Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

Metodi e strumenti per la previsione operativa dei
flussi idrologici
Rigon R., Bancheri M., Abera W., Serafin F., Tasin S., Formetta G.
Grado, 19 Maggio 2016
GiuseppePenone

!2
E 'ndéveno cussì le vele al vento
lassando drìo de noltri una gran ssia,
co' l'ánema in t'i vogi e 'l cuor contento
sensa pinsieri de manincunia.
Biagio Marin, 1912
Un piccolo omaggio a Grado

!3
Esondazioni
Franamento
Inquinamento
Magre
…..
Ad ogni pericolo la sua modellazione
Quale pericolo ?
Rigon et al.

!4
Esondazioni
Una “catena” di previsione moderna: Arpa Emilia
HEC-HMS MIKE11-NAM TOPKAPI
HEC-RAS MIKE11-HD SOBEK/PAB
HMS/NAM/TOPKAPI
RAS/MIKE11/SOBEK
/PAB
Prima
catena
Seconda
catena
Terza
catena
Catena config
dall’utente
MODELLI
METEOROLOGICI
PRECIPITAZIONI
TEMPERATURA
LIVELLO/PORTATA
Osservati/Telemisura
LM/Ensemble
VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONE
E TRASFORMAZIONE DATI
Schema del progetto FEWSPo
Rigon et al.

!5
No data no party
L’aspetto dei dati
HMS/NAM/TOPKAPI
RAS/MIKE11/SOBEK
/PAB
Prima
catena
Seconda
catena
Terza
catena
Catena config
dall’utente
MODELLI
METEOROLOGICI
PRECIPITAZIONI
TEMPERATURA
LIVELLO/PORTATA
LM/Ensemble
odule Config Files
of all modules used to process/handle/manipulate data – these are
nces in DELFT-FEWS includes;
le
dule
odule
le
odule
ule
tor Module
Rigon et al.

!6
Diciamo che il problema dei dati c’è sempre, mutata
mutandis, in tutte le forme di pericolo.
Chi ci deve pensare ?
Rigon et al.

!7
Modelli idrologici e modelli idraulici
L’aspetto dei modelli
HMS/NAM/TOPKAPI
RAS/MIKE11/SOBEK
/PAB
Prima
catena
Seconda
catena
Terza
catena
Catena config
dall’utente
MODELLI
METEOROLOGICI
PRECIPITAZIONI
TEMPERATURA
LIVELLO/PORTATA
LM/Ensemble
LFT-FEWS Configuration Course 10
LFT-FEWS includes;
le
Rigon et al.

!8
Adige
• Implementa Hymod and e un meccanismo di
suddivisione dei sottobacini che usa l’algoritmo di
Pfastetter.
E possibile che la prossima versione sia suddivisa in parti.
Ad ognuno la sua catena modellistica
Rigon et al.
Formetta et al., 2011

!9
• Implementa un modello a serbatoi non lineari: può
interagire con varie altre componenti
SwB
Rigon et al.
Rigon et al., 2016

!10
deSaintVenant
• Integra l’ equazione de Saint-Venant 1D e (è parte dei
Jgrasstools)
Rigon et al.
http://abouthydrology.blogspot.it/search/label/de%20Saint-Venant%20equation

!11
Franamento
Si determina la
quantità e la
posizione del detrito/
suolo
Si applica un modello
idrologico di deflusso
nei versanti
http://www.geotop.org/wordpress/
11
Rigon et al.
Altro giro, altra corsa !

!12
Si determina il
contenuto d’acqua
del suolo
Si applica un modello
di stabilità del
versante
Si determina il
deflusso superficiale
Si determina la
portata liquida
subsuperficiale +
superficiale
Si determina quale
parte del detrito/
suolo è instabile
Rigon et al.
Un riquadro, un’operazione non banale !

!13
Una simulazione
Laprobabilitàdifranamento
13
Rigon et al.

