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ISPRA – ARPA
AREA C
ELABORAZIONE - GESTIONE - DIFFUSIONE DELLE
INFORMAZIONI AMBIENTALI
LINEA DI ATTIVITA’
C.3 MODELLISTICA
MODELLISTICA IDROLOGICA E IDRODINAMICA ATTIVITA’ 2010-2012
Relazione tecnica sulla ricognizione dello stato dell’arte della modellistica
Dicembre 2012
2 GRUPPO DI LAVORO
Coordinatore
Secondo Barbero – Arpa Piemonte Componenti
Silvano Pecora – Arpa Emilia Romagna
Isabella Scroccaro – Arpa Friuli Venezia Giulia Adolfo Mottola – Arpa Campania
Silvia Cremonese – Arpa Veneto Carlo Glisci – Arpa Basilicata Marco Canepa – Arpa Liguria Barbara Lastoria – ISPRA Gabriele Nardone - ISPRA
3 INDICE
1. PREMESSA 2. INTRODUZIONE
3. MODELLISTICA IDROLOGICO/IDRAULICA Introduzione alla tematica
Modelli utilizzati
Finalità e campi di applicazione Criticità
Esigenze operative
4. MODELLISTICA ACQUE MARINO-COSTIERE E LAGUNARI Introduzione alla tematica
Modelli utilizzati
Finalità e campi di applicazione Criticità
Esigenze operative
5. MODELLISTICA ACQUE SOTTERRANEE Introduzione alla tematica
Modelli utilizzati
Finalità e campi di applicazione Criticità
Esigenze operative
6. CONCLUSIONI
ALLEGATI
Schede di sintesi dei risultati della ricognizione Schema di questionario
Questionari compilati
4 1. PREMESSA
La tutela e l’informazione ambientale, la gestione delle risorse idriche, delle alluvioni ed il governo del territorio comportano azioni istituzionali di monitoraggio e modellazione di notevole ricaduta, rilevanza scientifica e impegno operativo, in un contesto mutevole sotto gli aspetti normativo, programmatico, organizzativo e tecnologico, nonché di uso del suolo.
La relazione tra parametri idrologici e di qualità delle acque sono punti chiave per la modellazione degli ecosistemi; le valutazioni inerenti pressioni ed impatti dei sistemi antropici sui corpi idrici si avvalgono di tecniche di modellazione; le informazioni raccolte ed il monitoraggio ambientale per valutare il conseguimento degli obiettivi di qualità ambientale per i corpi idrici, possono confluire in strumenti modellistici. Inoltre, il Sistema di allertamento nazionale e distribuito per la gestione degli eventi estremi idrogeologici, in profonda evoluzione a seguito della Legge 100/2012 (Protezione Civile), è basato su un’adeguata modellistica idrologica e idraulica; il bilancio idrico rappresenta un elemento fondamentale del modello quali-quantitativo a scala di bacino destinato alla rappresentazione in continuo delle componentiidrologica e idraulica, degli usi delle acque e dei fenomeni di trasporto e trasformazione delle sostanze inquinanti nel suolo e nei corpi idrici. La pianificazione delle risorse idriche, i piani di gestione del rischio di alluvioni, la gestione degli stati siccitosi o di scarsità idrica, anche con riferimento ai cambiamenti climatici, , sono anche essi sostenuti dalla modellazione.
L’Istituto Superiore per la Protezione e Ricerca Ambientale ha ereditato le funzioni del Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale, tra le quali la predisposizione di metodi e standard per la raccolta ed elaborazione dei dati (DPR n. 85/1991). Nell’ambito della riorganizzazione delle attività interagenziali, coordinate dallo stesso ISPRA, nel 2010 è stato istituito il Gruppo di lavoro "Modellistica idrologica e idrodinamica, Area/attività C elaborazione, gestione e diffusione delle informazioni ambientali”, avente come obiettivo specifico la ricognizione dello stato dell’arte della modellistica idrologica e idrodinamica (strumenti, metodi, organizzazione e referenti) nel sistema agenziale. Ciò anche al fine di individuare le specifiche necessità e le principali criticità operative emerse nell'ambito delle attività delle agenzie e fornire, rispetto ad esse, soluzioni comuni.
Per attuare i suddetti obiettivi, il Gruppo di lavoro ha proceduto, in prima istanza, all’elaborazione di un questionario, allo scopo di acquisire le informazioni inerenti lo stato dell'arte delle applicazioni modellistiche presso le varie Agenzie. Il questionario si componeva di 4 parti: la prima riguardante il quadro normativo nazionale e regionale nell’ambito del quale sono definite le competenze del soggetto istituzionale interpellato, la seconda si riferisce alle finalità/campi di applicazione delle varie tipologie di modellistica, mentre le successive 3 parti del questionario riguardano rispettivamente la modellistica idrologico-idraulica (afflussi/deflussi e idrodinamica fluviale); la modellistica per le acque marino-costiere o lagunari e infine quella per le acque sotterranee. Sulla base delle indicazioni fornite da ISPRA, tale questionario è stato indirizzato a tutte le Agenzie del sistema, interessando i Direttori Tecnici delle Agenzie, in modo da individuare e coinvolgere le specifiche Unità competenti. I referenti delle Agenzie direttamente coinvolte nel GdL si sono fatti carico delle compilazione del questionario o direttamente o mediante reindirizzamento dello stesso verso le Unità competenti. La scadenza per la compilazione e l’invio del questionario è stata fissata al 30 Novembre 2011.
