Sistema informativo territoriale del Bacino del Cecina - SIRA

APPLICAZIONE DELLA DIRETTIVA COMUNITARIA 2000/60/CE
NEL BACINO DEL FIUME CECINA IN QUALITA’ DI BACINO
PILOTA
Sistema informativo territoriale del Bacino del
Cecina
APPLICAZIONE DEI MODELLI ALLO STUDIO DEL BACINO
PILOTA
Parte prima: Aspetti QUANTITATIVI della risorsa
Febbraio 2006
Revisione per Errata Corrige p. 47 del 14/03/2006
INDICE
1.
PREMESSA.......................................................................................................................3
2.
CARATTERIZZAZIONE IDROLOGICA DEL BACINO.......................................................5
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL MODELLO SWAT..............................................................5
Campi di applicazione del modello ...............................................................................9
Gli Output forniti dal modello ........................................................................................9
IL MODELLO DEL BACINO DEL FIUME CECINA ........................................................................11
I dati di input ...............................................................................................................11
Calibrazione e validazione del modello.......................................................................14
Risultati della calibrazione (periodo 1995-1998) ..........................................................15
Risultati della validazione (periodo 1999-2000) ...........................................................18
Risultati della validazione (periodo 2001-2002) ...........................................................19
Calibrazione e validazione del modello: conclusioni ...................................................21
APPLICAZIONE DEL MODELLO AL DECENNIO 1993-2002 .......................................................23
Deflussi del fiume Cecina a Ponte di Monterufoli .......................................................23
Deflussi del fiume Cecina alla foce a mare.................................................................26
Contributo al bilancio idrologico del bacino del Cecina per il decennio 1993-2002 ....29
Introduzione .................................................................................................................29
Modello idrologico: dati riassuntivi relativi al decennio 1993-2002 ...............................33
Elaborazioni grafiche e mappe tematiche relative agli output del modello..................34
3.
MODELLAZIONE DEL SISTEMA FIUME - FALDA .........................................................40
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DI SWAT E MODFLOW ......................................................40
APPLICAZIONE DEL MODELLO ALLA PIANURA ALLUVIONALE DEL FIUME CECINA ......................45
Simulazione annuale in regime stazionario ................................................................49
Simulazione stagionale in regime transitorio ..............................................................54
4.
CONCLUSIONI................................................................................................................61
5.
BIBLIOGRAFIA................................................................................................................64
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1.
PREMESSA
La Common Implementation Strategy (CIS) per la Water Framework Directive, attribuisce una
grande rilevanza al ruolo chiave che i modelli di simulazione e le tecnologie GIS possono/devono
assumere per supportare i processi partecipativi richiesti dalla Direttiva 2000/60/CE ai fini della
definizione del Piano di bacino, il documento pianificatorio nel quale devono essere identificate le
migliori fattibili soluzioni, anche sul piano economico, per conseguire gli obiettivi di qualità
ambientale indicati dalla Direttiva.
Per conseguire questo obiettivo infatti, devono essere prese in esame e comparate le implicazioni
di molteplici potenziali scenari di gestione delle risorse idriche e dei suoli a livello di bacino, come
l’implementazione di pratiche ottimali di gestione delle colture agricole (p.es. una migliore
programmazione dei tempi e delle quantità di fertilizzanti e pesticidi applicati), gli effetti di opere
multifunzionali a basso impatto ambientale (buffer zones/strips, wetlands), la realizzazione o il
potenziamento di impianti di trattamento delle acque, i cambiamenti delle pratiche di gestione dei
suoli.
Il Progetto preliminare del SIT del Cecina, approvato dal Tavolo di coordinamento ed ammesso al
co-finanziamento del Ministero dell’Ambiente, tra i requisiti generali del Sistema Informativo,
prevedeva quindi anche l’acquisizione dei modelli matematici e la gestione dei dati di input.
I modelli matematici proposti nell’ambito del progetto preliminare sono rappresentati da SWAT
(Soil and Water Assessment Tool - S.L. Neitsch, J.G. Arnold, J.R Kiniry, J.R. Williams – USDA
ARS Grassland Soil and Water Research Laboratory), come modello generale di Bacino e per le
acque superficiali e da MODFLOW, specificatamente, per le acque sotterranee. Tali modelli sono
stati riproposti nell’ambito del Progetto Esecutivo prodotto, per le parti di propria competenza, da
ARPAT nel Marzo 2005.
Più volte ARPAT, in occasione degli incontri del gruppo di lavoro SIT, ha sottolineato come il
lavoro di reperimento e predisposizione dei dati necessari richiesti genericamente in input dai due
modelli rischiava di disperdersi inutilmente se non riferito ad applicazioni su casi di studio ben
definiti.
D’intesa con gli Enti partecipanti al Gruppo di Lavoro SIT, ARPAT ha così proposto,
impegnandosi nel progetto esecutivo, una “sperimentazione” attiva dei due modelli, individuando 4
casi di studio tra le problematiche di interesse già individuate dal progetto preliminare in merito ad
aspetti sia di tutela quantitativa che qualitativa della risorsa idrica. La definizione di
“sperimentazione” consegue dagli obiettivi dei casi di studio, che sono rappresentati non tanto dai
risultati effettivi dei modelli, pur di grande interesse, quanto dalla misura delle loro potenzialità
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applicative a supporto dei processi decisionali.
Il termine “sperimentazione” è stato anche prudentemente adottato, nella fase propositiva, in
previsione di possibili difficoltà di reperimento della notevole quantità di dati richiesta per realizzare
soprattutto il modello del bacino. Reperimento e condivisione dei dati tra gli Enti sottoscrittori del
protocollo d’intesa sono risultate, infatti, come temuto, attività che hanno notevolmente contribuito
alla complicazione del lavoro. La stessa costruzione della banca dati del SIT che, fondata su
specifiche generali poteva, secondo le intenzioni del progetto preliminare, precedere la loro
acquisizione, risulta allo stato attuale non ancora effettuata, stante i pochi ed incompleti contributi
in merito.
E’ stata forse l’idea stessa di una definizione collegiale e condivisa tra tutti gli Enti, delle
“specifiche“ su dati ed indicatori utili alla gestione della risorsa, che è andata in crisi, scontrandosi,
nei fatti, con le reali disponibilità di tempo ed impegno da parte dei vari soggetti ed anche con
diversi approcci culturali e comunicativi tra i tecnici impegnati nella misura e valutazione dei dati da
un lato e quelli impegnati nella costruzione delle banche dati dall’altro.
I dati sono mancati anche alle attività di sperimentazione sui modelli, ma in questo caso, un
impegno particolare ha portato ARPAT a disporre comunque dei dati necessari, seppure in delle
forme preliminari, incomplete, da rielaborare etc. ed ad inserirli nei modelli.
In futuro, il processo di fornitura delle specifiche e costruzione della banca dati del SIT del
Cecina dovrà riprendere, concentrando gli sforzi per la riunione ed armonizzazione di dati
provenienti da fonti diverse e sempre variabili nel tempo, su quei dati che per loro natura
rappresentano degli effettivi indicatori, ovvero rappresentazioni sintetiche della complessa realtà
ambientale, attraverso il valore di un indice o di un parametro; le collezioni SIRA di ARPAT
rappresentano un contributo in tal senso.
La presente relazione riporta gli esiti della prima fase delle attività di sperimentazione, su aspetti di
tutela quantitativa, dei modelli proposti con due casi di studio relativi a:
1)
Caratterizzazione Idrologica del bacino del Cecina con ricostruzione, sulla base dei dati
meteoclimatici e delle caratteristiche morfologiche, strutturali e di uso dei suoli e delle
risorse idriche superficiali e sotterranee del bacino, dei deflussi alla stazione idrometrica di
Ponte di Monterufoli (modello SWAT realizzato dall’Ing. Guido Parchi);
2)
Modellazione del sistema Fiume - Falda del Cecina, con ricostruzione delle portate in alveo
regolate dai prelievi nella falda di subalveo nel tratto saline di Volterra – Ponte Ginori
(modello MODFLOW realizzato dal Dr. Stefano Menichetti).
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2.
CARATTERIZZAZIONE IDROLOGICA DEL BACINO
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL MODELLO SWAT
SWAT (Soil and Water Assessment Tool, Neitsch et al. [2001]) è un modello “fisicamente basato”
a scala di bacino, che è stato sviluppato per stimare l’impatto a lungo termine di pratiche di
gestione del suolo, sulle acque, sui sedimenti e sulla cessione e diffusione di prodotti chimici
utilizzati in agricoltura, in bacini complessi anche di grandi dimensioni, costituiti da suoli diversi.
L’area di applicazione di elezione di SWAT, è la valutazione degli effetti sulle produzioni
agricole, sui sedimenti (erosione e trasporto), sull’idrologia e sulla qualità dei corpi idrici,
conseguenti alle pratiche gestionali in essere o previste ed ai diversi usi del suolo, nel medio e
lungo periodo.
Il modello combina i carichi di origine diffusa (da suoli agricoli e da aree urbane) con i
contributi puntuali (scarichi di acque reflue urbane ed industriali) ed esegue il calcolo dei deflussi,
dei carichi inquinanti veicolati e della qualità delle acque, nei corsi d’acqua di un bacino. E’ in
grado di simulare sia il comportamento idrologico di un bacino, che la diffusione e trasformazione
di diversi parametri inquinanti, conservativi e non.
I processi “in stream” modellati da SWAT
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Per conseguire i suddetti obiettivi, il modello:
è “fisicamente basato”. SWAT richiede quindi la disponibilità di dati specifici sulla
meteorologia, sulle caratteristiche strutturali dei suoli, sulla morfologia, su scarichi e prelievi
idrici, sulle coperture vegetali e sulle pratiche di gestione dei suoli nel bacino. SWAT
modella quindi direttamente i processi fisici, chimici e biologici che governano il moto
dell’acqua, il movimento dei sedimenti, l’infiltrazione nel sottosuolo, la crescita delle colture,
i cicli di trasformazione dei nutrienti, il rilascio di fitofarmaci dai terreni agricoli, etc..;
necessita di dati di input che sono reperibili abbastanza agevolmente nel caso in cui si
vogliano eseguire modellazioni non particolarmente accurate;
supporta efficientemente la modellazione anche di bacini di grandi dimensioni, sui quali
possono quindi essere indagati gli effetti di molteplici strategie gestionali alternative;
Rappresentazione schematica del ciclo idrologico
rende possibile l’analisi di impatti a lungo termine (anni o anche decadi). Molti dei
problemi da analizzare in relazione ai più recenti requisiti normativi, riguardano proprio la
valutazione degli impatti a lungo termine nei corpi idrici, conseguenti all’accumulo
progressivo nei terreni di sostanze pericolose o inquinanti.