!14
Si calcolano le portate
liquide e solide in
entrata nei punti di
interesse
Si usano le
informazioni su
portata liquida e
solida come input a
modelli idraulici
http://simidra.com/trent2d-workspace/trent-2d-ts
14
Rigon et al.
E (solo poi) poi l’idraulica

!15
Visita tecnica Università di Trento – 17/05/2016
Situazione idrologico-idraulica del 23/02/2010:
•Nessun corso d’acqua in
allerta/allarme
•Situazione ordinaria sugli
affluenti
•Stato di esaurimento di onda
di piena da 3000 m3/s
sull’asta Po
Rigon et al.
Non mio, ma esempliﬁcativo

!16
Visita tecnica Università di Trento – 17/05/2016
Sulla base della modellistica a disposizione è stata stimata la traslazione
della massa d’acqua tenendo conto della velocità della corrente.
Rigon et al.
Non mio, ma esempliﬁcativo

!17
Ma se si trattasse di sorgenti diffuse ?
es. Nutrienti (azoto, fosforo …)
Cin
Cout
Benettin, 2015
Rigon et al.
Altre sostanze, altre immissioni

!18
• Implementano modelli per il calcolo delle distribuzioni
di probabilità dei tempi di residenza: può interagire con
varie altre componenti
BP
FP
Botter et al., 2010, 2011
Backward Probability of travel times
Forward Probability of travel times
Rigon et al.
Altre componenti

!19
Time out !
Il tempo nelle precedenti è il tempo continuo, ma
spesso il temp dell’ingegnere è il tempo di ritorno
Milly et. al., 2008
Rigon et al.
Non ci facciamo mancare nulla

!20
Sì, ancora la neve
...
Che sarà della neve, del
giardino,
che sarà del libero arbitrio e del
destino
e di chi ha perso nella neve il
cammino
....
Andrea Zanzotto (La beltà, 1968)
La neve
Rigon et al.
Occhio non vede cuore non duole ?

!21
• Implementa un “degree-day”, il metodo di Casorzi-
Dalla Fontana e quello di Regina Hocks. Necessita del
calcolo della radiazione
Snow
What is there
Rigon et al.
Formetta et al. 2014

!22
Ma anche
Rigon et al.
http://www.mysnowmaps.com/it/

!23
Acque sotterranee acque superficiali
Cordano e Rigon, 2010
Rigon et al.
Occhio non vede cuore non duole ?

!24
work in progress: https://github.com/ecor/boussinesq
Boussinesq
• Implementerà l’integrazione dell’equazione di
Boussinesq risolta simultaneamente con l’equazione
delle shallow water
Casulli, 2015
Rigon et al.
Siamo ﬁduciosi nell’imminente futuro

!25
E allora ?
R. Rigon
Vogliamo soluzioni!GiuseppePenone

!26
ModiﬁedfromRizzolietal.,2005
R. Rigon
Software Engineering Solutions
Sviluppo di modelli a componenti. Gli oggetti, modelli e
dati, dovrebbero essere incapsulati in componenti, che
espongono, per il loro riutilizzo, solo le loro funzioni più
importanti. Librerie di componenti possono allora essere
riutilizzate e integrate efﬁcientemente in “frameworks” di
moderazione.
(relativamente)
Nuovi paradigmi per la modellazione

!28
Discrete units of software which are re-usable even outside the
framework, both for model components and for tools components.
Accesso trasparente ai dati, che sono resi indipendenti
dal tipo di database.
Un gran numero di strumenti (per le simulazioni, la
calibrazione, la verifica, etc.) che l’utente sarà libero di
usare (inclusi vari sistemi di modellazione).
R. Rigon
Benefits (solo alcuni)
Per maggiori dettagli qui e qui
Unità di software discrete, che sono riusabili, anche al
di fuori del loro framework di origine, per costituire
soluzioni modernistiche molto flessibili

!29
http://geoframe.blogspot.com
Rigon et al.

!30
(4.1)
@t
= Jk(t)+
i
Qki(t)° ETk(t)°Qk(t)
for an appropriate set of elementary control volumes connected together. In Eq.(5.1),
S [L3
] represents the total water storage of the basin, J [L3
T°1
], ET [L3
T°1
], and Q
[L3
T°1
] are precipitation, evapotranspiration, and runoff (surface and groundwater)
respectively. The Qis represent input fluxes, of the same nature of Q, coming from
adjacent control volumes.
a
b
Figure 4.1: The location of the Posina basin in the Northeast of Italy (a) and DEM elava-
tion, location of rain gauges and hydrometer stations, subbasin-channel link partitions
used for this modelling (b).
It is clear that Eq.(5.1) is governed by two types of terms, which can be easily identi-
fied as “inputs" and “outputs". The outputs are certainly evapotranspiration, ET, and
discharges, Q, including the Qis, because they come from the assembly of control volumes.
The inputs are J(t), but this term has to be split into rainfall and snowfall. Moreover,
other inputs are ancillary to the estimation of outputs, in particular temperature, T and
radiation Rn. Another input of the equation is the definition of the domain of integration
and its“granularity", i.e. its partition into elements for which a singe value of the state
variables is produced.
In this paper we discuss the estimation of all of these input quantities, with the
Posina
Un piccolo bacino (114 km2) in provincia di Vicenza
A small basin
Abera, 2016
Rigon et al.