La data concordata con il Comitato Tecnico Permanente per il completamento, da parte del Gruppo di lavoro, della fase di ricognizione dello stato dell’arte della modellistica è stata invece fissata per il 31/12/2012.
La presente relazione tecnica si propone di fornire una sintesi dei risultati emersi dall’analisi dei questionari. Uno di questi è la presenza di elementi di novità nell’ambito dei
5 dati di input, degli ambienti operativi di sistema, dell’integrazione degli strumenti, della restituzione topografica e dell’estensione, in numero e tipologia, degli utenti interessati.
Nel presente documento non si fa riferimento in maniera dettagliata ad attività comunque comprese negli ambienti operativi, tra le quali la modellistica stocastica, l’assimilazione di dati, il post processing, gli strumenti automatici di supporto alle valutazioni ed il reporting effettuato in corso d’evento o immediatamente dopo. Esse saranno più compiutamente valutate in un ulteriore screening dello stato dell’arte nel settore della modellistica.
Quanto emerso dall’analisi dei questionari, fornisce gli elementi propedeutici per approntare l'attività di stesura delle linee guida sull'applicazione e l'uso di modellistica idrologica ed idrodinamica.
6 2. INTRODUZIONE
Le applicazioni idrologiche, idrauliche ed idriche nel campo ambientale, in corso presso le Agenzie regionali, si avvalgono di dati, modelli e strumenti articolati in catene modellistiche.
Ad esempio la previsione idrologica, deterministica o probabilistica, considera la concatenazione delle previsioni numeriche ed osservazioni pluviometriche, anche remote, il downscaling, le modellazioni afflussi-deflussi dei tronchi superficiali e dei deflussi sotterranei, fino ai recapiti finali ed il post processing dei risultati. Le scale spaziali e temporali a cui operano le catene modellistiche dipendono da quelle dei dati in input, dei processi idrologici al suolo, e dalle esigenze di restituzione in output da parte degli utenti.
Gli ambienti operativi di sistema utilizzati per le catene modellistiche consentono di ottenere dati esterni, programmare il run dei modelli e lanciarlo, visualizzare, confrontare ed aggiornare dati e risultati, monitorare lo stato del sistema, fornire le informazioni richieste secondo opportuni formati o layout e manutenere il database in cui dati, risultati e informazioni sono memorizzati e organizzati.
Il presente documento, coerentemente con la struttura del questionario, è suddiviso in 3 sezioni: modellistica idrologico/idraulica; modellistica acque marino-costiere e lagunari;
modellistica acque sotterranee. Ciascuna di esse è articolata nei seguenti paragrafi:
Introduzione alla tematica; Modelli utilizzati; Finalità e campi di applicazione; Criticità;
Esigenze operative.
Nello specifico si è deciso di affidare la redazione di ciascuna sezione a un Sottogruppo di lavoro, creato in base a esperienza e competenza sulla tematica dei singoli componenti e coordinato da un referente, con il compito di predisporre una relazione tecnica per il tema di competenza. In particolare la sezione dedicata alla modellistica idrologica ed idrodinamica è stata curata da ARPA Piemonte ed ARPA Emilia-Romagna, quella relativa alla modellistica delle acque marino costiere e lagunari da ARPA Friuli Venezia Giulia, mentre la sezione relativa alle acque sotterranee è stata curata da ARPA Campania. Una volta condivisa la proposta di organizzazione del lavoro, sono stati trasmessi a tutti i membri del Gruppo di lavoro gli esiti dei questionari e tutto il materiale disponibile. Si è quindi proceduto, subito dopo l'estate, alla convocazione di una riunione per il controllo e il confronto del materiale e dei contributi disponibili e per trarre le conclusioni complessive in relazione alla stesura definiva del documento, sia in termini di struttura che di contenuti.
7 2. MODELLISTICA IDROLOGICO/IDRAULICA
- Introduzione alla tematica
I campi di applicazione dei modelli idrologici/idraulici operativi presso le differenti Agenzie sono molteplici. Essi, inoltre, sono utilizzati per analisi sia in tempo reale che nel tempo differito. Gli ambiti applicativi sono molteplici e riguardano, ad esempio, i bacini idrografici montani, pedemontani, i tronchi di pianura (arginati e non), le zone di bonifica e costiere, le aree particolarmente antropizzate, considerando punti singolari ed opere idrauliche in differenti condizioni fisiche e di relazione con i sistemi naturali ed antropici.
