Soglie pluviometriche per l`allerta di piena nei piccoli

Soglie pluviometriche per l’allerta di piena
nei piccoli bacini piemontesi
Università della Calabria, Arcavacata di
Rende, 26 27 28 Novembre ; Piccolo
Teatro Unical
G. Ravazzani1, S. Barbero2, A. Salandin2, T. Caloiero3, M. Mancini1
1Politecnico
di Milano. – e-mail: [email protected]
2Arpa Piemonte
3CNR-ISAFOM
ABSTRACT. Negli ultimi decenni si è assistito ad una notevole crescita di attenzione verso i problemi della difesa dagli eventi alluvionali, indotta dall’aumento della intensità e della frequenza degli eventi di piena. Per
la riduzione del rischio, accanto agli interventi di tipo strutturale volti direttamente a ridurre i colmi di piena, si collocano i sistemi previsionali di tipo non strutturale. In questo contesto può rivelarsi utile la conoscenza 'a
priori' della pericolosità di un campo di precipitazione atteso o osservato per la sezione fluviale presa in considerazione. Una sintesi di queste conoscenze è rappresentata dalle linee segnalatrici di precipitazione critica
cumulata a scala di bacino, le quali definiscono i valori critici di pioggia in grado di innescare fenomeni di esondazione nella sezione di interesse del bacino colpito da un nubifragio.
L’obiettivo del lavoro presentato è la determinazione di soglie pluviometriche di allerta di piena per le sezioni critiche dei piccoli bacini presenti nel territorio della regione Piemonte e la valutazione della loro affidabilità
sulla base degli eventi storici. La valutazione delle soglie pluviometriche si è basata sulla ricerca della soluzione inversa della classica trasformazione afflussi meteorici in deflussi di piena. Infatti, assegnata una portata di
guardia nelle sezioni caratteristiche di un tronco fluviale, si determina tramite modellistica numerica la quantità di precipitazione lorda, che per diverse durate determina la portata di piena assegnata.
L’impiego della simulazione idrologica per la valutazione delle linee segnalatrici di precipitazione cumulata critica comporta l’esecuzione di esperimenti di simulazione in grado di enucleare, in base ai diversi scenari di
precipitazione che si possono potenzialmente verificare su un bacino idrografico, la configurazione critica del campo di precipitazione che corrisponde al superamento della prefissata portata critica di riferimento nella
sezione di chiusura del bacino stesso. La soluzione del problema inverso per la determinazione della precipitazione di soglia è stata condotta numericamente tramite un modello idrologico distribuito.
VALUTAZIONE DELLE SOGLIE PLUVIOMETRICHE
SCHEMA DI CALCOLO DELLA SOGLIA
CASO STUDIO
MODELLO IDROLOGICO FEST-WB
1800
Procedura automatica iterativa
1600
2
Area (km )
1400
1200
Interpolazione Spaziale
(Thiesse, IDW)
… soluzione del problema inverso della trasformazione afflussideflussi (in modo iterativo)
1000
800
600
FEST Flash – flood Event – based Spatially – distributed rainfall – runoff
Transformation
400
200
0
i(t) tentativo nesimo
PACO
SS SS
M RO OBAT
O C R O_
SA NT CH EV S
E E ET
N
_D RO TT _CRO
AMPR SS A_ ERNA
I A O B V
TRAN Y_ _G EL O
O S R B
SUAN _B ES ANO
A
PA F SA _SOR SE A
R R O _ C A N BO R A
EL N E G R
VI LA T_ NI ONE
G _C M SC E
G
L
ER
VO MOIA HI AL HIA
N U O
M
L
AG
M PEMO O_CSE NE
O D _A E LL
N
N
AN
C D O_ GORV A
AR O C
O
O
_B
T V I U GN
O NO P OS_E RO A
R V O IO LL N
G A N
O R T _E ER E
M
_
O
O
N P ST A_A_SORR
C O U G A O
AL IR R O N
A
IE IN _ G A
C
A
R O D N
BRME CA I_S _B I_V A
R
AN A RI AN AN IU
N S
N
C
AS DIZ A_ IO GO A
TE C ZO BO_EL NE
M
R
V
O
_
A
L
M S N U R R M A MI O
B A
D
LAAL NTOV U_ LONA
_L DO ENO_ PE E
C O N A B S
G
AI SA PI ES GGE_ _B ELBIO
O N A S IA BO A O
