) geothermal plants (very low/low enthalpy)(e) ...

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Ongoing developmentPorting in QGis platform

(to be confirmed)

Using QGis (instead of gvSIG) as GIS platform for SID&GRID

This might allow:

(a) a larger community of users(b) a larger community of developers(c) a rich set of GIS plug-in to be used in synergy with SID&GRID

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Proposal for HORIZON 2020

A proposal under H2020 financial scheme has been recently submitted (April 8, 2014)

Main goals:

(a) disseminating the use of SID&GRID around Europe (innovation & capacity building)(b) including additional capabilities (e.g. calibration, solute transport in unsat. zone, water management software)

Core group: TEA, Scuola S.Anna, TU Darmstadt

And other (14) partners from: Spain, Germany, Romania, Greece, France, Malta, Estonia, Ukreine, Slovenia, Turky, Czech Rep, UNESCO, …

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Spin off services

TEA and Scuola S.Anna are proposing a series of activities (as market up-take of theresearch product)

1. CONSULTING- Using SID&GRID to provide groundwater modeling services- Support for software installation- Consulting and support in using SID&GRID

2. TRAINING- Classroom courses and custom training classes

3. DEVELOPMENT and SOFTWARE MAINTANANCE- Consulting to develop new customized capabilities- Integration with other in house activities (environmental monitoring, air pollution,landfills, soil remediation, etc.)

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Contacts:

Web site (you can download the software, User Manual, Tutorials)

http://sidgrid.isti.cnr.it

Iacopo [email protected]

Rudy [email protected]