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SWAT è quindi un modello di tipo “tempo-variante”, orientato ad indagini e studi su lunghi periodi di
tempo. SWAT può gestire un singolo bacino o un sistema multiplo di sottobacini idrologicamente
connessi. Il bacino oggetto di indagine può essere organizzato, a discrezione dell’utente, in
sottobacini (vedi figura che segue), che vengono quindi suddivisi a loro volta in Hydrologic
Response Units (HRUs), superfici caratterizzate da combinazioni uniche per tipo di suolo ed uso
del suolo.
Bacino del fiume Cecina - Sottobacini e reticolo semplificato relativo alle sole aste principali
SWAT stima, per ciascun sottobacino e per le relative sezioni di chiusura (outlets), un
notevole numero di grandezze (grandezze idrologiche e parametri qualitativi di stato e di
pressione), riferite al tempo di mediazione richiesto (giorni, mesi o anni).
Indipendentemente dal problema studiato con SWAT, la modellazione di tutto quanto avviene sul
bacino si basa sul bilancio idrico. Per effettuare una predizione accurata dei movimenti di
pesticidi, sedimenti, sostanze nutrienti, etc. la modellazione del ciclo idrologico deve quindi essere
conforme e coerente con quanto effettivamente accade fisicamente sul bacino.
La simulazione del comportamento idrologico del bacino, sul piano logico, può essere organizzata
in due fasi principali:
la prima fase è quella relativa a quanto avviene sul suolo e determina la quota parte di
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acqua (deflussi) ed i carichi di nutrienti, pesticidi e sedimenti che vengono trasportati nel
corso d’acqua principale di ciascun sottobacino in cui è stato scomposto il bacino
idrografico oggetto di studio;
la seconda fase è quella relativa alla simulazione di quanto avviene all’interno dei corpi
idrici ed è quindi dedicata alla valutazione dei deflussi e successivamente delle portate in
peso e delle concentrazioni dei diversi parametri di qualità in seguito ai fenomeni di
trasporto, sedimentazione, risospensione e trasformazione biologica o chimica, che
avvengono nel reticolo di corsi d’acqua appartenenti al bacino, sino al recapito finale.
Cecina- Portate a Monterufoli
60
50
Portate (mc/s)
40
30
20
10
361
351
341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
1
11
0
Giorni
Monterufoli misurate
Monterufoli stimate
Fase di calibrazione - Portate misurate e portate simulate a Monterufoli nell’anno 1998.
Per supportare le attività di taratura del modello, devono essere utilizzati gli esiti dei controlli
eseguiti negli ultimi anni presso le stazioni della rete regionale di monitoraggio e le serie storiche di
misure delle portate nelle sezioni di controllo.
Dopo avere eseguito la taratura del modello, è quindi possibile stimare le evoluzioni future
dei medesimi parametri in relazione a possibili scenari pianificatori, climatici, regolamentari e ad
azioni di riduzione dei carichi inquinanti originati dalle diverse fonti puntuali e diffuse (p.es.
applicazione di BMP (Best Management Practice) in campo agricolo, introduzione di limiti più
restrittivi agli scarichi industriali,…).
La costruzione e la messa a punto del modello matematico di un bacino, richiede
comunque un notevole impegno per la raccolta, il controllo, la rielaborazione e la preparazione dei
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dati di input, variabile in funzione della qualità e completezza del materiale disponibile.
Campi di applicazione del modello
Il campo di applicazione del modello SWAT è veramente esteso e le reali limitazioni possono
essere date solo dalla effettiva disponibilità dei dati di input richiesti, in relazione agli obiettivi dello
studio:
Effettuare una dettagliata caratterizzazione idrologica di un bacino e valutare gli impatti
sulle risorse idriche derivanti dagli usi attuali e pianificati;
Identificare le aree a rischio sotto il profilo della qualità delle acque e quindi le aree
prioritarie per gli interventi di risanamento e di controllo;
Fornire informazioni sulla distribuzione spaziale e sull'
effettiva importanza, anche relativa,
delle diverse fonti di inquinamento puntuali e soprattutto diffuse (di origine agricola);
Valutare in modo congiunto sia l'
entità degli scarichi inquinanti, che i meccanismi della loro
dispersione e quindi gli impatti sui corpi idrici recettori, anche con riferimento alle diverse
situazioni climatiche ed ai regimi idrologici stagionali;
Valutare i massimi carichi inquinanti compatibili con le capacità di autodepurazione dei
diversi corpi idrici, con i regimi idrologici stagionali e con gli obiettivi di qualità ambientale
definiti dal D.Lgs. 152/99 o con i requisiti della Direttiva 2000/60/CE;
Valutare e comparare gli effetti ed i rapporti costi/benefici ambientali, di strategie alternative
di regolamentazione e di gestione delle risorse idriche, dell’uso dei suoli (BMP) e di
limitazione degli scarichi idrici (confronto di scenari);
Stimare i massimi carichi inquinanti accettabili per un corso d’acqua ed il deflusso minimo
vitale.
Gli Output forniti dal modello
Per ciascun sottobacino in cui l’utente decide di scomporre il bacino principale, SWAT fornisce
l’andamento nel tempo di un gran numero di parametri di output. Tra i principali troviamo:
Portate medie giornaliere (anche su base mensile ed annuale) nelle sezioni di chiusura;
Andamento
temporale
di
tutte
le
componenti
del
bilancio
idrologico
(runoff,
evapotraspirazione, deflusso ipodermico, deflusso di base, perdite dagli alvei, infiltrazione
efficace, ricarica dell’acquifero superficiale,….);
Bilancio di massa relativo a ciascun parametro di qualità simulato;
Evoluzione delle concentrazioni dei parametri qualitativi presi in esame (sedimenti, CBOD,
P solubile, Nitrati, N organico, OD, carica batterica, fitofarmaci, metalli,…), nelle sezioni di
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chiusura;
Evoluzione delle colture (biomassa prodotta, rese al raccolto, superficie fogliare,…) in
relazione alle pratiche gestionali simulate;
Apporti idrici e trasferimento di inquinanti alla zona insatura ed alla falda freatica
sottostante;
Evoluzione delle concentrazioni dei parametri qualitativi presi in esame, nelle sezioni di
interesse;
Masse di inquinanti e di sedimenti (erosione) veicolate da ciascun sottobacino;
Contributo relativo al bilancio di massa dei diversi parametri inquinanti derivante sia dai
singoli sottobacini che da ciascuna HRU.
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IL MODELLO DEL BACINO DEL FIUME CECINA
I dati di input
La costruzione del modello matematico del bacino del fiume Cecina, ha richiesto il preliminare
reperimento di tutti i dati di base necessari ed una puntuale verifica dei rispettivi contenuti
informativi. L’esistenza delle diverse classi di dati, presso i rispettivi Enti gestori, non rappresenta
infatti una condizione sufficiente per poter correttamente realizzare un modello fisicamente
coerente, in quanto le diverse basi dati devono anche essere complete, devono contenere gli
attributi chiave richiesti dal modello matematico (ad esempio, la disponibilità di un catasto degli
scarichi idrici che non riporti le portate ed i carichi inquinanti effettivamente scaricati, non
rappresenta una base dati utilizzabile per alimentare correttamente un modello matematico come
SWAT), devono essere sufficientemente precise e devono essere rappresentate in scale
compatibili con gli obiettivi della modellazione.
Il modello SWAT sull'
intero Bacino del Cecina, integra le seguenti basi dati:
stazioni idro-meteorologiche del Servizio Idrologico della Regione Toscana;
DEM e reticolo idrografico del Servizio Geografico della Regione Toscana;
carta dei suoli del Settore Foreste e Patrimonio Agroforestale della Regione Toscana;
carta di uso del suolo CORINE 2000. In questa prima fase di messa a punto del modello,
non è stato possibile utilizzare la carta di uso dei suoli di maggiore dettaglio, messa a punto
dal LAMMA, in quanto la conclusione dei lavori non era compatibile con i tempi di
predisposizione del modello matematico; da una prima analisi dei risultati ottenuti
comunque, la scala della carta di uso dei suoli CORINE 2000 sembra ben rispondente ai
requisiti di una modellazione a scala di bacino;
dati sulle pratiche di gestione delle colture agricole forniti da ARSIA (tipi di colture
prevalenti sul bacino, criteri di rotazione, caratteristiche chimiche e modalità di utilizzo di
fertilizzanti, etc.);
dati forniti dal gruppo di lavoro del Ministero dell’Ambiente e Tutela del Territorio, riguardo
la quantificazione delle pressioni derivanti dagli scarichi di acque reflue urbane depurate e
non; tali dati sono stati integrati anche da ulteriori informazioni su alcuni sistemi di
depurazione presenti nel bacino, fornite dall’ASA di Livorno e da dati in possesso di
ARPAT;
dati quantitativi e sulla distribuzione dei prelievi medi annui, riportati nel Bilancio
Idrogeologico del Bacino del Fiume Cecina prodotto dall’Autorità di Bacino Toscana Costa
(Studio redatto a cura del prof. Pranzini);
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dati sui controlli degli scarichi industriali e sulla qualità delle acque superficiali, rilevati da
ARPAT e disponibili nei data base del SIRA Toscana.
Nelle figure che seguono sono riportate alcune rappresentazioni cartografiche e grafiche relative
alle basi dati di input del modello.
Orciatic
Volterra
Miemo
VolterrT
Mont_V-C
Terricci
Riparbel
ScorgiaT
Saline_V
Casole_E
Pontegin
Puretta
Cecina
CecinaT
Simignan
Bacino del Cecina
Montescu
LardereT
Serrazza
Anqua
Canneto
Cast_Car
Monterot
Sassetta
LIVORNO
SuveretT
Stazioni termo-pluviometriche risultate idonee per
realizzare il modello matematico (Il colore verde
identifica i soli pluviometri mentre il colore fucsia le
stazioni comprendenti anche misure termometriche).
Bacino del Cecina – DEM e sottobacini individuati per
l’applicazione del modello SWAT.