L A _ NT O _ R N
_S MA O LE CH M NA
TU R RR _B IS ID
SU
PO R TIN E_ OR OLA
SA LA L A_ O TA M A
_D NZ ON DI__C NAIDA
O S O_ G BU DEHIS R
R E S HE S M O O
A_ R T R C O N
R R UR A A_ N E
IP AV A _V M T
A E
A
_
C
AS B RI ALL DI AR IRA
A
_ A
TO AL AS _V E_ LA IT
S
S
A
R A _C L IA_ C NZ A
Q
I N E U
R O
U
IN NO _B RMZZ MA IV
TO _S EN E O ZZ IA
G T I L _O IN
_
FO
V UA U R G L I R I
SS VILER ZZ A_NO _ORBA
AN LA CE OR DI _O B
F L A _L R A
O
_ R R L E _ A CO
TOST ACAN SE SC NZ
U
R R COCA _C RIV O
FAINO A_ NI _PEER IA
R _D DI_ GI LL VO
I
_
C GLI OR DE MAICE
AS A A M IR
_
N
C SI O R ON A
AN N _ IP T
D E_ TA AR E
O B N IA
G O A
L I RM R O
A_ I
T O DA
C
E
FEST-WB: Flash – flood Event – based Spatially –
distributed rainfall – runoff Transformation – including
Energy and Water Balance
Forzanti
Metereologiche
Parametri Suolo
Dinamica
Neve
Parametri
Vegetazione
Bilancio
Idrologico
Dinamica
Ghiaccio
DEM
Falda
Deflusso subsuperficiale
Direzioni di
flusso
50 bacini sul territorio piemontese con aree variabili da 50 a 1600 km2
buona copertura del bacino dalla mappa radar.
Processi
Variabili
interne
Ravazzani, G., Ghilardi, M., Mendlik, T., Gobiet, A., Corbari, C., Mancini, M. (2014), Investigation of Climate
Change Impact on Water Resources for an Alpine Basin in Northern Italy: Implications for
Evapotranspiration Modeling Complexity. PLoS ONE, 9(10): e109053. doi:10.1371/journal.pone.0109053
2.
presenza di un misuratore di portata necessario alla calibrazione del modello idrologico usato per
il calcolo della soglia pluviometrica;
4.
Input
Idrogrammi
1.
bacino idrografico di dimensioni medio-piccole per il quale non risulta applicabile un sistema di
allertamento basato sulla propagazione dell’onda di piena;
disponibilità dei valori di portata di esondazione (codici di allerta);
LEGENDA
Laghi e
serbatoi
Output
L’area di studio include le sezioni idrografiche del bacino del Po e dei suoi affluenti ricadenti all’interno del
territorio della Regione Piemonte. In particolare, i criteri considerati per la scelta delle sezioni di calcolo sono
stati:
3.
Definizione
Reticolo Idrografico
Ruscellamento
Reinfiltrazione
Percolazione
Corbari, C., and Mancini, M. (2014), Calibration and validation of a distributed energy water balance model using
satellite data of land surface temperature and ground discharge measurements, Journal of hydrometeorology, 15,
376-392.
Boscarello, L., Ravazzani, G., Rabuffetti, D., Mancini, M. (2014), Integrating glaciers raster-based modelling in large
catchments hydrological balance: the Rhone case study, Hydrological Processes, 28(3), 496-508. doi:
10.1002/hyp.9588.
CALIBRAZIONE DEL MODELLO IDROLOGICO
ESEMPIO DI SOGLIE CALCOLATE
Intensità
Ietotipopioggia
1
costante
300
Gli indici per la valutazione delle performance del modello sono l’errore medio percentuale sulla
portata al colmo (mean biased error, MBE) e l’errore medio percentuale sulla portata al colmo in
valore assoluto (mean absolute error, MAE):
MBE 
max
max
Qsim
,i  Qobs ,i
i 1
max
Qobs
,i

max
max
Qsim
,i  Qobs ,i
n
MAE 
n
Pioggia (mm)
n
250

max
Qobs
,i
i 1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
200
150
100
50
n
300
0
0
6
12
300
Errore medio relativo
ottenuto nelle singole
sezioni
24
30
Durata (ore)
36
42
48
Ietotipopioggia
3
Intensità
decrescente
250
Pioggia (mm)
dove n indica il numero degli eventi disponibili per la sezione considerata, la portata al colmo
simulata dal modello e la portata al colmo osservata.
Il periodo considerato è stato suddiviso in periodo di calibrazione e validazione in modo da
utilizzare l’80% del numero degli eventi per la fase di calibrazione e la rimanente parte del 20%
per la validazione del modello.