Nel tempo reale i modelli idrologici/idraulici costituiscono principalmente uno strumento di supporto all’attività di previsione delle piene nell’ambito del sistema di allerta nazionale e delle procedure operative definite a scala regionale, fornendo in uscita valori di portata e livello idrico in corrispondenza di sezioni di controllo lungo le varie aste fluviali. Un’altra tipologia di analisi in tempo reale dei modelli è costituita dal supporto alla gestione della risorsa idrica in concomitanza di eventi di magra, causati da periodi siccitosi o da condizioni di scarsità idrica, finalizzato alla razionalizzazione degli usi della risorsa stessa.
Tra le applicazioni nel tempo differito si annovera in primo luogo l’utilizzo dei modelli per quantificare la risorsa idrica o per definirne il livello di qualità. Tali attività supportano ad esempio la redazione dei Piani di Tutela delle Acque regionali e dei Piani di Gestione di distretto idrografico. Nell’ambito dell’implementazione della Direttiva Quadro Acque (2000/60/CE), considerando in particolare gli elementi di qualità idromorfologica, i modelli idrologici/idraulici ed idrici sono utilizzati per verificare la variazione del regime idrologico in corrispondenza di specifiche sezioni dei corsi d’acqua nel corso del tempo (calcolo indice IARI – Indice di Alterazione del Regime Idrologico), nell’ipotesi in cui, in una data sezione non siano disponibili serie storiche di portata sufficientemente estese. Da ultimo, costruendo modelli idraulici sulla base di informazioni rilevate su campo (rilievi topografici delle sezioni fluviali, degli attraversamenti, delle opere di difesa spondale, ecc…) e deducibili da mappe digitali (modelli digitali delle quote del terreno – DEM, immagini satellitari, ortofoto), è possibile effettuare simulazioni inizializzate da idrogrammi provenienti dalla modellistica idrologica finalizzate alla delimitazione delle aree inondabili e delle relative distribuzioni spaziali delle altezze idriche e delle velocità. Tali aree calcolate per eventi di dato tempo di ritorno sono indispensabili ai fini della produzione di mappe di pericolosità e mappe del rischio di alluvioni, secondo quanto previsto dalla Direttiva Europea sulle Inondazioni, la 2007/60/CE.
Inoltre, sono state già avviate simulazioni idrologiche e idrauliche, che tengono conto, sotto opportune ipotesi, dei cambiamenti climatici (riconoscimento e adattamento), applicabili per la valutazione sia degli eventi idrologici estremi che delle risorse idriche.
Infine, si annoverano anche applicazioni in campo ecologico ed ambientale.
- Modelli utilizzati Modellistica afflussi - deflussi
I modelli di trasformazione afflussi-deflussi operativi presso le varie Arpa sono costruiti utilizzando differenti codici di calcolo disponibili gratuitamente o di tipo commerciale. I modelli possono essere costruiti utilizzando un solo codice di calcolo o accoppiandone differenti. L’Arpa Basilicata utilizza il codice open source Nemo-Bas, l’Arpa Campania
8 HEC-HMS (open source) e SWAT (open source), l’Arpa Emilia Romagna HEC-HMS (open source), NAM, del DHI (commerciale) e TOPKAPI (commerciale), l’Arpa Piemonte HEC- HMS (open source), TOPKAPI (commerciale), NAM, del DHI (commerciale) e FEST-WB (open source), l’Arpa Toscana e l’Arpa Veneto il codice open source SWAT. L’Arpa Liguria ha implementato un proprio modello afflussi-deflussi mediante il codice di calcolo commerciale DriFt.
Ad eccezione delle Arpa Basilicata e Campania, che per l’operatività del modello usufruiscono esclusivamente della consulenza di personale esterno, le altre Arpa (Emilia Romagna, Liguria, Molise, Piemonte, Toscana e Veneto) si basano sull’utilizzo di personale interno alla struttura, avvalendosi occasionalmente o sistematicamente della consulenza di soggetti esterni.
La rappresentazione dei processi fisici nei modelli afflussi - deflussi è sempre concettuale o fisicamente basata, tranne che per il modello implementato da Arpa Basilicata, in cui è di tipo empirico. La rappresentazione spaziale adottata può essere di tipo distribuito, semi – distribuito o concentrato (o una integrazione delle diverse approssimazioni), mentre la rappresentazione temporale è in continuo. Tutti i modelli afflussi - deflussi richiedono in ingresso dati di precipitazione, ricavati dalle misure effettuate dalla rete pluviometrica in gestione, dalle stime ricavate mediante prodotti radar o dall’applicazione di modelli meteorologici numerici. Solo i modelli operativi presso Arpa Veneto, Piemonte ed Emilia Romagna sono dotati di moduli che tengono conto dell’effetto, sulla formazione dei deflussi superficiali, della presenza di una copertura nevosa e della presenza di invasi.