Carta degli Usi del suolo ex CORINE 2000 riclassificata
per il modello SWAT
Carta dei suoli in scala 1:250.000
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Fiorino
RiparbellaCapoluogo
MontescudaioCapoluogo
GuardistalloCapoluogo
Ponteginori
Montecatini V. di C.Capoluogo
RadicondoliCapoluogo
Serrazzano
Montecerboli
Larderello
C astelnuovo V. di
Cecina
Casole d'
ElsaCapoluogo
PomaranceCapoluogo
Volterra-Capoluogo
Saline - Centro
Abitato
C onsumi idrici m edi annui (m c/a)
Solvay Montescudaio/Riparbella
ENEL - Campo geot.
Larder. (Acq. prof.)
ENEL - Campo geot.
Larder. (Acq. sup.)
Solvay (Derivazione loc.
Steccaia)
Solvay a monte di
Monterufoli
Saline - ETI
Saline - ALTAIR
Prelievo medio annuo (mc/a)
Principali prelievi ad uso industriale
7000000
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
Soggetto/Località
Prelievi ad uso industriale del Bacino del Fiume Cecina
Consumi medi annui per località
800000
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
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Località/Com une
Consumi idropotabili del Bacino del Fiume Cecina
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Scarichi idrici
800000
Portate medie annue (mc/a)
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
Radicondoli-Capoluogo
Fiorino
Serrazzano
Montecerboli
Larderello
Castelnuovo V. di C.-Capol
Riparbella-Capoluogo
Guardistallo-Capoluogo
Montescudaio-Capoluogo
Ponteginori
Casole d'
Elsa-Capoluogo
Montecatini V. di C.-Capol
Volterra-Capoluogo
Pomarance-Capoluogo
Saline - ATI
Saline - ALTAIR
Saline - Centro Abitato
0
Località/Soggetto
Scarichi Idrici principali del Bacino del Fiume Cecina
Calibrazione e validazione del modello
La calibrazione di un modello matematico consiste essenzialmente nella ricerca dei parametri che
minimizzano la differenza tra una serie di misure della grandezza oggetto di simulazione e le stime
effettuate dal modello matematico con riferimento alle medesime condizioni al contorno, o
“condizioni di sollecitazione del sistema”. E’ buona regola effettuare la calibrazione di un modello
su una serie di dati e quindi testarne la capacità previsionale su una serie diversa, non utilizzata
per la calibrazione (validazione del modello).
La calibrazione del modulo idrologico di SWAT è stata quindi effettuata attraverso la ricerca dei
parametri del modello che hanno consentito di minimizzare le differenze tra le portate misurate e
quelle stimate dal modello, presso la stazione idrometrica di Monterufoli. L’affidabilità della
calibrazione effettuata è stata poi verificata confrontando le stime del modello con due altre serie di
misure:
•
la prima caratterizzata dalla disponibilità, nello stesso periodo di tempo, di misure dirette o
ricostruite delle altezze di pioggia e delle temperature massime e minime giornaliere,
presso tutte le stazioni considerate;
•
la seconda caratterizzata, invece, nello stesso periodo di tempo, dall’assenza totale di
misure di temperatura e da una parziale disponibilità di misure delle altezze di pioggia; i
dati mancanti sono stati quindi stimati da SWAT tramite il generatore interno di misure
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meteoclimatiche, sulla base dei parametri statistici di lungo periodo calcolati per le tre
stazioni di riferimento climatico individuate.
La serie di misure di portata, cui si è fatto riferimento per la calibrazione e la validazione del
modello, è una serie continua di portate medie giornaliere dall’anno 1993 all’anno 2002 compresi,
fornita dal Servizio Idrologico regionale. La serie è stata suddivisa in tre periodi:
1. misure dal 1995-1998: questo primo periodo, è stato utilizzato per la calibrazione
del modello;
2. misure dal 1999-2000: questo secondo periodo, è stato utilizzato per la validazione
del modello;
3. misure dal 2001-2002: questo terzo periodo, è stato utilizzato per la validazione del
modello in situazioni di assenza o di parziale disponibilità di dati di pioggia e di
temperatura. Questa verifica era quindi orientata a valutare l’affidabilità di SWAT
quando, in assenza di misure reali, subentra il generatore di dati meteoclimatici
La misura dell’accuratezza previsionale del modello è stata effettuata anche tramite il test di
efficienza di Nash-Sutcliffe, molto utilizzato in campo modellistico.
Il valore del coefficiente R2 di Nash-Sutcliffe1, è dato dalla seguente equazione:
Dove:
Qi = misura reale di portata
Qi’ = portata stimata dal modello
Q = media delle portate misurate nel periodo di riferimento.
Risultati della calibrazione (periodo 1995-1998)
Il processo di calibrazione del modello del bacino del fiume Cecina ha richiesto un gran numero di
simulazioni e successivi affinamenti dei parametri a maggiore sensitività. Anche se esistono degli
strumenti automatici di calibrazione, peraltro di difficile configurazione, si è preferito seguire un
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processo manuale, passo a passo, che ha consentito di acquisire parallelamente anche una
approfondita conoscenza del comportamento idrologico del bacino e della sensitività del modello ai
diversi parametri. Tutti i parametri del modello sono stati inoltre mantenuti entro campi di
valori compatibili con le caratteristiche fisiche e con le effettive pratiche di gestione dei suoli
del bacino.
Sotto il profilo metodologico, sono stati dapprima verificati i bilanci idrici nei singoli anni e nel
periodo di riferimento per la calibrazione e quindi, ottenuti risultati soddisfacenti, si è passati ad
una fase di calibrazione di maggiore dettaglio, in cui si sono cercati i parametri che meglio
consentivano di approssimare le misure giornaliere di portata e, quindi, la sovrapposizione della
curva delle portate misurate con quella delle portate simulate.
Vengono forniti di seguito sia i dati di sintesi che l’andamento delle portate.
Risultati ottenuti:
Coefficiente di Nash-Sutcliffe:
0,71
Portata media misurata Qmis:
3,135 m3/s
Portata media stimata Qstim:
3,131 m3/s
Differenza % (Qmis/Qstim-1):
0,1%
Volume medio annuo da misure:
98,8 Mmc
Volume medio annuo stimato dal modello:
98,7 Mmc
data Stream flow (Daily)
SWAT REACH11: FLOW_OUTcms (Daily)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
Multiple Data Series
75
70
65
60
55
50
1995 1996 1997 1998
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
11-04-1995
28-10-1995
15-05-1996
01-12-1996
19-06-1997
05-01-1998
24-07-1998
Portate misurate e portate stimate dal modello a Monterufoli nel periodo di calibrazione (1995-1998).
!
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5
/
70
120
60
100
50
Portate (mc/s)
Portate (mc/s)
80
40
30
60
40
20
20
10
351
361
361
341
321
311
331
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
Giorni
Monterufoli misurat e
Monterufoli stimate
Monterufoli misurate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 1995
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 1996
120
60
100
50
80
40
Portate (mc/s)
60
30
40
20
20
10
)(
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341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
191
181
201
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 1998
!
%( ) ( %
171
Monterufoli misurat e
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 1997
# $% & $% '
161
Giorni
Giorni
Monterufoli misurate
151
141
131
121
111
101
91
81
71
61
51
41
31
1
361
351
341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
101
91
81
71
61
51
41
31
21
1
11
21
0
0
11
Portate (mc/s)
351
Giorni
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
1
11
361
351
341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
11
0
1
0
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52
/
Risultati della validazione (periodo 1999-2000)
Dopo la fase di calibrazione, l’affidabilità del modello è stata verificata riapplicandolo a diversi
periodi di tempo. Per queste simulazioni, sono quindi stati mantenuti i medesimi valori dei
parametri precedentemente oggetto di calibrazione, ma introducendo i dati meteoclimatici del
periodo 1999-2000, ovvero le effettive condizioni di sollecitazione del sistema. Tutti gli altri dati di
input potenzialmente variabili nel tempo, quali scarichi e prelievi idrici o le pratiche gestionali
agricole, sono invece stati mantenuti costanti. Tale pratica è assolutamente comune, a meno di
variazioni veramente significative, in quanto:
•
tali informazioni non sono quasi mai disponibili, a questo livello di dettaglio,
•
trascurare le oscillazioni giornaliere o stagionali di alcune condizioni al contorno è più che
accettabile per un modello a scala di bacino (ma anche a scala di asta fluviale), in virtù del fatto
che eventuali modeste variazioni nel tempo di certe variabili non sono in grado di influire
significativamente sui risultati delle simulazioni e sono compatibili con gli obiettivi insiti
nell’applicazione di questo tipo di modelli (che consistono nel supporto ai processi di
pianificazione ambientale dell’uso del territorio e delle risorse idriche, nel medio e lungo
periodo).
Il primo periodo di validazione del modello si riferisce agli anni 1999-2000, periodo per il
quale tutte le serie storiche di misure di pioggia e di temperatura si presentavano senza “buchi”
(anche se queste, in alcuni casi, erano state completate tramite appositi algoritmi statistici di
ricostruzione dei dati mancanti)
Risultati ottenuti:
Coefficiente di Nash-Sutcliffe:
0.724
Portata media misurata Qmis:
4,27 m3/s
Portata media stimata Qstim:
4,22 m3/s
Differenza % (Qmis/Qstim-1):
-1,2%
Volume medio annuo da misure:
134,8 Mmc
Volume medio annuo stimato dal modello:
136,5 Mmc
Il valore del coefficiente di Nash-Sutcliffe è in questo caso addirittura di poco superiore
rispetto a quello ottenuto con riferimento al periodo di calibrazione ed anche la differenza % tra i
valori di portata mediamente stimati e quelli misurati, è minima.
Nelle seguenti due figure si trovano sovrapposti i valori dei deflussi misurati a Ponte di
Monterufoli ed i corrispondenti valori stimati dal modello matematico.
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* %
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53
/
120
100
Portate (mc/s)
80
60
40
20
301
311
321
331
341
351
311
321
331
341
351
361
291
301
281
291
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
1
11
0
Giorni
Monterufoli misurate
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 1999
160
140
120
Portate (mc/s)
100
80
60
40
20
361
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
101
91
81
71
61
51
41
31
21
1
11
0
Giorni
Monterufoli misurate
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 2000
Risultati della validazione (periodo 2001-2002)
Il secondo periodo di validazione del modello, si riferisce agli anni 2001-2002, periodo per il quale
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54
/
erano disponibili solo alcune serie storiche di misure di pioggia e nessuna serie storica di misure di
temperatura. Per i dati mancanti, in questo caso, si è lasciato intervenire il generatore di dati
meteoclimatici di SWAT, per valutarne l’affidabilità.
