a scala di bacino
Istituto di Idraulica Agraria Università degli Studi di Milano Via Celoria, 2 - 20133 Milano e-mail: claudio.gandolfi@unimi.it
Pianificazione dell’irrigazione 65 Claudio Gandolfi, Arianna Facchi
Introduzione
L’utilizzo irriguo delle risorse idriche nella pianura lombarda presenta alcuni aspetti pecu-liari, legati ai caratteri del territorio ed all’antica origine di molti dei sistemi irrigui. L’addu-zione e la distribuL’addu-zione della risorsa avvengono quasi esclusivamente attraverso estese reti di canali a pelo libero, spesso non rivestiti. Persiste, inoltre, l’impiego prevalente di metodi irrigui tradizionali (scorrimento superficiale e sommersione). Le elevate perdite per perco-lazione, tipiche di questi metodi, a cui si aggiungono quelle di adduzione e distribuzione, se da una parte limitano l’efficienza dell’approvvigionamento irriguo, dall’altra costituisco-no la principale fonte di ricarica del sistema di falde acquifere sotterranee, sul cui sfruttamen-to si basa l’approvvigionamensfruttamen-to idrico civile ed industriale dell’intero terrisfruttamen-torio e da cui trae notevole beneficio la stessa irrigazione attraverso lo sfruttamento dei fontanili. Di conse-guenza, lo studio dell’assetto idraulico-territoriale nonché la comprensione della dinamica degli ingenti flussi di scambio tra acque superficiali e sotterranee sono fondamentali per in-dirizzare gli interventi e le azioni istituzionali nel campo della bonifica e dell’irrigazione, considerate le ricadute che queste hanno sul settore agricolo e sull’intero territorio.
Un contributo rilevante, a questo fine, può derivare dall’impiego, in modo il più possi-bile integrato, di strumenti e tecnologie avanzati, quali i modelli idrologici di simulazione, le tecniche di geostatistica e telerilevamento, i metodi di analisi di incertezza e di
sensitivi-Dall’analisi del quadro normativo più recente (DLgs 152/99 e succes-sive modifiche, Direttiva Quadro Europea sulle Acque 2000/60/EC) appare evidente come la pianificazione della risorsa idrica sarà in futuro sempre maggiormente vin-colata agli obiettivi ed alle strategie imposte nell’ambito del processo di pianificazione integrata alla scala di bacino, che ha già preso avvio e che dovrà produrre i primi esi-ti in tempi relaesi-tivamente brevi (la Diretesi-tiva Quadro prevede la redazione di piani di gestione dei bacini idrografici e la programmazione degli interventi entro il 2009). In questo contesto lo sviluppo e l’applicazione di tecnologie e metodologie scientificamen-te avanzascientificamen-te ma sufficienscientificamen-temenscientificamen-te consolidascientificamen-te (quali i modelli di simulazione idrologi-ca, i sistemi informativi geografici, il telerilevamento, le tecniche geostatistiche, ecc.), rivestono un’importanza fondamentale. L’uso integrato di tali strumenti permette di sfruttare pienamente i dati provenienti dai programmi di monitoraggio territoriale, consentendo la comprensione e la quantificazione dei flussi idrici nel sistema fisico alla scala d’interesse, nonché la valutazione dell’impatto delle azioni antropiche e dei cambiamenti ambientali sui sistemi di risorse idriche. Nella memoria si illustra l’ap-plicazione di un sistema di simulazione delle risorse idriche ad un comprensorio irri-guo con caratteristiche idraulico-agrarie rappresentative di una vasta porzione di pia-nura lombarda.
A b s t r a c t
tà, la strumentazione sperimentale più avanzata per la misura delle grandezze idrologiche.
L’Istituto di Idraulica Agraria è da tempo impegnato in ricerche ed applicazioni in questo cam-po: nella memoria vengono illustrati alcuni dei risultati conseguiti attraverso l’applicazione di un modello di simulazione idrologico ad un comprensorio irriguo campione.