Tutti i modelli, tranne quelli di Arpa Basilicata e Arpa Toscana tengono conto dell’evaporazione e dell’evapotraspirazione. Il fenomeno dell’intercettazione è descritto dai modelli operativi presso Arpa Piemonte, Arpa Emilia Romagna, Arpa Liguria e Arpa Veneto. Tutti i modelli, tranne quelli di Arpa Basilicata e Arpa Toscana descrivono il fenomeno dell’infiltrazione. Il contributo della falda (deflusso di base) è schematizzato nei modelli operativi presso Arpa Piemonte, Arpa Emilia Romagna e Arpa Veneto.
I modelli afflussi - deflussi sono definiti su aree territoriali di differente estensione: il modello operativo presso Arpa Basilicata è applicato su un solo bacino, quello operativo presso Arpa Campania su quattro bacini. Il modello di Arpa Emilia Romagna è definito sull’intero territorio regionale ed è applicato su un totale di 241 bacini per quanto concerne la parte a parametri concentrati; il modello di Arpa Piemonte è strutturato allo stesso modo ed è applicato su 187 bacini. Il modello operativo presso Arpa Liguria è applicato sui bacini di estensione maggiore di 10 km2. Il modello afflussi - deflussi di Arpa Molise è definito su 4 bacini, e quello di Arpa Toscana su 23 bacini. Da ultimo, il modello operativo presso Arpa Veneto è definito su un’area che comprende 176 bacini.
Rappresentazione dei processi in alveo
I modelli che rappresentano i processi in alveo operativi presso i centri funzionali delle varie Arpa sono costruiti utilizzando differenti codici di calcolo disponibili gratuitamente o di tipo commerciale. I modelli possono essere costruiti utilizzando un solo codice di calcolo o accoppiandone differenti.
Arpa Basilicata utilizza il codice open source Nemo-Bas, Arpa Campania HEC-HMS (open source) e SWAT (open source), Arpa Emilia Romagna HEC-RAS (open source), SOBEK (commerciale) e MIKE 11 HD (commerciale), Arpa Piemonte HEC-RAS (open source), SOBEK (commerciale), MIKE 11 HD (commerciale) e FEST-WB (open source), Arpa
9 Molise IDRAIM (open source). Arpa Veneto ha costruito il proprio modello utilizzando il codice di calcolo QUAL2K (open source).
Ad eccezione di Arpa Basilicata, che per l’operatività del modello usufruisce esclusivamente della consulenza di personale esterno, le altre Arpa (Campania, Emilia Romagna, Liguria, Molise, Piemonte, Toscana e Veneto) si basano sull’utilizzo di personale interno alla struttura, avvalendosi della consulenza di soggetti esterni.
Solo due dei modelli che rappresentano i processi in alveo sono di tipo bidimensionale, quelli operativi presso Arpa Molise e Arpa Campania. Arpa Veneto e Arpa Basilicata utilizzano una schematizzazione monodimensionale, mentre i modelli di Arpa Piemonte e Arpa Emilia Romagna accoppiano una schematizzazione 1D ad una quasi – 2D.
Il modelli idraulici operativi presso le differenti Agenzie prevedono la valutazione delle dinamiche in alveo su un reticolo costituito da un numero variabile di aste fluviali (una sola per Arpa Basilicata (Basento), 6 per Arpa Campania, 45 per Arpa Emilia Romagna, 6 per Arpa Molise, 130 per Arpa Piemonte, 7 per Arpa Veneto).
Come dati in ingresso ai modelli idraulici si annoverano, per quasi tutti i modelli, dati geometrici come DEM e sezioni d’alveo, oltre a scale di deflusso, livelli idrometrici, portate, mappe di tipo raster/grid dell’uso del suoloe della pedologia.
- Finalità e campi di applicazione
I modelli di simulazione afflussi-deflussi vengono utilizzati per effettuare previsioni di piena in tempo reale (Arpa Basilicata, Arpa Emilia Romagna, Arpa Liguria e Arpa Piemonte), previsioni di piena in continuo (Arpa Piemonte ed Arpa Emilia Romagna), previsioni di piena ad evento (Arpa Liguria), analisi post evento in tempo differito (Arpa Liguria, Arpa Piemonte, Arpa Emilia Romagna, Arpa Basilicata e Arpa Veneto), analisi post evento in continuo (Arpa Campania e Arpa Veneto), analisi post evento ad evento (Arpa Campania e Arpa Liguria). Ulteriori utilizzi dei modelli sono l’effettuazione di analisi di supporto alla costruzione del bilancio idrico (Arpa Emilia Romagna, Arpa Liguria, Arpa Molise, Arpa Piemonte e Arpa Veneto) e l’attuazione di attività di supporto finalizzate alla determinazione degli aspetti quali-quantitativi della risorsa idrica sotterranea (Arpa Campania, Arpa Emilia Romagna, Arpa Molise e Arpa Toscana). Da ultimo, i modelli idrologici concorrono alla valutazione dello stato di qualità delle acque, legato ad esempio alla diffusione/dispersione di sostanze inquinanti (Arpa Campania, Arpa Emilia Romagna, Arpa Molise e Arpa Veneto).