!31
basin outlet, but in this application we excluded it because at these scales (of around ten
kilometers) travel time in channels is irrelevant (D’Odorico and Rigon, 2003). Eventually
the Hymod component provides an estimate of the discharge at each link of the river
network of the watershed, downstream to the HRUs.
ADIGE
Figure 5.2: The HYmod component of NewAge system and its input providing compo-
nents. It shows how different components are connected, here kriging, SWE, ETP, and
calibration component connected with Adige to solve the runoff at high spatial and
temporal resolution. The detail discussion about each component can be referred at its
respective section.
La calibrazione del modello
Schemi di lavoro
Abera, 2016
Rigon et al.

!32
CHAPTER 5. ESTIMATING WATER BUDGET MODELLING OUTPUTS AND
STORAGE COMPONENT
This could have been deduced from the data alone, However, seeing it with the other
budget components enlighten the complexity of the interactions actually in place.
0
100
200
300
400
500
01-2012
02-2012
03-2012
04-2012
05-2012
06-2012
07-2012
08-2012
09-2012
10-2012
11-2012
12-2012
Date(month)
Q,ET,S(mm/month)
Q
ET
S
0
100
200
300
J(mm/month)
Figure 5.12: The same as ﬁgure 5.11, but monthly variability for the year 2012.
Monthly budget (temporal)
JGrass-NewAGE calcola bilanci idrologici
Aberaetal,inpreparation,2016b
Rigon et al.

!33
Events
Gai eventi di piena e di magra sono riprodotti
Aberaetal,inpreparation,2016b
Rigon et al.

!34
6.1. INTRODUCTION
10
20
30 40 50
Long
Lat
a
8
9
10
11
12
13
36 38 40
Long
Lat
1000
2000
3000
4000
Elevation(m)
Lat
Station
Lake Tana
b
Figure 6.1: The geographic location of Upper Blue Nile basin in the Nile basin (a) and
digitale elevation model of the basin (b). The points in ﬁgure b are the meteorological
stations used for this study.
Several validation studies of SREs have been conducted in the Ethiopian UBN basin
(Dinku et al., 2007, 2008; Haile et al., 2013; Gebremichael et al., 2014; Worqlul et al.,
2014; Romilly and Gebremichael, 2011; Hirpa et al., 2010; Habib et al., 2012). For
instance, two comparative studies by Dinku et al. (2007) and Dinku et al. (2008) on high
Blue Nile
(175000 Km2)
Se pensiamo un po’ più in grande
Aberaetal,inpreparation,2016c
Rigon et al.

!35
We divide the UBN basin into 402 subbasins and channel links as shown in figure 7.2.
This spatial partitioning may not be the finest scale possible, however, considering the
size of the basin, it can be considered an acceptable compromise to capture the water
budget spatial variability.
ADIGE: Rainfall-runoff
Figure 7.3: Workflow with a list of NewAge components (in white), and remote sensing
data processing parts (gray shaded, not yet included in JGrass-NewAGE but performed
with R tools) used to derive the water budget of UBN. It does not include the components
used for the validation and verification processes.
The Modelling Solution
calibration phase
Schema di lavoro
Rigon et al.

!36
Discharges
Lavoriamo alla scala giornaliera
Rigon et al.

!37
Rigon et al.
Ci sarebbero molti altri temi da toccare
Interazioni tra modelli e ruolo:
Tecnico
Politico
Cittadino
I pericolo non viene mai da solo: come si combinano EU
2000/60 ed EU 2007/60
La modellazione è un’azione complessa. Chi fa cosa ? Cosa
dovrebbero fare le amministrazioni, cosa l’Università, cosa le società
di ingegneria ?

!38
Find this presentation at
http://abouthydrology.blogspot.com
Ulrici,2000?
Other material at
Domande
http://www.slideshare.net/GEOFRAMEcafe/parma-20160517-jgrassnewage-some-
about-the-state-of-art
Rigon et al.

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