Il sistema di simulazione delle risorse idriche
Il sistema di simulazione utilizzato per lo studio è basato sull’accoppiamento di due mo-delli idrologici distribuiti: il modello concettuale ALHyMUS (Facchi et al., 2004, Facchi, 2003), che opera il bilancio idrologico per il sistema suolo-pianta, e MODFLOW (McDo-nald e Harbaugh, 1988), che descrive il flusso negli acquiferi sottostanti sulla base di una schematizzazione bidimensionale orizzontale, e l’interazione tra acque sotterranee e reti-colo idrico superficiale. Il sistema integrato consente di valutare la distribuzione spaziale e temporale dei fabbisogni irrigui e dei consumi idrici in relazione alle caratteristiche col-turali e pedo-climatiche dell’area in esame, nonché le interazioni dell’irrigazione con il re-gime delle acque sotterranee (Facchi et al., 2004; Facchi, 2003).
Una delle maggiori difficoltà nell’accoppiamento efficiente e nella risoluzione nume-rica di modelli che descrivono le dinamiche dei flussi idrici in sotto-sistemi differenti ri-siede senz’altro nelle differenze intrinseche di scala spaziale e di passo temporale che li caratterizzano. Per accoppiare i due modelli è stata implementata un’interfaccia che inte-grasse ALHyMUS in MODFLOW. L’interfaccia accoppia in modo esplicito nello spazio e nel tempo i due modelli attraverso la superficie freatica (Ortuani, 2002).
Un interfaccia-utente GIS (IdrAgra), sviluppata ad hoc, consente una facile prepara-zione degli ingressi e dei parametri del sistema di simulaprepara-zione nonché la visualizzaprepara-zione ed elaborazione delle uscite spazializzate (Gandolfi et al., 2006; Ortuani et al., 2005a).
Il comprensorio irriguo campione
Il Comprensorio di Bonifica Muzza - Bassa Lodigiana (circa 700 km2), sito nella parte cen-tro-meridionale della pianura lombarda (coincidente all’incirca con la Provincia di Lodi), è uno dei territori lombardi di più antica irrigazione e possiede caratteri idraulico-agrari rap-presentativi di una vasta porzione di pianura lombarda. I confini idrogeologici sono costi-tuiti dai corsi del Po a sud, dal Lambro Meridionale e dall’Adda, rispettivamente a ovest e est, e da parte del tracciato del canale Muzza a nord. La risorsa per l’approvvigionamento irriguo del comprensorio proviene dall’Adda, tramite il canale Muzza, che deriva una por-tata di circa 100 m3/s nei mesi estivi. La rete superficiale è in gran parte non rivestita o con rivestimenti di tipo permeabile, con perdite valutabili nell’ordine del 20% nella sola rete pri-maria. L’irrigazione a scorrimento è dominante pressoché su tutto il territorio. L’uso del suo-lo nell’area è prevalentemente agricosuo-lo, con grande importanza, tra i seminativi, dei cerea-li (soprattutto mais), seguiti dalle foraggere avvicendate. A differenza di altri territori lombar-di, un ruolo importante continuano a rivestire i prati, sia permanenti che avvicendati.
Applicazione al comprensorio campione
Per l’applicazione del sistema di simulazione al Comprensorio Muzza - Bassa Lodigiana, si è operata una discretizzazione spaziale secondo maglie di dimensione di 1 ha e 36 ha rispettivamente per i modelli dell’insaturo e del saturo (dettate essenzialmente dalla scala
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spaziale dei dati disponibili). Il passo temporale di restituzione dei risultati è giornaliero per ALHyMUS e trimestrale per MODFLOW.
Le grandezze in ingresso ed i parametri dei modelli sono stati ricavati a partire dai da-ti disponibili e dall’elaborazione di immagini satellitari. In parda-ticolare, l’andamento gior-naliero delle variabili agrometeorologiche in ogni cella è stato assegnato a partire dalle se-rie di dati rilevati presso otto stazioni meteo della rete ERSAF. Le caratteristiche idrauliche dei suoli sono definite tramite l’applicazione di funzioni di pedo-trasferimento (Rawls e Bra-kensiek, 1989) alle informazioni fisico-chimiche relative ai profili di riferimento della car-ta pedologica ERSAF in scala 1:50.000.