I modelli di propagazione idrodinamica in alveo sono utilizzati per effettuare previsioni di piena in tempo reale e in continuo (Arpa Emilia Romagna e Arpa Piemonte), analisi post evento in tempo differito (Arpa Emilia Romagna, Arpa Piemonte e Arpa Veneto), analisi post evento in continuo (Arpa Emilia Romagna e Arpa Piemonte), analisi post evento di singoli eventi (Arpa Veneto) e per valutare l’estensione delle aree inondabili (Arpa Emilia Romagna e Arpa Piemonte). I modelli idrodinamici contribuiscono anche alla valutazione dello stato di qualità delle acque, legato ad esempio alla diffusione/dispersione di sostanze inquinanti (Arpa Emilia Romagna, Arpa Molise e Arpa Veneto), la cui concentrazione è strettamente connessa agli aspetti quantitativi (portate liquide), alla valutazione dell’intrusione del cuneo salino (Arpa Emilia Romagna) ed alla stima del trasporto solido (Arpa Molise e Arpa Veneto). Arpa Veneto utilizza inoltre il proprio modello idrodinamico per simulare particolari stati del sistema studiato (situazioni di criticità di deflusso,
10 situazioni di variazioni di carico immesso per modifiche agli impianti di depurazione e alle reti fognarie, valutazione di differenti scenari e strategie di gestione dei prelievi/rilasci, ecc., inquinamento da metalli…ecc.).
Nelle Arpa Friuli Venezia Giulia, Puglia, Umbria, Valle d’Aosta e Marche non sono utilizzate applicazioni modellistiche in ambito idrologico e idraulico.
- Criticità
Il grado di complessità nell’utilizzo dei modelli afflussi – deflussi e di propagazione idrodinamica è stato valutato presso le differenti agenzie: basso per Arpa Basilicata, medio per Arpa Campania e Arpa Veneto, alto per Arpa Emilia Romagna, Arpa Molise e Arpa Piemonte.
I tempi computazionali sono quasi uniformemente classificati come medi.
L’attendibilità del modello operativo presso la propria struttura è classificata come media da Arpa Basilicata, Arpa Campania, Arpa Emilia Romagna e Arpa Piemonte e alta da Arpa Molise e Arpa Veneto.
La difficoltà di reperimento dei dati meteorologici e idrologici è classificata da quasi tutte le agenzie come bassa; la relativa qualità/attendibilità è considerata generalmente medio/alta.
Arpa Campania e Arpa Veneto associano invece all’attività di reperimento dei dati idrologici una difficoltà maggiore rispetto al reperimento dei dati meteorologici.
- Esigenze operative
I prodotti forniti tramite modellistica possono riguardare attività su specifica richiesta, relazioni di evento, report (annuali, mensili, settimanali o giornalieri) e i bollettini di previsione criticità e monitoraggio.
Le esigenze operative possono essere inquadrate in uno schema a strati:
- strumentale (telemetria, radar satellite, campagne e sondaggi)
- modellistico (suolo, idrologia, idraulica, bilancio, modellistica stocastica e di scenario) - operativo (gestione dati import export data base, scheduling)
- assimilazione, post processing e manual forecast
- costruzione, integrazione e diffusione dell’informazione/valutazione - metodologie per l’utilizzo del sistema
- procedure operative
- sperimentazione: eventi storici - analisi della sperimentazione - esposizione: convegni
- formazione: corsi, manuali - relazioni tra gli strati proposti
Ciascuno strato e le relazioni tra essi devono perseguire standard minimi sia programmatici che tecnico scientifici.
Per fare una valutazione in termini di esigenze di risorse umane e strumentali, occorre distinguere tra i diversi utilizzi.
Le applicazioni in tempo reale richiedono che sia organizzato un vero e proprio “servizio”
composto da personale che si avvicenda giornalmente in turno in modo da garantire continuità dell’erogazione del servizio ed infrastrutture informatiche con soluzioni tecnologiche in alta affidabilità che consentono di minimizzare le probabilità di fermo dei processi di elaborazione.
11 Le valutazioni idrologiche ed idrauliche operative basate sulla modellistica richiedono azioni ed attività di verifica, confronto e diffusione delle informazioni con l’ausilio di personale e strumenti dedicati. Le attività del tempo reale possono essere articolate a seconda del tempo all’evento (orizzonte di previsione), della natura dell’evento stesso, degli esposti, dell’area colpita e delle condizioni idrologiche; è da considerarsi, altresì, la funzionalità delle infrastrutture e degli organi di manovra. In particolare, può essere utile approfondire le attività negli stati di previsione e monitoraggio e sorveglianza. Alcune valutazioni correnti riguardano la verifica della validità delle previsioni meteo e dei dati in telemisura, la corrispondenza tra le previsioni e osservazioni e l’import nell’ambiente di sistema modellistico, l’individuazione di eventuali fenomeni locali. Una volta ottenute le corse dei modelli, le valutazioni idrometriche (di altezza e di portata) si svolgono dopo le opportune verifiche, correzioni e assimilazione dei dati osservati; si può fare ricorso a dati in tempo reale ed informazioni raccolte in campo (gestori di invasi, consorzi, campagne di monitoraggio, volontari). Particolarmente utile può risultare l’incrocio delle informazioni sulle condizioni di saturazione dei terreni, spesso raccolte a fini agronomici e forestali.
Benché si auspichi nel futuro un aumento del grado di automazione, sono di ampio utilizzo le considerazioni di tipo qualitativo ed il ricorso all’esperienza degli operatori.
Al contrario nelle applicazioni fuori linea le principali esigenze riguardano la necessità di formazione del personale che deve avere requisiti di elevata specializzazione.
Tra le attività del tempo differito si segnala l’aggiornamento periodico delle soglie idrometriche, in considerazione di eventuali elementi di novità riguardanti sia il tronco fluviale, che le infrastrutture, che gli esposti stimati anche temporanei (attività in fiume o in alveo, lavori in corso, occupazioni temporanee di aree golenali, ristrutturazione di ponti, officiosità di opere idrauliche, manutenzione degli argini).
12 3. MODELLISTICA DELLE ACQUE MARINO COSTIERE E LAGUNARI
- Introduzione alla tematica
All’interno delle attività di monitoraggio e controllo della qualità dell’acqua in area costiera (acque marino costiere e acque di transizione) la modellistica ha un ruolo di supporto sempre più rilevante. Il litorale, infatti, presenta zone d’importanza non solo ambientale ma anche economica e sociale (turismo e balneazione, molluschicoltura e pescicoltura, aree SIC/ZPS, Rete Natura 2000, parchi e aree marine protette, etc.) e richiede studi focalizzati, a partire dalla caratterizzazione idrodinamica/idrologica dell’area.
Nell’ottica di fornire servizi di controllo, mantenimento e previsione delle caratteristiche dell’area costiera, come indicato dal Protocollo ICZM (Integrated Coastal Zone Management) entrato in vigore dal marzo 2011, considerando la Direttiva Marine Strategy MSFD (2008/56/CE), la Direttiva per la balneazione (2006/7/CE), nonché la Direttiva Quadro per le Acque WFD (2000/60/CE), si evidenzia la necessità di utilizzare strumenti di modellistica numerica in ambito marino costiero e lagunare.
A livello di normativa italiana la modellistica delle acque marino costiere e lagunari è rappresentata in particolare nel Decreto Legislativo n.116 del 30 maggio 2008, relativo alla qualità delle acque di balneazione. Il Decreto, infatti, chiede di fornire previsioni ambientali, che sono troppo complesse per essere affrontate esclusivamente attraverso il monitoraggio. In tale contesto, l’applicazione di modelli numerici nella valutazione degli impatti di inquinanti sulle acque di balneazione può risultare utile sia per l’identificazione dell’estensione dell’area soggetta agli effetti dell’inquinamento, che per quantificare se il carico di inquinante costituisca o no un rischio per la balneazione.
I modelli numerici sono inoltre un valido ausilio per la formulazione di ipotesi di vario tipo e per valutazioni nella gestione dell’impatto di una data fonte di inquinamento. Essi, inoltre, possono anche fornire indicazioni utili sulle condizioni del mare, ad esempio su rischi legati a correnti e moto ondoso e così via. Infine la modellistica numerica può anche essere integrata in un sistema di allarme rapido per la tempestiva segnalazione, tramite sistemi automatici, dell’inizio di fenomeni di inquinamento o di mareggiate. In questo modo, con una sola risorsa sarà possibile non solo adempiere agli obblighi di legge per la valutazione dell’impatto degli inquinanti, ma in generale anche fornire un servizio aggiuntivo al pubblico.
L’applicazione di modelli numerici in acque marino costiere e lagunari si basa fondamentalmente sulla simulazione dell’idrodinamica e dei processi di dispersione di inquinanti, ricorrendo ad opportune ipotesi semplificative a seconda dei casi. Nella scelta di tali ipotesi si procede col trascurare o trattare in maniera semplificata quei fenomeni che non sono individuati come caratterizzanti della situazione in esame. In tal modo si riesce a ridurre la complessità del modello numerico da utilizzare. A seconda dei casi l’approccio matematico può essere infatti di vario tipo: RANS o LES, euleriano o lagrangiano; con tecniche alle Differenze Finite, agli Elementi Finiti o ai Volumi finiti; nella versione bidimensionale e/o tridimensionale, nell’ipotesi shallow water, in modalità barotropica o baroclina, etc.
13 - Modelli utilizzati
Modellistica delle acque marino costiere e lagunari
Allo stato attuale, per quanto risulta dai questionari ricevuti, le Arpa in cui si applica la modellistica delle acque marino costiere e lagunari sono solo quattro: ARPA EMILIA- ROMAGNA, ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA, ARPA LIGURIA e ARPA VENETO.