Risultati ottenuti:
Coefficiente di Nash-Sutcliffe:
0,687
Portata media misurata Qmis:
4,048 m3/s
Portata media stimata Qstim:
4,046 m3/s
Differenza % (Qmis/Qstim-1):
0,0%
Volume medio annuo da misure:
127,70 Mmc
Volume medio annuo stimato dal modello:
127,65 Mmc
Il valore del coefficiente di Nash-Sutcliffe si è lievemente ridotto rispetto a quello ottenuto con
riferimento al periodo di calibrazione, mentre la differenza % tra i valori di portata mediamente
stimati e quelli misurati è praticamente nulla.
Nelle seguenti due figure si trovano sovrapposti i valori dei deflussi misurati a Ponte di
Monterufoli ed i corrispondenti valori stimati dal modello matematico.
90
80
70
Portate (mc/s)
60
50
40
30
20
10
361
351
341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
11
1
0
Giorni
Monterufoli misurate
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 2001 (con stazione Scorgiano)
!
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100
90
80
Portate (mc/s)
70
60
50
40
30
20
10
361
351
341
331
321
311
301
291
281
271
261
251
241
231
221
211
201
191
181
171
161
151
141
131
121
111
91
101
81
71
61
51
41
31
21
1
11
0
Giorni
Monterufoli misurate
Monterufoli stimate
Portate misurate e stimate a Monterufoli – Anno 2002 (con stazione Scorgiano)
Calibrazione e validazione del modello: conclusioni
Gli esiti delle attività di calibrazione del modello del bacino del Cecina hanno fornito risultati molto
soddisfacenti, sia dal punto di vista della valutazione soggettiva che in termini statistici. Il valore del
coefficiente di efficienza di Nash-Sutcliffe, con riferimento ai deflussi simulati per il periodo di
calibrazione, presenta un valore pari a 0,71. Le portate medie del periodo di riferimento per la
calibrazione, differiscono da quelle misurate dello 0,1%; il margine di errore è quindi inferiore a
quello che viene normalmente attribuito, come margine di incertezza, alle misure delle portate di
un corso d’acqua basate sull’impiego di idrometri e scale di deflusso.
Il modello è stato validato con riferimento a due periodi: 1999-2000 e 2001-2002. Per il primo
periodo si disponeva di misure medie giornaliere degli afflussi e delle temperature giornaliere
estreme, continue nel tempo, eventualmente ricostruite per via statistica nei periodi di mancanza di
dati. Per il secondo periodo, non si disponeva invece di alcuna misura di temperatura e, per il
2002, di misure degli afflussi limitate solo ad alcuni pluviometri. Le misure mancanti, per questo
secondo periodo di validazione del modello, sono state ricostruite direttamente da SWAT tramite il
generatore interno di dati meteoclimatici, che utilizza a questo scopo i parametri statistici elaborati
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per alcune stazioni climatiche di riferimento.
In entrambi i periodi di validazione, il modello ha continuato a fornire risultati molto
soddisfacenti. I grafici relativi all’andamento delle portate simulate mostrano sempre un’ottima
capacità del modello di simulare correttamente l’alternarsi di “picchi” e “valli” degli idrogrammi dei
deflussi misurati, le curve delle portate cumulate sono praticamente sovrapposte ed i valori del
coefficiente di Nash-Sutcliffe, nei due periodi di validazione, risultano rispettivamente pari a 0,72 e
0,687. Anche in termini di portate medie, le differenze % tra portate simulate e portate misurate,
continuano a mantenersi entro valori % molto ridotti, rispettivamente pari all’ 1,2% ed allo 0,0%, nei
due periodi.
La capacità ed efficienza previsionali del modello, si mantengono quindi costanti
anche al di fuori del periodo di calibrazione; questo consente di affermare che il modello
interpreta correttamente ed è consistente con l’effettivo comportamento idrologico del bacino ed è
quindi possibile proporne l’utilizzo anche per la valutazione di futuri scenari gestionali
alternativi, come ideale strumento a supporto dei processi di pianificazione. Tali scenari potranno
ad esempio riguardare la gestione dei suoli e delle risorse idriche del bacino e quindi la valutazione
preventiva degli effetti ambientali di strategie alternative di gestione delle colture (BMP), o degli
impatti (positivi e/o negativi) di soluzioni alternative per la localizzazione e distribuzione nel tempo
dei prelievi idrici ad uso industriale ed irriguo, dalle falde acquifere delle aree alluvionali
(accoppiando, come già è stato fatto, il modello di bacino con un modello idrogeologico di
dettaglio, come MODFLOW).
E’ importante evidenziare che tutti i parametri del modello sono stati mantenuti entro
campi di valori compatibili e coerenti con le caratteristiche fisiche e con le correnti pratiche di
gestione dei suoli del bacino.
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/
APPLICAZIONE DEL MODELLO AL DECENNIO 1993-2002
Deflussi del fiume Cecina a Ponte di Monterufoli
L’applicazione del modello all’intero decennio 1993-2002, ha fornito una enorme quantità di
informazioni, utili a meglio interpretare, rispetto al passato, il comportamento idrologico del bacino.
Nei seguenti paragrafi viene fornita una sintesi di alcuni tra i dati di output di maggiore interesse.
Per agevolare la lettura dei grafici, si riporta la seguente mappa comprendente un reticolo
idrografico semplificato, una rappresentazione del DEM ed infine la perimetrazione e la
numerazione relative ai 23 sottobacini in cui è stato scomposto il bacino del Cecina, ai fini della
costruzione del modello matematico.
Foce a mare
Ponte di Monterufoli
(Sup. bacino sotteso = 635 Kmq)
Perimetrazione calcolata da SWAT e numerazione dei sottobacini
in cui è stato organizzato il modello del bacino del fiume Cecina.
Risultati ottenuti:
Coefficiente di Nash-Sutcliffe:
0,723
Portata media misurata Qmis:
3,537 m3/s
Portata media stimata Qstim:
3,560 m3/s
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0
/
Differenza % (Qmis/Qstim-1):
-0,6%
Volume medio annuo da misure:
111,58 Mmc
Volume medio annuo stimato dal modello:
112,30 Mmc
Anche il diagramma delle portate cumulate, riportato nella seguente figura, rappresenta
molto efficacemente la capacità del modello di stimare correttamente i deflussi nel medio e lungo
periodo.
Cumulative SWAT REACH11: FLOW_OUTcms (Daily)
Cumulative data Stream flow (Daily)
13 000
12 500
12 000
11 500
11 000
10 500
10 000
9 500
9 000
8 500
Multiple Data Series
8 000
7 500
7 000
6 500
6 000
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
5 500
5 000
4 500
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
31-01-1993
15-06-1994
28-10-1995
11-03-1997
24-07-1998
06-12-1999
19-04-2001
01-09-2002
Monterufoli - Portate cumulate (misurate e stimate dal modello) nel periodo 1993-2002.
(Con afflussi Casole D’Elsa ricostruiti sostituendo afflussi Scorgiano).
I deflussi medi annui stimati dal modello al Ponte di Monterufoli approssimano molto bene
quelli calcolati in base alle misure effettuate dall’idrometro, in particolar modo negli ultimi 4 anni e
nei primi due del periodo di simulazione.
Anche l’andamento dei deflussi mensili stimati dal modello, rapportati ai deflussi mensili
misurati, risulta piuttosto soddisfacente, sia nei periodi di disponibilità di misure di pioggia e
temperatura, che negli anni 2001 e soprattutto 2002, con la sola esclusione del mese di gennaio
1997.
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"
* %
+ $%,
/
/
Monterufoli - Portate medie su base annua
Portata media (mc/s)
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Portate misurate 4.22
1.98
1.45
4.94
3.88
2.26
3.80
4.75
4.81
3.29
4.14
2.19
1.89
4.39
3.33
2.90
3.64
5.01
4.76
3.33
Portate stimate
Anni (da 1993 a 2002)
Portate misurate
Portate stimate
deflussi medi su base annua (m3/s)
25
Flows (mc/s)
20
15
10
5
01
/1
9
05 93
/1
9
09 93
/1
99
01 3
/1
9
05 94
/1
9
09 94
/1
99
01 4
/1
9
05 95
/1
99
09 5
/1
9
01 95
/1
99
05 6
/1
9
09 96
/1
9
01 96
/1
9
05 97
/1
9
09 97
/1
99
01 7
/1
9
05 98
/1
9
09 98
/1
99
01 8
/1
9
05 99
/1
99
09 9
/1
9
01 99
/2
0
05 00
/2
00
09 0
/2
0
01 00
/2
0
05 01
/2
0
09 01
/2
0
01 01
/2
00
05 2
/2
0
09 02
/2
00
2
0
Months
Measured flows
Simulated flows
Cecina a Ponte di Monterufoli: portate medie mensili misurate e stimate, del periodo 1993-2002.
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)(
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* %
+ $%,
1
/
Il modello, una volta calibrato, ha fornito una incredibile quantità di informazioni relative al
comportamento idrologico ed ambientale del bacino. Nella seguente figura, a titolo esemplificativo,
si trovano riportati gli apporti idrici netti medi annui (Mmc/a), nel periodo 1993-2002, da ciascun
sottobacino a monte di Ponte di Monterufoli. Dal grafico si leggono immediatamente i contributi di
ogni sottobacino alla formazione dei deflussi a Ponte di Monterufoli. Analoghe elaborazioni,
possono essere effettuate anche per tutte le altre variabili di output stimate dal modello (p.es. si
possono rappresentare separatamente i contributi dovuto al solo scorrimento superficiale da quelli
dovuti al deflusso di base, i carichi inquinanti delle diverse sostanze, i carichi di sedimenti,….).
Monterufoli: apporti idrici da sottobacini a monte
20000000.0
18000000.0
16000000.0
Portate annue (mc)
14000000.0
12000000.0
10000000.0
8000000.0
6000000.0
4000000.0
2000000.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
8
11
13
14
15
16
17
19
20
23
Subbasin
Apporti idrici da sottobacini a monte
Ponte di Monterufoli: apporti idrici netti dai sottobacini a monte.
Deflussi del fiume Cecina alla foce a mare
In modo analogo a quanto si è già visto per la sezione di Ponte di Monterufoli, il modello consente
di ottenere un gran numero di informazioni anche su tutti gli altri sottobacini e quindi anche con
riferimento all’intero bacino. L’affidabilità delle elaborazioni, in linea di massima, è tanto maggiore
quanto maggiore è il bacino sotteso dalla sezione di interesse e quanto minore è la sua distanza
dalla sezione di calibrazione. La maggiore ampiezza del bacino sotteso infatti, fa si che un
maggiore numero di pluviometri (quando disponibili) concorrano alla stima degli afflussi,
determinando in questo modo un minore peso relativo di importanza di ogni singolo pluviometro ed
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* %
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/
aumentando anche la probabilità che gli errori di misura, in qualche modo, si compensino.
Le elaborazioni che seguono, si riferiscono alla foce del fiume Cecina a mare, ma possono essere
effettuate per uno qualsiasi dei sottobacini in cui è stato suddiviso il suo bacino idrografico.
SWAT REACH18: FLOW_OUTcms (Daily)
SWAT REACH11: FLOW_OUTcms (Daily)
SWAT REACH10: FLOW_OUTcms (Daily)
SWAT REACH12: FLOW_OUTcms (Daily)
SWAT REACH9: FLOW_OUTcms (Daily)
240
220
200
Multiple Data Series
180
160
140
120
100
1998 1999 2000
80
60
40
20
0
05-01-1998
24-07-1998
09-02-1999
28-08-1999
15-03-2000
01-10-2000
Rappresentazione 3D dei deflussi calcolati dal modello in uscita dal sottobacino 18 (Foce del Cecina a
mare), dal sottobacino 12 e dai suoi diretti tributari (sottobacini 9, 10 ed 11), nel periodo 1998-2000.
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Terra Flyer della Regione Toscana. Vista della foce del fiume Cecina.
Nella seguente figura, si trovano invece rappresentati i deflussi medi mensili alla foce del
fiume Cecina, sia quelli stimati dal modello che quelli successivamente ottenuti moltiplicandoli per i
rapporti tra portate misurate e portate stimate dal modello, alla sezione di Ponte di Monterufoli.
45.0
40.0
35.0
Flows (mc/s)
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
01
/1
9
05 93
/1
9
09 93
/1
9
01 93
/1
9
05 94
/1
9
09 94
/1
9
01 94
/1
9
05 95
/1
9
09 95
/1
9
01 95
/1
9
05 96
/1
9
09 96
/1
9
01 96
/1
9
05 97
/1
9
09 97
/1
9
01 97
/1
9
05 98
/1
9
09 98
/1
9
01 98
/1
9
05 99
/1
9
09 99
/1
9
01 99
/2
0
05 00
/2
0
09 00
/2
0
01 00
/2
0
05 01
/2
0
09 01
/2
0
01 01
/2
0
05 02
/2
0
09 02
/2
00
2
0.0
Months
Deflussi Cecina a mare
Deflussi Cecina a mare corretti
Cecina foce a mare: portate medie mensili stimate dal modello e corrette applicando i rapporti tra portate
misurate e stimate alla sezione di Ponte di Monterufoli. Periodo 1993-2002.
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Allo stesso modo il modello ha consentito di stimare le portate medie annuali alla foce del fiume
Cecina.
Portata media (mc/s)
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Portate misurate
Monterufoli
4.22 1.98 1.45 4.94 3.88 2.26 3.80 4.75 4.81 3.29
Portate stimate a
Monterufoli
4.14 2.19 1.89 4.39 3.33
2.9
3.64 5.01 4.76 3.33
Portate stimate foce 6.83 4.02 3.50 8.22 5.16 4.40 5.46 8.34 6.90 4.70
Cecina
Anni (da 1993 a 2002)
Portate misurate Monterufoli
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Portate stimate a Monterufoli
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Portate stimate foce Cecina
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-
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E’ ragionevole sostenere che l’errore % di queste stime sia dello stesso ordine di grandezza
dell’errore % delle analoghe stime effettuate con riferimento ai deflussi alla sezione di Ponte di
Monterufoli (sezione di calibrazione). Diventa in questo modo molto semplice ottenere una stima
ancora più attendibile delle portate alla foce, pur in assenza di misure dirette.
Nella precedente figura per rendere più agevole un confronto, sono state riportate sia le portate
stimate dal modello alla foce del fiume Cecina, che le portate stimate e misurate a monte, presso
l’idrometro di Ponte di Monterufoli.
Contributo al bilancio idrologico del bacino del Cecina per il decennio 1993-2002
Introduzione
Il processo di calibrazione del modello del bacino del Cecina, seppur perfettibile, come già si è
detto, ha consentito di conseguire una notevole affidabilità previsionale delle diverse variabili che
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concorrono a determinare il bilancio idrologico; tale affidabilità è stata confermata dai risultati delle
successive fasi di validazione dello stesso, attraverso la sua applicazione prima su due periodi di
tempo indipendenti e quindi anche sui dieci anni di disponibilità di misure continue degli afflussi, al
Ponte di Monterufoli.
Nei precedenti bilanci idrologici eseguiti per il bacino del Cecina, diversi termini quali
l’infiltrazione efficace o l’ET, derivavano da formule empiriche con grandi margini di
approssimazione. L’ET dipende da molteplici fattori, climatici, fisici e biologici ed ha un grande
peso relativo e quindi anche piccoli errori in termini % possono rappresentare, a livello di bilancio
idrico annuo a scala di bacino, decine di milioni di metri cubi in più o in meno. Le stime dei valori di
evapotraspirazione eseguite in passato per il bacino del Cecina si sono necessariamente basate
su strumenti di calcolo meno raffinati, quale può essere un modello matematico a scala di bacino
come SWAT, che effettua stime giornaliere dei valori di ETP ed ET tenendo conto di tutti i principali
fattori fisici (piogge, temperature, pendenze, proprietà caratteristiche dei suoli, livello di saturazione
del suolo,….) e biologici (grado di sviluppo delle diverse colture, superficie fogliare,…) che
concorrono alla determinazione del valore di ET. Ciò non implica necessariamente che i valori
stimati in passato potessero anche essere corretti, ma il margine di incertezza era tale da non
poter mai dare all’idrologo sufficiente certezza e quindi “autorità”, al proprio lavoro. Analogamente,
anche i valori stimati dal modello saranno certamente affetti da errore ma, ragionevolmente, il
margine dovrebbe essere molto più ristretto.
SWAT è in grado di effettuare la stima dei valori di ET con diversi metodi di calcolo, ciascuno
basato su un diverso numero di variabili meteoclimatiche di input (oltre alle altezze di pioggia, i
diversi metodi possono utilizzare serie storiche continue di uno o più tra i seguenti parametri:
temperatura, radiazione solare, velocità del vento ed umidità relativa). Il metodo prescelto è quello
di Hargreaves, che oltre ad essere riconosciuto per la sua affidabilità, presenta il vantaggio di
richiedere in input solo le misure minime e massime giornaliere di temperatura.
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SWAT Sub-5: PRECIPmm (Daily)
SWAT Sub-5:
PETmm (Daily)
SWAT Sub-5:
ETmm (Daily)
50
48
46
44
42
40
38
36
34
Multiple Data Series
32
30
28
26
24
22
1997 1998 1999 2000
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
19-06-1997
05-01-1998
24-07-1998
09-02-1999
28-08-1999
15-03-2000
01-10-2000
Subbasin 5 – Andamento giornaliero (mm) degli afflussi, di ETP e di ET
stimati da SWAT per il periodo 1997-2000.
Il calcolo di ETP ed ET viene quindi effettuato da SWAT con frequenza giornaliera,
distintamente per ciascuna Hydrologic Response Unit (HRU) del bacino; nelle figure si trova
riportato un esempio dei valori giornalieri di ETP ed ET stimati da SWAT. La precedente figura si
riferisce a valori già mediati per l’intero sottobacino 5, mentre la seguente si riferisce ai valori medi
giornalieri determinati per una delle HRU che fanno parte dello stesso sottobacino. E’ interessante
l’osservazione della caduta dei valori di ET nei periodi estivi, in assenza di precipitazioni.
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Precipitazioni-PET-ET Sub 5 Hru 24 - FRSD
60
50
Quantità (mm)
40
PET
30
ET
Precip
20
10
963
911
937
859
885
807
833
755
781
703
729
651
677
599
625
547
573
495
521
443
469
391
417
339
365
287
313
235
261
183
209
131
157
79
105
53
1
27
0
Giorni
Sottobacino 5 - Uso del suolo: Bosco ceduo. Andamento dell’evapotraspirazione potenziale,
dell’evapotraspirazione reale (SWAT – Metodo di Hargreaves) e delle piogge misurate.
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Evapotraspirazione (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
21
17
23
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Et
353.324 - 369.343
369.343 - 449.676
449.676 - 473.524
473.524 - 498.113
498.113 - 555.593
555.593 - 592.514
592.514 - 644.762
Subbasins
[mm] Aver
Mappa dell’evapotraspirazione media annua per ogni sottobacino, nel periodo 1993-2002.
E’ opportuno sottolineare che SWAT effettua una modellazione matematica dei soli parametri del
bilancio idrologico che si riferiscono a quanto accade sul suolo, agli scambi idrici con l’acquifero
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freatico ed ai deflussi nel reticolo idrografico superficiale. Gli acquiferi profondi non rientrano
invece nel dominio fisico modellato da SWAT, se non per una stima della ricarica.
Modello idrologico: dati riassuntivi relativi al decennio 1993-2002
Vengono riportati i valori riassuntivi medi annui relativi alle principali variabili idrologiche stimate
da SWAT, per il decennio 1993-2002.
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Rapporto % ET/Afflussi = 61%
Rapporto % Runoff/Afflussi = 14,3%
Rapporto % Runoff/Deflusso totale = 57%
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Rapporto % Deflusso di base/Deflusso totale = 49%3
Seguono elaborazioni grafiche e mappe tematiche relative alle diverse variabili idrologiche stimate
dal modello, a diversi livelli di aggregazione. Tutti i dati di output sono infatti elaborati dal modello
con frequenza giornaliera.
Elaborazioni grafiche e mappe tematiche relative agli output del modello
Le elaborazioni grafiche fornite, a completamento di quanto già visto nei precedenti paragrafi, non
sono sempre estese a tutti i 23 sottobacini, a tutte le variabili ed a tutte le 143 HRU (Hydrologic
Response Units), per ovvie esigenze di sintesi. Hanno infatti, come scopo principale, di mostrare il
grande contributo alla conoscenza del comportamento idrologico ed ambientale di un bacino, che
può essere fornita dalla corretta applicazione di un modello matematico come SWAT.
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Precipitazioni medie annuali mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
21
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Precip [mm] Ave
715.336 - 733.956
733.956 - 774.536
774.536 - 823.047
823.047 - 842.616
842.616 - 885.237
885.237 - 958.56
958.56 - 1131.382
Subbasins
17
23
Precipitazioni medie annuali (mm) su ciascun sottobacino, nel periodo 1993-2002.
,
5
3
3(I(
))
)
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3
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/
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Resa idrica media annuale (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Wyld
99.112 - 120.85
120.85 - 141.515
141.515 - 162.549
162.549 - 181.91
181.91 - 223.579
223.579 - 271.445
271.445 - 407.699
Subbasins
21
17
23
[mm] Aver
Resa idrica media annuale per ciascun sottobacino, nel periodo 1993-2002.
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Contributo ai deflussi per scorrimento superficiale (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
21
17
23
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Surq
48.587
48.587 - 77.638
77.638 - 87.197
87.197 - 99.499
99.499 - 125.256
125.256 - 156.489
156.489 - 197.771
Subbasins
[mm] Aver
Contributi medi annui ai deflussi, in ciascun sottobacino, per solo scorrimento superficiale,
nel periodo 1993-2002.
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/
SWAT Sub-5:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-5:
SURQmm (Daily)
SWAT Sub-5:
GW_Qmm (Daily)
12
11
10
9
Multiple Data Series
8
7
6
5
4
1997 1998
3
2
1
0
11-03-1997
19-06-1997
27-09-1997
05-01-1998
15-04-1998
24-07-1998
01-11-1998
Subbasin 5 – Andamento giornaliero (mm) dei valori di scorrimento superficiale (SURQ (Runoff)), del
deflusso di base (Gw_Q) e della quantità d’acqua che si infiltra al di sotto dello strato di suolo in cui si
sviluppano gli apparati radicali (PERC). Anni 1997-1998.
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4
SWAT Sub-1:
PERCmm (Daily)
2
SWAT Sub-2:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-3:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-4:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-5:
PERCmm (Daily)
0
5
0
4
2
0
6
4
2
0
5
0
5
0
6
4
2
0
10
1997 1998 1999 2000
5
0
5
0
5
0
20
10
0
19-06-1997
05-01-1998
SWAT Sub-6:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-7:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-8:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-9:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-10:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-11:
PERCmm (Daily)
SWAT Sub-12:
PERCmm (Daily)
24-07-1998
09-02-1999
28-08-1999
15-03-2000
01-10-2000
Sottobacini 1-12. Valori giornalieri di percolazione (mm) nel sottosuolo, al di sotto dello strato di suolo
interessato dagli apparati radicali, stimati dal modello. Anni 1997-2000.
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02
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Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Contenuto idrico del suolo (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Sw
106.789 - 119.298
119.298 - 138.14
138.14 - 159.4
159.4 - 193.242
193.242 - 209.246
209.246 - 231.352
231.352 - 282.686
Subbasins
21
17
23
[mm] Aver
Contenuto idrico4 medio annuo del suolo, in ciascun sottobacino, nel periodo 1993-2002.
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Contributo ai deflussi dall'
acquifero superficiale (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
21
17
23
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Gw_Q
0 - 1.933
1.933 - 12.386
12.386 - 22.286
22.286 - 55.664
55.664 - 98.562
98.562 - 133.669
133.669 - 185.993
Subbasins
[mm] Aver
Contributo medio annuo ai deflussi, in ciascun sottobacino, dalla falda freatica.
.
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C
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1
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2
1
0
2
1
0
SWAT Sub-1:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-2:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-3:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-4:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-5:
GW_Qmm (Daily)
1997 1998 1999 2000
2
1
0
2
1
0
2
1
0
SWAT Sub-6:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-7:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-8:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-9:
GW_Qmm (Daily)
SWAT Sub-10:
GW_Qmm (Daily)
2
1
0
SWAT Sub-11:
GW_Qmm (Daily)
2
1
0
SWAT Sub-12:
GW_Qmm (Daily)
19-06-1997
05-01-1998
24-07-1998
09-02-1999
28-08-1999
15-03-2000
01-10-2000
Sottobacini 1-12. Confronto dei contributi al deflusso di base del corso d’acqua principale di ciascun
sottobacino, forniti dall’acquifero superficiale. Anni 1997-2000.
Bacino del Cecina - Periodo 1993-2002.
Infiltrazione nella zona insatura (mm)
9
1
12
3
5
8
11
6
2
18
4
7
16
10
20
13
14
15
19
22
21
17
23
Streams
Swat-OutputSub_default_Sim51: Perc
54.473 - 67.476
67.476 - 85.253
85.253 - 112.38
112.38 - 142.419
142.419 - 162.028
162.028 - 208.503
208.503 - 284.148
Subbasins
[mm] Ave
Infiltrazione media annua nella zona insatura (questo valore, nel lungo periodo, coincide con la ricarica
dell’acquifero superficiale), per ciascun sottobacino, nel periodo 1993-2002.
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04
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3.
MODELLAZIONE DEL SISTEMA FIUME - FALDA
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DI SWAT E MODFLOW
Per la modellazione del sistema Fiume - Falda nel tratto del Cecina compreso tra la confluenza
con il Torrente Zambra e la confluenza con il Torrente Sterza e sotteso dalla stazione idrometrica
di Ponte di Monterufoli, il codice di calcolo utilizzato è MODFLOW (Harbaugh & McDonald [1996]).
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!
Modello di Flusso dell’acquifero alluvionale del Fiume Cecina e
Subbasin di SWAT 2, 8 ed 11 compresi tra le confluenze con i Torrenti Sterza e Zambra
MODFLOW è un modello distribuito che calcola il deflusso di falda dalle caratteristiche
dell’acquifero tramite una procedura di soluzione delle equazioni di flusso approssimata alle
differenze finite. L’acquifero è suddiviso in celle all’interno delle quali le proprietà intrinseche
(conducibilità idraulica K, porosità efficace, quote, spessore dell’acquifero) e le condizioni al
contorno (carico imposto, scambi fiume-falda, prelievo da pozzi) sono considerate costanti.
La quota piezometrica (head) è calcolata per iterazioni successive al centro della cella. Il
flusso propriamente considerato è quello “di falda”, in condizioni sature e con direzione
prevalentemente orizzontale.
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L’integrazione dei risultati del modulo idrologico di SWAT (output definito a livello di singolo
sottobacino), in MODFLOW (output di dettaglio per singola cella), ha rappresentato uno dei risultati
più soddisfacenti dell’intera sperimentazione. Il modello delle acque sotterranee ha ricevuto, in
pratica, condizioni al contorno per i valori di ricarica e portata dei corsi d’acqua derivate da un
modello già calibrato di bilancio alla scala di bacino. Gli esempi in letteratura a riguardo della utile
integrazione dei due modelli erano in ogni caso numerosi (Sophocleus & Perkins [2000], Conan et
alii [2003], Acevedo et alii [2005]).
SWAT considera due diversi tipi di acquifero:
SUPERFICIALE, che è alimentato dalla ricarica ed interagisce con il corso d’acqua
contribuendo da un lato all’alimentazione del baseflow e dall’altro all’assorbimento
della portata (trasmittance loss);
PROFONDO, che è alimentato dall’acquifero superficiale. L’acqua che entra
nell’acquifero profondo è esclusa dal ciclo idrologico superficiale.
Sistemi acquiferi considerati da SWAT
L’approccio del modello di bacino SWAT per il regime stazionario e transitorio della falda è
naturalmente di tipo semplificato. Si tratta infatti di equazioni che sono sempre riferite ad un
comportamento d’insieme dell’intero sottobacino od HRU.
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Semplificazioni del modulo SWAT – GROUNDWATER per il regime stazionario
Semplificazioni del modulo SWAT – GROUNDWATER per il regime transitorio
In modo altrettanto semplificato SWAT valuta anche i processi nel mezzo insaturo. Il processo di
migrazione del fronte umido, dal suolo verso la falda, è calibrato tramite la seguente variabile
delay time:
Semplificazioni del modulo SWAT – GROUNDWATER per il moto nel mezzo insaturo
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SWAT tiene conto di voci di bilancio negative quali i prelievi, valutandoli in modo distribuito
per l’intero sottobacino od HRU, od anche, in climi particolarmente aridi, della evaporazione diretta
dalla falda.
Da sottolineare, ancora discussa in seguito, una ulteriore significativa semplificazione
concettuale di SWAT che considera nulli gli scambi della falda superficiale tra sottobacini
adiacenti.
MODFLOW oltre al dettaglio della soluzione, che è offerta a livello di singola cella, è in grado di
valutare in modo completo gli scambi fiume falda tramite un modulo specifico, lo Stream Routing
Package STR1 (Prudic, 1989). Il modulo permette di determinare la portata liquida nel corso
d’acqua in conseguenza degli scambi con la falda limitando la ricarica della falda alla portata
liquida effettivamente disponibile.
Il reticolo è diviso in segments e reaches. Ogni reach corrisponde ad una singola cella del
modello di flusso , mentre un segment consiste di una serie di reach connessi in direzione della
corrente. Un segment può avere anche altri segment tributari.
Segmentazione del reticolo idrografico in MODFLOW – STR1
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Gli scambi tra l’acquifero ed il corso d’acqua per ogni cella del dominio di calcolo sono
mutuati dalla differenza di livello tra le quote piezometriche fiume – falda tramite il parametro della
Conductance CSTR.
Q1 = CSTR (Hs-Ha)
Parametro Conduttanza di MODFLOW
Il programma provvede inoltre, a seguito delle variazioni di portata nel corso d’acqua, a
ricalcolare le quote piezometriche nel fiume, in dipendenza degli scambi fiume falda, utilizzando
anche, come variabili di input, le caratteristiche idrauliche e geometriche della sezione (quota,
pendenza, larghezza, scabrezza).