Il sistema integrato è stato verificato per il biennio 1999-2000 considerando l’anali-si della risposta del l’anali-sistema di acquiferi alle sollecitazioni conl’anali-siderate, sulla base della recente letteratura (e.g. Mroczkowski et al., 1997) che sottolinea come sia significativo, al fine della calibrazione dei modelli alla scala di bacino, soprattutto il confronto con la dinamica dei livelli piezometrici (si vedano Ortuani, 2002 e Facchi et al., 2004 per ulte-riori dettagli).
Nelle Figure 1(A), 1(B) e 1(C) sono illustrate alcune uscite del sistema di simulazione per l’anno 2000.
Lo scarso dettaglio di alcuni dei dati disponibili ha comportato l’introduzione di alcu-ne ipotesi semplificative alcu-nell’implementazioalcu-ne del sistema di simulazioalcu-ne (essenzialmen-te riguardanti le carat(essenzialmen-teristiche gestionali del sis(essenzialmen-tema irriguo) e, soprattutto, ne ha impedi-to una sistematica calibrazione e validazione (si pensi, ad esempio, alla carenza di dati sulle caratteristiche idrauliche dei suoli e sulle quote piezometriche degli acquiferi). Ulte-riori sviluppi nella direzione della raccolta dati sono dunque indispensabili per il raggiun-gimento di un pieno grado di operatività dello strumento.
Figura 1 - Anno 2000: (A) distribuzione spaziale dell’evapotraspirazione effettiva annua (mm), (B) distribuzione spaziale della ricarica annua della falda dovuta a pioggia e irrigazione (mm), (C) quote piezometriche simulate dell’acquifero superficiale alla fine di marzo (m s.l.m.)
A B C
Attività di monitoraggio
Per acquisire elementi utili alla calibrazione e validazione sistematica dei due modelli ac-coppiati, si sono ritenute di fondamentale importanza: (1) il potenziamento del monito-raggio delle quote piezometriche, (2) la verifica, almeno alla scala di singola cella, dell’at-tendibilità della modellistica numerica utilizzata per la simulazione del bilancio idrico nel suolo.
In relazione al punto (1), è stata definita da Ortuani (2002; 2005b), tramite procedure geostatistiche, una rete ottimale di monitoraggio dell’acquifero freatico, i cui punti di mi-sura sono stati selezionati a partire da quelli utilizzati in una campagna di rilevamento del 1996. La rete ottimale consta di 35 punti, la cui distribuzione complessiva è rappresenta-ta in Figura 2(A). A partire dal marzo 2003, per 27 di questi punti sono disponibili misu-razioni manuali con freatimetro con cadenza di un mese e mezzo. Nei restanti 8 punti, se-lezionati in prossimità delle aree dove l’errore del modello rispetto ai dati misurati è mag-giore, sono state installate sonde automatiche (STS) munite di data-logger, che eseguono acquisizioni ogni 6 ore.
Per quanto riguarda il punto (2), si è avviata a partire dal 2005, in collaborazione con DIIAR-Politecnico di Milano, la realizzazione di una stazione sperimentale per la misura dettagliata dei flussi idrici ed energetici in una parcella dell’azienda agricola sperimentale della Facoltà di Agraria dell’Università degli Studi di Milano, ubicata a Landriano (PV). La stima dei flussi energetici (calore latente e sensibile) e dunque dell’evapotraspirazione ef-fettiva, viene effettuata tramite la tecnica micrometeorologica della “eddy correlation” (Brut-saert, 1982); in Figura 2(B) un particolare della stazione. In un profilo di suolo situato nel-la parcelnel-la si sono inoltre instalnel-late sonde TDR per nel-la misura dell’umidità e tensiometri a varie profondità. In aggiunta a tali misure in continuo, sono previste per le stagioni agra-rie 2006 e 2007 una seagra-rie di campagne per la misura distribuita dell’umidità del suolo e dello sviluppo colturale della vegetazione in alcune parcelle opportunamente seleziona-te sulla base di colture e caratseleziona-teristiche del suolo.