I modelli impiegati attualmente presso le Arpa sono disponibili gratuitamente oppure sono modelli commerciali. Tali modelli possono essere utilizzati per lo studio della circolazione idrodinamica e del moto ondoso, per valutazioni relative alla qualità delle acque e per lo studio del trasporto solido, effettuando analisi per situazioni specifiche o per scenari. Arpa Emilia Romagna utilizza i modelli open source SWAN, ROMS, GNOME e X-Beach, Arpa Friuli Venezia Giulia utilizza il modello SHYFEM (open source), Arpa Liguria il modello MIKE 3 (commerciale), e Arpa Veneto i modelli open source SHYFEM e ROMS. Tutte le ARPA menzionate utilizzano la modellistica per scopi operativi.
Per l’operatività del modello, ARPA Emilia Romagna si avvale di personale interno, Arpa Friuli Venezia Giulia e Arpa Liguria si basano sia sull’utilizzo di personale interno alla struttura che di personale esterno, mentre Arpa Veneto ricorre esclusivamente alla consulenza di personale esterno. Tutte le ARPA indicate si avvalgono occasionalmente o sistematicamente della consulenza gratuita o non di soggetti esterni.
I modelli utilizzati sono tutti di tipo RANS e sono costituiti da un modello idrodinamico su cui si innestano vari moduli aggiuntivi con diverse finalità e con diverse caratteristiche.
Come dati di input vengono indicati fondamentalmente dati meteo-marini e dati idrologici.
Tali dati sono rappresentati da valori di pioggia, temperatura dell’aria, vento (direzione ed intensità), pressione atmosferica, radiazione solare, umidità relativa, copertura nuvolosa, dati di livello idrometrico/mareale, dati di portata dei fiumi e dati di batimetria. I dati possono anche provenire da altri modelli. Il passo temporale (generalmente orario) ed i formati possono essere di vario tipo a seconda delle esigenze e dei modelli utilizzati.
Gli output forniti dai modelli sono generalmente costituiti dai principali parametri oceanografici (livello marino, velocità e direzione di corrente e onde, temperatura, salinità, ossigeno disciolto, etc.) e da valori di concentrazione della dispersione di inquinanti (idrocarburi, microbiologia, …). I formati numerici e grafici degli output possono essere vari, secondo le caratteristiche dei modelli utilizzati e quanto richiesto dalle varie esigenze.
a) Modellistica idrodinamica e del moto ondoso
ARPA EMILIA ROMAGNA utilizza ROMS come modello idrodinamico bidimensionale alle differenze finite, accoppiato al modello MFSTEP per le condizioni al contorno ed al modello meteorologico COSMO-I; impiega inoltre il modello shallow water SWAN per il moto ondoso.
ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA utilizza il modello idrodinamico agli elementi finiti SHYFEM (versioni 2D e 3D), fornito anche di un modulo per il moto ondoso.
ARPA LIGURIA impiega il modello tridimensionale ai volumi finiti MIKE 3 (DHI) e per il moto ondoso si avvale del modulo MIKE 21 SW del modello MIKE stesso.
14 ARPA VENETO si avvale dei modelli idrodinamici SHYFEM (come ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA) e ROMS (come ARPA EMILIA ROMAGNA).
b) Modellistica della dispersione di inquinanti e di qualità delle acque
Accoppiato al modello meteorologico COSMO-I e al modello idrodinamico ROMS, ARPA EMILIA ROMAGNA utilizza GNOME come modello di trasporto lagrangiano per valutazioni di qualità delle acque (tipo oil spill).
ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA e ARPA VENETO utilizzano il modello SHYFEM, provvisto di un modulo di dispersione e di vari moduli di qualità dell’acqua (ad esempio EUTRO-WASP), che sono stati integrati nel modello stesso.
ARPA LIGURIA si avvale dei moduli MIKE 3 AD (Advection Dispersion) per la dispersione di sostanze disciolte in acqua, MIKE PT (Particle Tracking) e SA (Spill Analysis) per il trasporto di sostanze pericolose e del modulo MIKE 3 ECO lab come modello ecologico.
c) Modellistica del trasporto solido
I modelli di trasporto solido vengono impiegati da ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA, ARPA LIGURIA e ARPA VENETO.
A questo scopo vengono utilizzati da ARPA LIGURIA i moduli MIKE 3 ST (Sand Transport) e MT (Mud Transport) del codice MIKE ed il modello SHYFEM da ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA e ARPA VENETO.
Per la simulazione del trasporto solido SHYFEM utilizza il modulo SEDTRANS, adattato per girare nel modello e modificato ad hoc.
Infine, ARPA EMILIA ROMAGNA impiega il modello X-Beach per studi di morfodinamica costiera, accoppiato ai modelli ROMS e SWAN.
- Finalità e campi di applicazione
I modelli delle acque marino costiere e lagunari vengono utilizzati da tutte le Arpa per effettuare simulazioni idrodinamiche e di moto ondoso. Le simulazioni idrodinamiche e di moto ondoso sono generalmente la base per le simulazioni a supporto delle valutazioni di qualità delle acque in particolare per la qualità delle acque di balneazione e del trasporto solido.
