Nei Paesi del Mediterraneo, il consumo d’acqua in agricoltura rappresenta una percentuale non inferiore al 60% delle risorse idriche disponibili. Raffrontando tali consumi con la progressiva riduzione delle risorse idriche utilizzabili, si evince come la presenza di impianti realizzati con criteri non adeguati alle effettive condizioni di funzionamento, rigidità negli schemi di distribuzione idrica e problemi di esercizio, sono tra le principali cause della bassa efficienza di molti sistemi irrigui collettivi (Plusquellec et al., 1994). Rangely (1986), D’Urso et al., 2006, hanno valutato che circa 150 milioni di ettari (corrispondenti al 50% dell’area irrigata nel mondo) necessitano di una qualche forma di ammodernamento. In futuro, inoltre, è probabile che gli investimenti pubblici nel settore irriguo siano sempre più indirizzati al miglioramento dei sistemi di adduzione e di distribuzione idrica, attraverso il miglioramento della loro conduzione, piuttosto che all’espansione delle aree irrigate.
Al fine di acquisire maggiori conoscenze sui problemi di esercizio delle reti di adduzione e distribuzione idrica irrigua, gli Enti gestori possono oggi disporre di strumenti per il supporto alle decisioni, costituiti da un insieme di tecniche e misure di calcolo. Strumenti hardware e software possono essere impiegati per individuare più agevolmente le variabili che determinano il comportamento dei sistemi irrigui e per valutare gli effetti di eventuali misure adottate per un più razionale esercizio degli impianti irrigui. In particolare, si riporta una classificazione delle misure più idonee al miglioramento della conduzione dei sistemi irrigui:
a) sviluppo di reti idro-meteorologiche, data-base e sistemi informativi da cui desumere le informazione necessarie per la previsione della disponibilità idrica e del fabbisogno in tempo reale; fra tali sistemi, in particolare, i GIS (Sistemi Informativi Geografici) forniscono supporti utili ai programmi di gestione irrigua;
b) esercizio e gestione di serbatoi in tempo reale, facendo ricorso a modelli deterministici, e/o stocastici, che utilizzano serie storiche (sia idrologiche che meteorologiche) al fine di prevedere l’entità dei volumi invasati, degli afflussi
e delle domande idriche; le erogazioni possono, altresì, essere ottimizzate attraverso l’utilizzo di modelli di programmazione lineare o non lineare;
c) sistemi di supporto alle decisioni utili, in particolare, nell’esercizio dei serbatoi, al fine di scegliere le alternative di utilizzo della risorsa idrica e le colture da irrigare in relazione ai volumi disponibili ed ai fattori economici ed ambientali più rilevanti;
d) sistemi di controllo a distanza per la regolazione automatica dei serbatoi e dei sistemi di trasporto e distribuzione, soprattutto nei periodi siccitosi;
e) pianificazione di misure di emergenza nel caso di eventi particolarmente “critici” per stabilire le politiche di assegnazione e derivazione delle risorse e per la valutazione di idonee regole di esercizio; tale misura è strettamente connessa alla previsione del rischio di siccità.
La conoscenza dei processi che influenzano il moto dell’acqua nel suolo (infiltrazione di apporti meteorici o irrigui, evaporazione, traspirazione, percolazione verso le falde), rappresenta un’indispensabile premessa nello studio dei problemi connessi alla gestione delle risorse idriche superficiali e sotterranee ed al controllo dei sistemi di distribuzione idrica irrigua (D’Urso, 2001). I dati necessari alla definizione di questi processi, il cui reperimento può essere di notevole onerosità, possono essere acquisiti mettendo a punto tecniche sperimentali che mirano alla stima della variabilità spaziale e temporale dei fenomeni stessi; tra queste particolare rilievo è stato assunto, negli ultimi anni, dalle tecniche di osservazione della Terra a distanza (remote sensing) (Schultz e Engman, 2000) (Figura 3.8).
Le potenzialità dell’uso di tecniche di telerilevamento nel settore irriguo e per la gestione delle risorse idriche è ampiamente riconosciuta (FAO, 1995) ed indirizzata, prevalentemente, verso la stima di alcuni termini del bilancio idrico del suolo (evapotraspirazione, umidità del suolo, parametri descrittivi della copertura vegetale). Una delle prime, e più diffusamente studiate, applicazioni del telerilevamento si basa sulla stima dell’evapotraspirazione effettiva, cioè degli effettivi fabbisogni idrici irrigui, attraverso misurazioni della temperatura radiometrica della superficie del suolo.
Alcuni studi (Engman e Chauhan, 1995; Petty et al., 1996) hanno messo in evidenza le potenzialità dell’uso di sensori ad onde corte per la determinazione e il monitoraggio del contenuto idrico del suolo. L’utilizzo dei satelliti Landsat TM e Spot ha, in particolare, consentito la determinazione di mappe delle colture irrigue (acquisizione multitemporale) che, combinate con la valutazione dei coefficienti colturali Kc, ha prodotto mappe dei fabbisogni idrici colturali sufficientemente accurate (Estes et al., 1978). Sono stati, inoltre, messi a punto algoritmi per la individuazione dei parametri biofisici della vegetazione (LAI, densità della biomassa, scabrezza della copertura vegetale) a partire dai dati “telerilevati” con differenti risoluzioni spazio-temporali (Hall et al., 1995) (Figura 3.9).