Figura 2 -
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Esempi di applicazione a scenari di simulazione
Un modello integrato, una volta opportunamente calibrato/validato, può essere utilizzato per prevedere la reazione del sistema d’interesse ad azioni antropiche di varia natura co-sì come ai cambiamenti ambientali. L’assenza di una adeguata calibrazione e validazione del sistema di simulazione comporta necessariamente che i risultati ottenuti dalla sua ap-plicazione a scenari ipotetici debbano essere considerati essenzialmente dimostrativi del-le potenzialità dello strumento ed interpretati al più come andamenti tendenziali e non co-me predizioni quantitative. Con questa indispensabile preco-messa si illustrano breveco-mente i risultati ottenuti dall’applicazione del sistema di simulazione delle risorse idriche ad al-cuni scenari, in particolare: (1) di cambio di uso del suolo, (2) di limitazione alla disponi-bilità della risorsa idrica utilizzabile a fini irrigui, (3) di cambio climatico. I risultati per gli scenari costruiti sono stati confrontati con quelli ottenuti per uno scenario di riferimento, basato sull’assunzione di uso del suolo, pratiche colturali e disponibilità idrica a fini irri-gui pari agli attuali.
Gli scenari di cambio di uso del suolo sono stati creati in accordo con i possibili ef-fetti di Agenda2000 sulle colture della pianura lombarda. In particolare, si sono conside-rati: a) riduzione delle superfici a mais e soia, incremento dei cereali autunno-vernini; b) incremento delle superfici a mais, estensivizzazione dell’agricoltura; tali scenari rappre-sentano casi limite degli effetti che la PAC potrebbe avere sulle colture della pianura nei prossimi anni. L’analisi dei risultati delle simulazioni ha consentito di evidenziare nume-rosi aspetti di interesse, tra i quali: i) cambiamenti molto accentuati delle tipologie col-turali modificano in maniera significativa i volumi idrici necessari per soddisfare il fabbi-sogno irriguo delle colture (Figura 3(A)). Le possibili variazioni dei fabbisogni irrigui do-vute a cambi nell’uso del suolo, ovvero a modifiche dell’assetto territoriale (quali, ap-punto, l’impiego di differenti colture), risultano dunque ampie; ii) i volumi d’acqua at-tualmente disponibili per l’irrigazione sono adeguati a soddisfare i fabbisogni irrigui del-le colture presenti, considerate del-le pratiche irrigue presenti nell’area; essi divengono so-vrabbondanti quando le colture presenti vengono sostituite con altre meno idro-esigen-ti (Facchi et al., 2005a).
Un ulteriore scenario considera una drastica riduzione del volume irriguo applicato su campo (- 30%), ipotizzabile come conseguenza di fattori naturali (variabilità del regime idro-logico) e/o artificiali (revisioni delle concessioni di derivazione). I risultati mostrano co-me con le attuali pratiche irrigue, una forte riduzione dei volumi d’acqua erogati con l’ir-rigazione porta ad un deficit idrico per le colture non trascurabile. È necessario tuttavia sottolineare che riduzioni delle disponibilità significative difficilmente potrebbero essere introdotte senza intervenire contemporaneamente sulle modalità di gestione nonché, do-ve necessario, sulla struttura del sistema irriguo (i.e. ristrutturazione delle reti, riordino delle utenze, riconversione dei metodi irrigui), aspetti che non sono stati per ora conside-rati nelle simulazioni (Facchi et al., 2005a).