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Calcolo della altezza idrometrica del corso d’acqua in MODFLOW-SRP
APPLICAZIONE DEL MODELLO ALLA PIANURA ALLUVIONALE DEL FIUME CECINA
Per la definizione delle caratteristiche idrostrutturali ed idrauliche dell’acquifero modellizzato sono
stati impiegati i dati messi a disposizione dalla locale Autorità di Bacino Regionale Toscana Costa
derivati dagli studi sul Bilancio Idrogeologico del Bacino del Fiume Cecina da parte di. Pranzini
(2003, 2004). Sono state acquisite le isobate del letto del sistema acquifero freatico come le
isopieze dei due rilievi di magra e di morbida del luglio e dicembre 2003. Una media delle due
condizioni estreme è stata considerata come possibile condizione media annua di riferimento.
Superficie di Letto del Sistema Acquifero (Bottom)
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Superficie di Tetto del Sistema Acquifero (Top)
Superfice Piezometrica del sistema acquifero. Media dei rilievi di magra e morbida del Luglio e Dicembre 2003.
I dati relativi alla conducibilità idraulica del materasso alluvionale sono stati ripresi dal
lavoro di Greco et alii (2002). E’ stato assunto un unico valore di conducibilità, in accordo con gli
autori, pari a 2.43 e-3 m/s.
Il modello concettuale corrisponde a un acquifero freatico nastriforme in stretta relazione
con un corso d’acqua, il Fiume Cecina, che è stato distinto in 3 segmenti o tronchi principali:
dalla confluenza con lo Zambra alla confluenza con il Botro del Gagno
dalla confluenza con il Botro del Gagno alla confluenza con il Trossa;
dalla confluenza con il Trossa alla confluenza con lo Sterza.
La chiusura dell’ultimo segmento coincide con la stazione idrometrica di Monterufoli per la
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quale sono disponibili sia misure storiche di portata effettuate dal Servizio Idrografico Regionale
che numerose considerazioni e stime di bilancio.
Pranzini (2003) ha stimato, per questa località, la portata media di subalveo come somma
di due componenti: una prima, compresa tra 25.229 e 35.320 mc/anno, derivata dall’applicazione
della formula di Darcy alla sezione del materasso alluvionale, ed una seconda, pari a ca. 157.680
mc/anno, derivata da una stima dei deflussi di subalveo in senso stretto. Pranzini stima
quest’ultima portata facendo l’ipotesi che la velocità dell’acqua che scorre nel diretto subalveo del
fiume sia “minore di quella che scorre a pelo libero, ma maggiore di quella nella falda nelle
alluvioni” e assumendo per il subalveo una larghezza di 8 m, uno spessore di 0.5 m, la porosità
efficace di 0.25 e una velocità media di flusso di 0.5 cm/s.
Si tratta di valori ben inferiori sia ai deflussi superficiali che transitano dalla sezione
diMonterufoli, risultati per l'
anno medio del periodo 1979-2002 in 207 Mmc/anno, sia alla quota del
baseflow cioè la parte di deflusso superficiale alimentata dalla falda stimata ancora da Pranzini
(2003) con il metodo delle portate giornaliere in in ca. 8 Mmc/anno.
Nel caso in esame del Bacino Cecina risulta dunque praticabile la semplificazione introdotta
da SWAT che considera, come visto, i soli scambi a livello di sottobacino, tra corso d’acqua e falda
superficiale.
La semplificazione è riportata anche nel modello concettuale dell’acquifero del Cecina che
prevede quindi, come possibilità di ingresso ed uscita dal sistema di acquifero le seguenti
condizioni al contorno:
ricarica
pozzi
corso d’acqua
La configurazione del reticolo è stata ottenuta dagli stessi file di input predisposti per SWAT
con i tre segmenti principali sul Fiume Cecina corrispondenti ai Subbasin 2, 8 e 11 e due segmenti
minori relativi agli affluenti Botro del Gagno e Torrente Trossa dei Subbasin 1 e 7.
Le
caratteristiche idrauliche e geometriche sono risultate le seguenti:
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Segment
MODFLOW
Subbasin SWAT
Nome
Pendenza
Larghezza
[m]
Quota
Quota
minima
max
[mslm]
[mslm]
76
Conducibilità
Profondità idrulica dello
[m]
streambed
Scabrezza
[m/g]
Cecina dallo
1
2
Zambra al
Botro del
0.0028
48
58
0.0054
12
58
0.0018
54
46
0.0062
22
46
0.0020
62
29
1.45
Gagno
2
1
Botro del
Gagno
0.59
Cecina dal
3
8
Botro del
Gagno alla
58
0.48
1.56
0.03
Trossa
4
7
Trossa
0.86
Cecina
dallaTrossa
5
11
alla Sterza
46
1.72
(Ponte di
Monterufoli)
Mentre le condizioni al contorno dei pozzi di prelievo sono state ricavate dai file di input di
SWAT, altre informazioni sono invece state derivate dai file di output di SWAT (Neitsch et alii
[2001]).
Sono state considerate:
la ricarica della falda superficiale ed i contributi areali di runoff dai file di output dei sottobacini
(variabili PERC e SURQ del file sub.out);
la portata dei corsi d’acqua in uscita dai sottobacini considerati (variabile FLOWOUT del file
rch.out).
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/
Simulazione annuale in regime stazionario
Una prima simulazione ha riguardato i valori medi annui del periodo considerato dal 1992 al 2002.
Il modello implementato tramite l’interfaccia ESI - Groundwater Vistas si basa su un reticolo
costituito da celle di 100 x 100 m.
Le celle attive risultano1323 delle quali 236 sono interessate dalla condizione al contorno di
tipo “Fiume” (Stream Routing Package STR1). Le unità di misura prescelte sono i metri per le
lunghezze ed i giorni per il tempo. I valori delle variabili di input relative alle condizioni al contorno
del modello sono state le seguenti:
Portata in
Nome
Subbasin
SWAT
uscita dal
Ricarica
Runoff
alla falda
Segment
sottobacino (mc/g) superficiale MODFLOW
(mc/g)
(mc/g)
Portata
Superficie
in
delle celle
ingresso
attive nella
nel
zona di
segment ricarica del
[mc/g]
subbasin
Altezza
di
ricarica
(m/g)
(mq*E4)
Cecina
dallaTrossa
alla Sterza
11
307000
7
54000
8
246000
1
40300
2
184000
3
17600
4
159000
3460
10500
5
533
0.0020
409
0.0049
344
0.0018
(Ponte di
Monterufoli)
Trossa
4
57460
Cecina dal
Botro del
Gagno alla
10200
19900
3
Trossa
Botro del
Gagno
2
50500
1
181650
Cecina dallo
Zambra al
Botro del
5050
6340
Ggagno
Zambra
Cecina tra
Pavone e
Zambra
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/
I dati di prelievo medio impiegati da SWAT sono stati ripartiti su un insieme rappresentativo di 42
pozzi presenti nell’area di indagine:
Nome
Prelievo medio
Subbasin
Prelievo medio
SWAT
[mc/g]
11
9034
8
1129
8
9034
23
393
2
3107
11
285
pozzo
Numero pozzi
[mc/g]
Cecina dallaTrossa alla
Sterza (Ponte di
Monterufoli)
Cecina dal Botro del
Gagno alla Trossa
Cecina dallo Zambra al
Botro del Gagno
11
8
2
Distribuzione dei pozzi di prelievo lungo l’asta del Fiume Cecina
Il modello così configurato è risultato, nel complesso, sufficientemente calibrato sia in termini della
portata liquida restituita alla chiusura del Bacino (Ponte di Monterufoli 301600 contro 307000 mc/g)
sia in termini di differenze “osservato – calcolato” sui dati piezometrici di riferimento della media
2003 (media residui = -0.18 m).
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1
/
Risultati calibrazione modello di flusso in regime permanente medio annuo.
Altezze piezometriche misurate / calcolate e statistiche.
Valore di portata superficiale (ca. 300.000 mc/g) risultante nella cella di chiusura
(Ponte di Monterufoli con condizione Stream)
Il modello restituisce il bilancio generale dell’intera area di analisi così come il dettaglio degli
scambi fiume-falda in termini di portata liquida nel canale e di flusso da o verso l’acquifero.
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Bilancio di Massa generale del modello, tabella e diagramma in mc/g
Scambi fiume - falda (flux) e portata del Fiume Cecina (Stream Flow) in mc/g.
Segment 1dallo Zambra al B. del Gagno
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1
/
Scambi fiume - falda (flux) e portata del Fiume Cecina (Stream Flow) in mc/g.
Segment 2 dal B. Gagno alla Trossa.
Scambi fiume - falda (flux) e portata del Fiume Cecina (Stream Flow) in mc/g.
Segment 3 dalla Trossa alla Sterza (Monterufoli).
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10
/
Simulazione stagionale in regime transitorio
Successivamente la simulazione ha riguardato invece, in regime transitorio, i valori medi annui
stagionali sempre riferiti al periodo 1992 – 2002 e con i seguenti dati di output / input.
Superficie
Portata
delle celle
Portata in
Ricarica
Altezza
in
attive nella
Subbasin uscita dal Runoff alla falda
Segment ingresso
di
Nome
zona di
ricarica
SWAT sottobacino (mc/g) superficiale MODFLOW
nel
ricarica del
(mc/g)
(mc/g)
segment
(m/g)
subbasin
[mc/g]
(mq*E4)
379854
2206
12181
0.0023
Cecina
dallaTrossa alla
161764
1407
3109
0.0006
533
11
5
Sterza (Ponte di
65647
955
306
0.0001
Monterufoli)
619451
9283
26440
0.0050
70595
72801
27911
29318
Trossa
7
4
9174
10129
108480
117763
302397
6666
21131
0.0052
Cecina dal
127884
4208
8408
0.0021
Botro del Gagno
409
8
3
56812
3607
1833
0.0004
alla Trossa
498455
26483
48391
0.0118
46561
53227
16742
20950
Botro del Gagno
1
2
13690
17297
84160
110643
230065
3219
7190
226201
0.0021
Cecina dallo
95681
1495
1937
92598
0.0006
Zambra al
344
2
1
35537
2694
535
35534
0.0002
Botro del Gagno
374514
12772
15687
372149
0.0046
20123
8377
Zambra
3
5016
36935
202859
Cecina tra
82726
Pavone e
4
27824
Zambra
322442
Per il modello in regime transitorio è stato considerato un valore generale di porosità efficace pari a
0.15 in accordo con precedenti autori (Pranzini [2004], Greco et alii [2002]).