La mappatura del coefficiente colturale, a partire dall’acquisizione di dati satellitari, può essere effettuata seguendo due diversi approcci:
1. algoritmi di classificazione, basati sulla definizione di classi spettrali corrispondenti a differenti coefficienti colturali Kc, assegnati a partire da osservazioni in campo. Questa tecnica è definita “approccio di classificazione”, in quanto si ipotizza una correlazione implicita tra i valori di riflettanza multispettrale della copertura vegetale ρλ e Kc;
2. la definizione di funzioni analitiche che legano ρλ ai valori di albedo r, indice di area fogliare LAI e altezza colturale hc, necessarie per il calcolo di Kc. In questo “approccio analitico”, le relazioni tra Kc, r, LAI e hc sono esplicitamente definite.
Nell’approccio analitico, la realizzazione di mappe delle proprietà della vegetazione (r, LAI, hc) è ottenuta dall’analisi di immagini satellitari multispettrali. Utilizzando dati rilevati da stazioni agro-meteorologiche, i valori di Kc sono ottenuti mediante lo schema riportato in Figura 3.10.
STAZIONE AGROM ETEO S T RHt, , %,U ⇓ ET f S T RH U LAI h c t = = ( , , %, ; ,α , ) ⇓ K ET ET c c = 0 M appa ALBEDO α IM M AGINE M ULT ISP ETTRAL E
M appa hc
M APPA Kc; Tp AREE CAM P IONE
ANALISI D’IM M AGIN E
M appa LA I
Figura 3.10 Schema delle elaborazioni delle immagini da satellite per la realizzazione di mappe del coefficiente colturale e dei fabbisogni idrici
Pur nelle limitazioni di precisione che il telerilevamento implica, è evidente l’utilità di queste tecniche di osservazione della superficie terrestre nel monitoraggio di parametri caratterizzati da una notevole variabilità spaziale e temporale. La disponibilità di nuovi sensori, caratterizzati da un elevato numero di bande e con capacità di osservazioni multi-angolari simultanee, apre nuove prospettive nelle applicazioni idrologiche del telerilevamento. L’analisi approfondita della risposta spettrale della superficie terrestre consentirà, infatti, di valutare con maggiore precisione i parametri di interesse idrologico ricorrendo sempre meno a modelli di tipo empirico.
PARTE SECONDA: APPLICAZIONE TECNICHE DI RISPARMIO IDRICO A CASI STUDIO SICILIANI
CAPITOLO 4
OTTIMIZZAZIONE DELLE EROGAZIONI DA UN SERBATOIO AD USO IRRIGUO
4.1 PREMESSA
Il miglioramento del livello di soddisfacimento dei fabbisogni irrigui rende necessaria l’individuazione di idonee politiche gestionali che consentano di: a) incrementare le risorse idriche accumulate;
b) migliorare i sistemi di trasporto e di distribuzione idrica; c) migliorare l’esercizio dei sistemi irrigui;
d) sviluppare l’uso di risorse idriche “alternative”.
Nelle regioni caratterizzate da frequenti fenomeni di scarsità idrica, come ad esempio le aree siciliane, l’esercizio dei sistemi di approvvigionamento idrico potrebbe essere migliorato attraverso la definizione di “più razionali” regole di gestione dei serbatoi. Generalmente, le regole di esercizio adottate dagli enti gestori dei serbatoi ad uso irriguo risultano alquanto imprecise, anche a seguito della difficoltà di valutare correttamente alcuni importanti fattori di controllo, quali: la variabilità stagionale o mensile delle precipitazioni, i fabbisogni irrigui colturali, i processi di trasformazione afflussi/deflussi. A tal proposito, l’uso di sistemi di supporto alle decisioni potrebbe rivelarsi di grande utilità nel raggiungimento di una più efficiente gestione di tali sistemi. In tale direzione sono state messe a punto e implementate nuove tecniche di analisi quantitativa in grado di supportare la ricerca della conoscenza di processi ambientali complessi (Rossi et al., 1999; Barbagallo et al., 2003; 2006). L’applicazione di questi strumenti nella definizione delle regole di esercizio di un serbatoio ha consentito di esprimere, ad esempio, la serie di erogazioni in funzione delle variabili che caratterizzano lo stato del serbatoio (volumi idrici invasati), degli input idrologici (afflussi al serbatoio) e di vincoli gestionali del sistema idrico (deflussi). Bhaskar
e Whitlatch (1980) hanno esaminato le regole di esercizio di un serbatoio ad uso irriguo mediante tecniche di regressione in grado di esprimere la serie dei rilasci dal serbatoio in funzione del volume invasato all’inizio di ciascun mese e degli afflussi al bacino diretto. Karamouz e Houck (1987), Barbagallo et al. (2001, 2003) hanno esaminato le politiche di rilascio di serbatoi utilizzando l’esercizio e le caratteristiche di stato del sistema serbatoio (rilasci, volumi invasati, afflussi) che precedono temporalmente le erogazioni del generico intervallo temporale t. Rossi et al. (1999) hanno utilizzato un approccio basato sulle reti neurali artificiali per l’individuazione dei rilasci mensili ottimali da un serbatoio in funzione dei volumi invasati e dei rilasci effettuati nel mese precedente. Anche la più recente teoria dei Rough Sets (Pawlak, 1991) si inserisce come strumento innovativo in grado di determinare le relazioni esistenti fra le informazioni disponibili ed esprimere tali relazioni attraverso regole operative del tipo “se….., allora….”. Nel seguito, con riferimento agli interventi proposti nel Capitolo 1 del presente manuale, vengono riportati la metodologia e i principali risultati dell’applicazione di un modello di ottimizzazione multi-obiettivo per la gestione di uno dei principali serbatoi siciliani ad uso irriguo.
4.2 APPLICAZIONE DI UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE