Complementi di idrologia - relazione

C

attraverso opportune prove sperimentali, tra due grandezze: K = .

c ET

O

Con riferimento al manuale della FAO , il termine ET è definito evapotraspirazione di

1 O

riferimento, ovvero la quantità di acqua persa nell’unità di tempo per evaporazione dal suolo

e per traspirazione da parte di una coltura di riferimento coltivata a taglia bassa (8÷15 cm),

in fase di attivo accrescimento, ricoprente completamente il terreno ed in condizioni di

disponibilità idrica non limitante.

L’evapotraspirazione di riferimento è influenzata esclusivamente da fattori climatici e può

essere valutata attraverso la formula di Penman-Monteith:

(R

Δ ∙ − G) + ρ ∙ c ∙ (e − e )/r

n a p s a a

λ ∙ ET = r

s

Δ + γ ∙ (1 + )

r

a

dove: λ ∙ ET = flusso evapotraspirativo [MJ m d ];

 -2 -1

1 Crop evapotranspiration – Guidelines for computing crop water requirements – FAO Irrigation and drainage paper 56

16

Capitolo III

R = radiazione netta [MJ m d ];

 -2 -1

n

G = flusso di calore del suolo [MJ m d ];

 -2 -1

(e -e ) = differenza tra la tensione di vapore saturo e la tensione di vapore dell’aria

 s a

[KPa];

ρ = densità dell’aria a pressione costante [Kg m ];

 -3

s

c = calore specifico dell’aria a pressione costante [KJ Kg °C ];

 -1 -1

p

= pendenza che esprime la tensione di vapore saturo in funzione della temperatura

 Δ

[kPa °C ]

-1

γ = costante psicrometrica [KPa °C ];

 -1

r /r = resistenza della superficie [s m ] / resistenza aerodinamica [s m ].

 -1 -1

s a

Il termine ET rappresenta invece l’evapotraspirazione massima, ovvero la quantità di acqua

c

persa nell’unità di tempo da parte di una coltura ordinaria in buono stato fitosanitario e in

condizioni non limitanti di fertilità e di rifornimento idrico.

Il coefficiente colturale K è quindi un fattore moltiplicativo di correzione delle differenze che

c

si riscontrano nell'evapotraspirazione di una certa coltura rispetto a quella di riferimento e

tiene conto della stagione, della tipologia di coltura, della copertura vegetale e dell’età della

pianta.

Per tale motivo K varia nell’arco della stagione ed il suo cambiamento è schematizzato

c

attraverso la cosiddetta curva del coefficiente colturale che permette di individuare il valore

del K corrispondente ai diversi stadi di sviluppo o di crescita delle colture.

c

Il periodo di crescita è suddiviso in quattro fasi; la fase iniziale, la fase di sviluppo, la metà

della stagione e la fine della stagione(Figura 3. 12).

Figura 3. 12: Curva del coefficiente colturale K c. 17

Capitolo III

La durata temporale delle varie fasi ed i valori assunti dal coefficiente colturale sono ricavabili

dalla Table 11 e Table 12 del Capitolo 6 del manuale della FAO.

A titolo esemplificativo, nel caso di oliveti, i valori rappresentativi risultano (Tabella 3. 2 e

Tabella 3. 3):

durata della fase iniziale della crescita (init ): 30 giorni;

 durata della fase di sviluppo (Dev): 90 giorni;

 durata della metà della stagione (Mid): 60 giorni;

 durata della fine della stagione (Late): 90 giorni;

 coefficiente colturale della fase iniziale (K ): 0.65;

 c ini

coefficiente colturale della metà della stagione (K ): ): 0.7.

 c mid

coefficiente colturale di fine stagione (K ): 0.7.

 c end

Tabella 3. 2: Durata delle fasi di sviluppo delle colture (fonte: Table 11 manuale FAO).

Tabella 3. 3: Valori del coefficiente colturale (fonte: Table 12 manuale FAO). 18

Capitolo III

Per fornire il crop coefficient al software MOBIDIC è stato necessario costruire un file .txt da

inserire nella stessa cartella contenente i dati meteorologici e caratterizzato da una struttura

con 13 valori; il primo valore è il codice numerico che identifica la tipologia di coltura (il

codice corine), gli altri rappresentano il valore medio mensile del K per quella determinata

c

tipologia di coltura.

Seguendo la stessa procedura per tutti i codici di uso del suolo del bacino oggetto di studio

sono stati ottenuti i valori riportati in Figura 3. 13.

Figura 3. 13: Tabella del coefficiente colturale per il bacino del torrente Pesa

Per completezza è importante sottolineare due ulteriori aspetti; in primo luogo il metodo

single crop coefficient

utilizzato nel caso in esame si basa sull’ipotesi di , ovvero di un unico

coefficiente K che ingloba sia la traspirazione della coltura sia l’evaporazione dal suolo.

c dual crop coefficient

Nel manuale della FAO è tuttavia riportato anche il metodo in cui il

coefficiente colturale è suddiviso in due coefficienti, uno per la traspirazione delle piante K ch

ed uno per l’evaporazione dal suolo K .

e

Inoltre, sempre nel manuale della FAO, viene definito anche il procedimento per la stima

dell’evapotraspirazione effettiva in condizioni non-standard ET , ovvero la quantità di

c,adj

acqua persa per evapotraspirazione nell’unità di tempo da una coltura coltivata con le

ordinarie tecniche agronomiche.