Per quanto riguarda gli scenari di cambio climatico, le serie di dati meteo locali so-no state costruite tramite la combinazione statistica della serie climatica attuale e degli sce-nari di cambio climatico (2071-2100) e di riferimento (1961-1990) forniti dal modello di circolazione regionale HadRM3, sviluppato dall’Hadley Centre for Climate in UK (Hulme et al., 2002). La serie climatica attuale è stata costruita, come indicato dall’IPCC
(Interna-tional Panel on Climatic Change), a partire da una serie trentennale (1961 – 1990) di da-ti meteorologici osservada-ti presso l’area di studio. In parda-ticolare si sono considerada-ti gli sce-nari di cambio climatico basati sulle ipotesi di emissione di gas serra A2 (piuttosto dra-stica) e B2 (moderata), ipotizzate dall’IPCC (IPCC, 2000). Sotto l’ipotesi di emissione A2, la serie climatica risultante prevede, per l’orizzonte temporale 2071-2100, un aumento della temperatura media annua di circa 5 °C ed un’alterazione significativa del regime annuale delle precipitazioni (con un aumento rilevante nel periodo autunnale ed inver-nale ed estati più siccitose). I fabbisogni idrici aumentano rispetto allo scenario attuale, raggiungendo entità significative più precocemente nella stagione irrigua, a causa della semina anticipata e dell’accelerazione della crescita vegetativa indotte dall’aumento del-la temperatura (Figura 3(B)). Mantenendo l’attuale disponibilità di risorsa e l’attuale uso del suolo, si verificano episodi di deficit di fornitura irrigua rispetto al fabbisogno delle colture distribuiti nell’arco del quadrimestre irriguo. Sotto l’ipotesi B2 questi effetti risul-tano più contenuti.
Conclusioni
La memoria evidenzia le potenzialità di tecnologie e metodologie scientificamente avan-zate quali, in particolare, i modelli di simulazione idrologica integrati a scala di bacino, nel fornire un supporto alla pianificazione delle risorse idriche. Le esperienze di appli-cazione di tali strumenti alla simulazione di sistemi in cui l’irrigazione costituisce una componente importante sono divenute ormai relativamente numerose anche sul territo-rio nazionale. È tuttavia da sottolineare come la loro ricaduta pratica sia stata, ad oggi, ancora piuttosto modesta; le ragioni sono molteplici e sono riconducibili sicuramente al-la presenza di problematiche scientifiche ancora irrisolte, che limitano l’affidabilità dei sistemi di simulazione, alla scarsa disponibilità, tra questi, di strumenti utilizzabili opera-tivamente, così come alla mancanza di reti di monitoraggio adeguate. Inoltre, va
sottoli-Figura 3 - (A) Volumi irrigui annuali distribuiti su campo per gli scenari di riferimento, di riduzione del volume irriguo disponibile, di cambio di uso del suolo (dieci anni di simulazione);
(B) portata derivata media decadica, al netto delle perdite di adduzione/distribuzione, per gli scenari di riferimento e di cambio climatico (due anni di simulazione).
A B
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neato come una validazione completa dei modelli si possa concretizzare solo con il lo-ro trasferimento all’ente responsabile della pianificazione o gestione delle risorse idriche e con la messa a punto di un idoneo sistema informativo ed operativo, in condizioni di massima agilità, semplicità, facilità d’uso, che ne consenta l’utilizzo diretto da parte del personale dell’ente, appositamente istruito. Ciò permette, infatti, di porre in immediata evidenza le principali lacune sia dei modelli che dei sistemi di monitoraggio e, conseguen-temente, di avviare un processo di sviluppo continuo ed integrato di entrambi, che è l’unico che ne può garantire l’effettiva e duratura efficacia nel supporto alla gestione e pianificazione delle risorse idriche.
Ringraziamenti
Gli autori desiderano ringraziare il Consorzio di Bonifica Muzza-Bassa Lodigiana per la costante e fattiva collaborazione, l’ERSAF per i dati meteorologici e pedologici utilizzati nel-la ricerca, nel-la D.G. Agricoltura delnel-la Regione Lombardia, il MIUR e nel-la Fondazione CARI-PLO per il supporto finanziario alla realizzazione degli studi presentati nella memoria.
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