La calibrazione viene ritenuta soddisfacente se la media degli errori relativi risulta minore del
20%, percentuale
18
Ietotipo 2
Intensità pioggia
crescente
250
Pioggia (mm)
CALIBRAZIONE DEL MODELLO IDROLOGICO
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
200
150
100
50
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
200
150
100
50
0
0
6
12
18
24
30
Durata (ore)
36
42
48
Soglie per diversi
gradi di saturazione
0
0
6
12
18
24
30
Durata (ore)
36
42
48
ANALISI DI AFFIDABILITA’
DEFINIZIONI
400
80
200
40
Portata [m3/s]
Portata [m3/s]
120
Pioggia Cumulata [mm]
GIUSTO ALLARME
140
1800
ALLARME
100
1200
60
600
20
Indice POD rispetto all’indice FAR ottenuto dalle soglie
pluviometriche.
10
15
20
0
5
10
tempo [ore]
Idrogramma
Portata di guardia
Soglia Pluviometrica
2000
120
1200
ALLARME
800
40
400
0
0
10
Idrogramma
20
30
tempo [ore]
Portata di guardia
Pioggia Cumulata
X
X Y
Z
FAR 
X Z
POD 
40
Pioggia Cumulata
30
35
Soglia Pluviometrica
MANCATO ALLARME
120
1200
GAP
80
800
40
400
PERICOLO
0
50
Soglia Pluviometrica
Idrogramma
5
10
15
tempo [ore]
Portata di guardia
20
Pioggia Cumulata
0.6
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
25
0.0
0.2
0.4
Soglia Pluviometrica
X
CSI 
X Y  Z
X W
CPI 
X Y  Z W
0.6
0.4
0
0
0.8
0.8
160
1600
Portata [m3/s]
80
Portata di guardia
25
2000
Pioggia Cumulata [mm]
FALSO ALLARME
1600
Portata [m3/s]
iDROGRAMMA
Pioggia Cumulata
15
20
tempo [ore]
POD
5
1.0
1.0
-20
SUPERAMENTOO
SSERVATO
0
0
Pioggia Cumulata [mm]
0
1.2
1.2
PERICOLO
0
Indice POD rispetto all’indice FAR ottenuto dal modello idrologico
distribuito.
POD
NO ALLARME
600
PERFORMANCE DEL MODELLO IDROLOGICO
180
2400
160
Pioggia Cumulata [mm]
800
PERFORMANCE DELLE SOGLIE
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
FAR
FAR
SUPERAMENTO
PREVISTO
POD  0.74
CSI  0.37
POD  0.76
CSI  0.45
SI’
NO
FAR  0.54
CPI  0.74
FAR  0.47
CPI  0.80
SI’
X
Y
NO
Z
W
dove X è il numero dei giusti allarme, Y è il numero dei mancati allarme, Z
è il numero dei falsi allarme e W è il numero dei corretti no allarme
CONCLUSIONI Le soglie pluviometriche di allarme di piena costituiscono uno strumento che permette di discriminare se la precipitazione meteorica prevista o in atto determini, in sezioni critiche del reticolo
idrografico, portate di piena tali da destare stato di allerta negli organismi preposti alle funzioni di protezione civile. Fissata la sezione fluviale esse individuano l'altezza di precipitazione lorda ragguagliata che per diverse
durate genera la portata di guardia. Una fase importante del lavoro svolto ha riguardato la calibrazione del modello idrologico distribuito che ha preso in considerazione gli eventi principali registrati nel periodo compreso
tra il 2000 ed il 2011, per un numero totale di eventi pari a circa 500. Questa fase del lavoro ha permesso anche di individuare le sezioni che presentano problemi nella misura di portata o delle precipitazioni o per le quali
semplicemente il modello idrologico non rappresenta correttamente i processi idrologici. Queste sezioni sono state escluse dalle analisi successive in quanto ritenute inaffidabili.
Per 40 sezioni sono state calcolate le soglie pluviometriche considerando la combinazione di 3 andamenti temporali caratteristici della precipitazione (ietotipi) e di 11 valori di grado di saturazione iniziale del bacino
idrografico compreso tra i valori estremi 0-1. La procedura iterativa ricerca quel valore di precipitazione cumulata capace di causare un idrogramma con portata al colmo pari al codice di allerta 2, assunto come riferimento
per il sistema di allerta. La trasformazione afflussi-deflussi fa ricorso al modello idrologico distribuito precedentemente calibrato. Le soglie così calcolate sono state sottoposte a validazione, considerando le misure di
precipitazione e portata disponibili nel periodo storico considerato nell’analisi. Le performance del sistema sono risultate soddisfacenti anche in relazione a quelle che sarebbero state quelle di un sistema di allerta che
avesse usato il modello idrologico distribuito direttamente per la simulazione degli eventi di piena.