Anche in questo caso si è ottenuto, nel complesso, un sufficiente accordo con il valore di portata
liquida alla chiusura del subbasin 11 (Ponte di Monterufoli).
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* %
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1/
/
Raffronto delle portate misurate e calcolate alla sezione di controllo di Monterufoli per i diversi periodi considerati
La calibrazione del modello anche in termini di raffronto tra altezze piezometriche di riferimento del
luglio e dicembre 2003 con quelle ottenute dal modello (tempo = 195 e 348 gg) è soddisfacente
considerato che si ottiene una media dei residui tra –0.06 e –0.1 m.
Risultati calibrazione modello di flusso in regime transitorio stagionale medio annuo.
Altezze piezometriche misurate / calcolate e statistiche per il mese medio LUGLIO (t = 195 gg)
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* %
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11
/
Risultati calibrazione modello di flusso in regime transitorio stagionale medio annuo.
Altezze piezometriche misurate / calcolate e statistiche per il mese medio DICEMBRE (t = 348 gg)
La distribuzione dei residui (osservato – calcolato), come l’andamento complessivo piezometrico
medio annuale con riferimento al target P39 in zona Cacciatina, è illustrato dalla figura che segue.
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1
/
Distribuzione dei residui (osservato – calcolato) nel tratto tra Ponteginori e Saline ed
Idrogramma al pozzo P39
Il sistema acquifero in esame ha un unico periodo di ricarica corrispondente alla stagione
autunnale. Di particolare interesse, a questo proposito, i dati del Bilancio di Massa relativi ai due
periodi di magra/morbida (luglio/dicembre) che evidenziano il notevole contributo alla dinamica
dell’acquifero della componente di storage, cioè l’effetto svuotamento del serbatoio acquifero.
A fronte del ridotto contributo di ricarica nel periodo estivo, infatti, il modello calcola che
oltre il 60 % delle portate che transitano nel sistema acquifero nel periodo derivino dalla suddetta
componente di storage.
Bilancio di Massa generale del modello, mese di Luglio tabella e diagramma in mc/g
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"
* %
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12
/
Nella situazione del mese medio di dicembre è egualmente presente, ancora con importanza, la
componente di storage, seppure con diverso segno e significato. Risulta ora come prevalente la
voce di sottrazione del bilancio, pari a circa il 20 % della ricarica del periodo.
Bilancio di Massa generale del modello in Dicembre, tabella e diagramma in mc/g
Per quanto riguarda infine il monitoraggio degli scambi fiume falda lungo il corso d’acqua la
simulazione stagionale, riferita al mese più critico di fine estate (settembre) rileva, a confronto con i
risultati della simulazione media annua un maggior impatto delle derivazioni sulla portata liquida
del canale.
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"
* %
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13
/
Simulazione in regime transitorio time step di fine estate: scambi nel fiume - falda (flux) e portata
del Fiume Cecina (Stream Flow) in mc/g nel segment 1 dallo Zambra al B. del Gagno
Simulazione in regime transitorio time step di fine estate: scambi nel fiume - falda (flux) e portata del Fiume
Cecina (Stream Flow) in mc/g nel segment 2 dal B. del Gagno alla Trossa.
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14
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Simulazione in regime transitorio time step di fine estate: scambi nel fiume - falda (flux) e portata del Fiume Cecina
(Stream Flow) in mc/g nel segment 3 dalla Trossa alla Sterza (Monterufoli).
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4.
CONCLUSIONI
Nell’ambito dell’applicazione della direttiva comunitaria 2000/60/CE nel Bacino del Cecina in
qualità di bacino pilota, sono stati applicati i modelli SWAT, per la caratterizzazione idrologica del
bacino e MODFLOW per lo studio delle relazioni fiume falda nel tratto critico Saline – Ponteginori.
Si tratta di applicazioni tese, soprattutto, alla sperimentazione delle potenzialità dei modelli
proposti a fronte delle effettive disponibilità di dati sul Bacino Pilota.
Il modello del Bacino del Cecina (SWAT) integra le seguenti basi dati:
DEM e reticolo idrografico del Sistema delle Acque del Servizio geografico della Regione
Toscana;
Carta dei Suoli del Settore Foreste e Patrimonio Agroforestale della Toscana;
Carta dell’Uso del Suolo CORINE 2000;
Registrazioni Pluviometriche e Termometriche del periodo 1992-2002 delle Stazioni del
Servizio Idrologico della Regione Toscana;
Dati quantitativi e sulla distribuzione dei prelievi idrici medi annui riportati nel Bilancio Idrico
della Autorità di Bacino Toscana Costa ;
Dati sulle Pratiche di gestione delle colture agricole del Bacino fornite da ARSIA;
Dati sulla quantificazione delle pressioni derivanti da scarichi di acque reflue urbane depurate
e non, elaborati dal gruppo di lavoro del Ministero dell’Ambiente e Tutela del Territorio;
Per la calibrazione del modello è stata utilizzata la serie di misure di portate medie
giornaliere fornita dal Servizio Idrologico Regionale dall’anno 1993 al 2002 compresi. La serie è
stata suddivisa in un primo periodo, dal 1995 al 1998, utilizzato per la calibrazione, in un secondo
periodo, dal 1999 al 2000, utilizzato per la validazione del modello ed infine in un terzo periodo, dal
2001 al 2002, ritenuto di particolare interesse vista la situazione di significativa assenza o parziale
disponibilità di dati termopluviometrici in questo biennio, per valutare l’affidabilità previsionale del
generatore di dati meteoclimatici di SWAT. Il modello realizzato ha dimostrato una notevole
affidabilità in tutti i periodi di applicazione, con valori del coefficiente di efficienza di Nash-Sutcliffe
sempre superiori a 0,7.
Il modello idrologico ha fornito una notevole quantità di dettagliate informazioni relative al
comportamento idrologico dei 23 sottobacini in cui è stato scomposto il Bacino del Cecina. Per
ciascuno di questi sono disponibili informazioni di notevole dettaglio, su base giornaliera, sia per la
parte “territoriale” (precipitazioni, evapotraspirazione, contributi netti ai deflussi, infiltrazione nella
zona instaura, ricarica degli acquiferi,…) che per la parte di reticolo idrografico (portata liquida in
ingresso ed uscita, baseflow, scambi fiume falda,…).
Il modello idrologico, inizialmente calibrato sulla serie delle portate al Monterufoli e quindi
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* %
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su di un ambito più ristretto, pari a 635 Km2 sui 908 km2 complessivi, è stato poi applicato
sull’intero Bacino, di cui è stato effettuato un bilancio idrico per il decennio 1993-2002; il modello
ha quindi consentito anche la ricostruzione delle portate medie giornaliere alla foce del Fiume
Cecina, potendo ragionevolmente sostenere che l’ordine di grandezza dell’errore % nella stima dei
deflussi a mare, possa essere confrontabile con quanto verificato e controllato sulla sezione
idrometrica di Ponte di Monterufoli.
Il modello del sistema Fiume Falda, realizzato con lo Stream Package di MODFLOW, è
strettamente legato al modello idrologico dal momento che riceve da questo le principali variabili di
input relative alle condizioni al contorno per il calcolo della ricarica della falda nei 3 sottobacini
considerati. Restituisce inoltre il dettaglio delle portate liquide nel corso d’acqua in dipendenza
degli scambi fiume falda regolati anche dai prelievi sotterranei.
Per il modello Fiume Falda sono state integrate le ulteriori basi dati:
ricostruzione geometrica e caratterizzazione idraulica del sistema acquifero della
pianura alluvionale fornita dallo studio sul Bilancio Idrogeologico del Fiume Cecina della
Autorità di Bacino Toscana Costa ;
carte piezometriche dei periodi di magra (Luglio 2003) e morbida (Dicembre 2003).
L’utilizzo combinato dei due modelli, già oggetto di numerose esperienze documentate
nella letteratura scientifica, ha avuto anche nel caso del Bacino del Cecina un positivo riscontro.
Il modello Fiume Falda ha restituito una efficace rappresentazione e quantificazione delle
quantità di deflusso superficiale che è costretto ad inalvearsi in ragione dei prelievi sotterranei e
conseguenti condizioni di minimo piezometrico.
L’applicazione, fin qui discussa, dei modelli SWAT e MODFLOW ha consentito in conclusione di:
verificare e qualificare le basi dati utili ai fini della predisposizione di un sistema
informativo per la gestione delle problematiche del Bacino finalizzato anche all’utilizzo
di modelli;
disporre di una piattaforma di riferimento per lo sviluppo, dai modelli implementati, di
applicazioni di supporto alle decisioni mirate su specifiche esigenze di governo delle
risorse idriche superficiali e sotterranee del bacino.
Visto il notevole lavoro profuso e l’esito, positivo, della sperimentazione dei modelli allo studio del
bacino Pilota, è possibile concludere che è stato portato a termine un passo importante e
sostanziale che dimostra sia la fattibilità che, soprattutto, le grandi potenzialità applicative di
strumenti per il supporto alle decisioni in campo ambientale, basate sull’utilizzo integrato di GIS e
modelli matematici.
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L’attività fin qui svolta che, va sottolineato ancora, ha utilizzato codici di calcolo di pubblico
dominio con totale disponibilità dell’Agenzia alla discussione e trasmissione dei risultati raggiunti,
non può essere considerata in alcun modo fine a se stessa quanto, piuttosto, propedeutica alla
realizzazione di avanzati strumenti di supporto alle decisioni basati su modelli.
Il passo da completare nel breve termine richiede, in ogni caso, ora un più stretto
coinvolgimento degli Enti che hanno diretta competenza di governo della risorsa idrica. Si tratta
infatti, sulla base dei risultati ed esempi fin qui illustrati, che riteniamo stimolanti e di grande
potenzialità applicativa, di individuare delle possibili procedure e casi ricorrenti di applicazione
dei modelli, sulla base delle quali oltre ad una rapida ridefinizione e maggiore finalizzazione dei
modelli implementati, possano essere integrate anche possibili semplici applicazioni di
automazione dei modelli stessi, che li rendano facilmente fruibili anche ad utenti non esperti.
Dr. Stefano Menichetti
Ing. Guido Parchi
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5.
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