Il valore di ET può essere stimato moltiplicando l’evapotraspirazione di riferimento ET

c,adj O

per il coefficiente K che tiene in considerazione lo stress idrico ed il coefficiente K , ovvero

c,adj

s

il coefficiente colturale corretto che considera tutte le altre tipologie di stress per

l’evapotraspirazione delle colture. 19

Capitolo III

In conclusione le modalità per la stima dell’evapotraspirazione di riferimento ET ,

O

dell’evapotraspirazione massima ET e dell’evapotraspirazione effettiva ET sono riassunte

c c,adj

in Figura 3. 14.

Figura 3. 14: Evapotraspirazione di riferimento ET ed evapotraspirazione in condizioni standard (ET ) e non

o c

standard (ET ) (fonte: Figure 4 manuale FAO).

c,adj 20

Capitolo IV

Capitolo IV: Simulazione idrologica allo stato attuale

A seguito della determinazione dei dati geografici e meteorologici richiesti in ingresso dal

software MOBIDIC, la simulazione idrologica, analogamente al pre-processamento, viene

Command Prompt

eseguita dalla finestra di Windows impostando la directory relativa al file

mobidic_sid GOLOCAL MOBIDIC pesa.cfm

.cfm e digitando il comando: (Figura 4. 1).

Figura 4. 1: Simulazione idrologica allo stato attuale.

I risultati della simulazione idrologica sono restituiti nella forma di file Matlab .mat riferiti ad

pesa.cfm_mobidic.log

ogni passo temporale di simulazione ed inoltre viene creato un file

contenente la serie storica di sintesi della simulazione.

La calibrazione del modello è stata eseguita proprio attraverso il confronto dei risultati

riportati nel file .log rispetto ai valori reali di deflusso registrati dalla stazione idrometrica del

Turbone, sita in corrispondenza della sezione di chiusura del bacino oggetto di studio.

I valori di portata del torrente Pesa rilevati dall’idrometro del Turbone sono scaricabili

Banca dati

gratuitamente dalla sezione del sito web del SIR – Servizio Idrologico Regionale

con riferimento al periodo 2004 – 2013 anche se l’unico anno in cui la serie storica è completa

è il 2004.

I risultati ottenuti dalle prime simulazioni restituivano risultati fortemente discordanti

rispetto a quelli reali; i picchi di piena erano localizzati in istanti temporali diversi ed inoltre i

valori di portata della simulazione risultavano nettamente superiori rispetto a quelli reali.

La problematica relativa ai diversi istanti di localizzazione del picco di piena è stata risolta

gis processing and simulation controls

modificando nella sezione (sezione 6) del cfm il

routtype

parametro relativo al metodo di propagazione dell’onda di piena inserendo il

metodo del serbatoio lineare al posto del metodo non-lineare Muskingum-Cunge. 21

Capitolo IV

Per quanto concerne i valori della portata di deflusso, la calibrazione è stata eseguita

gis data in raster format

attraverso la modifica nella sezione (sezione 2) del cfm del

param_rasterfile.CH param_default.kf

parametro e del parametro che rappresentano

rispettivamente il coefficiente turbolento di scambio del calore tra la superficie terrestre e

l’atmosfera ed il coefficiente della conducibilità idraulica del terreno profondo (acquifero);

global land parameters

inoltre attraverso la rettifica nella sezione (sezione 4) del cfm dei

param_value.kappa param_value.alpha

parametri e che rappresentano rispettivamente il

coefficiente di assorbimento tra il volume di terreno gravitazionale e capillare ed il

coefficiente di deflusso dei versanti.

Nello specifico, i valori dei principali parametri impiegati per la simulazione sono riportati

nella Tabella 4. 1:

Simbolo Parametro Valore Unità di Misura

kf Conducibilità idraulica dell’acquifero 3·10 m/s

-7

CH Coefficiente turbolento di scambio del calore 1·10 -

-2

tra la superficie terrestre e l’atmosfera

Alb Albedo della superficie terrestre 2·10 -

-1

gamma Coefficiente di percolazione 1·10 s

-6 -1

kappa Coefficiente di assorbimento tra il volume di 2·10 s

-6 -1

terreno gravitazionale e capillare

beta Coefficiente del flusso ipodermico 1,5·10 s

-6 -1

alpha Coefficiente di deflusso dei versanti 1,5·10 s

-5 -1

Tabella 4. 1: Valore dei principali parametri assunti per la simulazione idrologica con MOBIDIC.

A seguito delle modifiche suddette il modello è stato calibrato approssimativamente in modo

corretto come evidenziato nelle figure seguenti in cui è riportato il confronto tra i valori delle

portate reali e gli outputs di MOBIDIC (Figura 4. 2) ed il confronto delle rispettive curve di

durata riportate in scala logaritmica (Figura 4. 3) e non (Figura 4. 4).

Per quanto riguarda la costruzione delle curve di durata, non essendo completi i dati delle

portate reali, sono stati considerati esclusivamente i giorni in cui la serie storica è disponibile

considerando quindi anche per gli outputs di MOBIDIC tali fasce temporali. 22

Capitolo IV

Figura 4. 2: Confronto tra i valori delle portate reali ricavate dal SIR e gli outputs di MOBIDIC (si ricordi che i dati

reali sono disponibile a partire dall’anno 2004).

Figura 4. 3: Confronto delle curve di durata in scala logaritmica. 23

Capitolo IV

Figura 4. 4: Confronto delle curve di durata.

Di seguito sono riportati ulteriori risultati forniti dal software relativamente al periodo in

esame; in dettaglio sono riportati i valori di precipitazione (Figura 4. 5), l’andamento

dell’evapotraspirazione reale e potenziale (Figura 4. 6 e Figura 4. 7), del