Come bacini di applicazione per ARPA EMILIA ROMAGNA si va dalla scala del Mar Mediterraneo e del Mare Adriatico, per arrivare alle coste dell’Emilia Romagna, etc, per uno totale di circa 8-10 casi di applicazione. Per ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA il dominio del modello copre tutto il Mare Adriatico fino allo Stretto di Otranto, mentre per la laguna di Marano e Grado il bacino di applicazione è di circa 160 km2.
Per ARPA VENETO si tratta di un unico sistema interconnesso composto da 6 corpi d’acqua di transizione e l’alto Adriatico, con notevoli complessità per la presenza di foci fluviali limitrofe tra cui il Po ed il suo sistema deltizio.
Infine, per ARPA LIGURIA il bacino di applicazione è rappresentato dal Mar Ligure, con la possibilità di innestare modelli sotto-costa a più alta risoluzione.
15 - Criticità
Il grado di criticità nell’implementazione dei modelli di acque marino costiere e lagunari è stato valutato soprattutto in riferimento alla complessità dell’utilizzo dei modelli, che risulta quasi uniformemente alta.
La difficoltà di reperimento dei dati meteorologici e idrologici è classificata da quasi tutte le Agenzie come bassa. ARPA FVG evidenzia qualche criticità legata alla difficoltà di reperimento di alcuni dati, in particolare per quanto riguarda i dati di portata dei fiumi ed i dati di batimetria della Laguna di Marano e Grado.
I tempi computazionali sono uniformemente classificati tra medi ed alti. Anche il livello di attendibilità dei modelli e dei risultati è uniformemente classificato tra medio e alto.
Vengono segnalate alcune complessità per quanto riguarda i bacini di applicazione.
- Esigenze operative
Le attività di modellistica delle acque marino costiere e lagunari attengono ad attività di tipo tecnico-scientifico specialistico, per cui è auspicabile che tali attività si possano svolgere in sedi dedicate ed organizzate per quanto riguarda il personale specializzato, le infrastrutture informatiche, software, banche dati, sistema informativo ambientale regionale, attività a supporto, attività di reportistica e di diffusione/pubblicazione.
Le esigenze operative possono essere schematizzate e raggruppate per brevità nell’elenco seguente in cui si distinguono per tipologia:
- strumentali e di supporto (misurazioni sistematiche (anche in continuo) ed ad evento di portate fiumi/ sorgenti, misurazioni di livelli, temperatura, salinità e concentrazione) - modellistico (informatici e fisici sviluppatori a supporto di applicazioni ad hoc, ampliamento dell’ambito della modellistica previsionale)
- operativo (gestione dati import export data base, scheduling) - assimilazione, post processing e manual forecast
- costruzione, integrazione e diffusione dell’informazione/valutazione - metodologie per l’utilizzo del sistema
- procedure operative
- sperimentazione: eventi storici - esposizione: convegni
- formazione: corsi, manuali, linee guida - relazioni tra gli strati proposti
Ciascuno strato e le relazioni tra essi devono perseguire standard minimi sia programmatici che tecnico- scientifici. Le valutazioni oceanografiche e di qualità delle acque basate sulla modellistica richiedono azioni ed attività di verifica, confronto e diffusione delle informazioni con l’ausilio di personale e strumenti dedicati.
Per fare una valutazione in termini di esigenze: di risorse umane, strumentali, infrastrutturali, etc. occorrono opportuni approfondimenti anche legati alle programmazioni delle attività/fondi agenziali.
Nelle applicazioni modellistiche anche se solo per attività basilari ed iniziali di implementazione e applicazione dei modelli necessita la formazione anche costante del personale che deve avere requisiti di elevata specializzazione.
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4. MODELLISTICA DELLE ACQUE SOTTERRANEE - Introduzione alla tematica
La modellistica delle acque sotterranee (o modellistica idrogeologica) rappresenta una settore specialistico dell'idrogeologia ambientale in cui si implementano e si sviluppano modelli numerici (generalmente fisicamente basati) al fine di riprodurre e/o di simulare (previsione) il flusso e il trasporto di inquinanti negli acquiferi e/o nella zona insatura del sottosuolo. La modellistica delle acque sotterranee si applica a domini idrogeologici circoscrivibili fisicamente e/o idraulicamente in un contesto concettuale ragionevolmente semplificato rispetto alla complessità idrogeologica reale. Le scale di lavoro possono essere molto diverse: bacino idrogeologico, corpo Idrico sotterraneo, sistema fiume – falda, campo pozzi, discarica, stazione rifornimento carburanti). La modellistica consente di fornire risposte quantitative (con grado di incertezza variabile da caso a caso) a domande di vario tipo:
1) Qual è la configurazione ottimale di una rete di monitoraggio delle acque sotterranee con il minor numero di pozzi e sorgenti più rappresentative dello stato quali-quantitativo del corpo idrico sotterraneo?
2) Qual è la frequenza minima ottimale di monitoraggio qualitativo e quantitativo da attribuire ad una sorgente per stimare significativamente le tendenze evolutive a medio e lungo termine?
3) Qual è la probabile area di ricarica di una sorgente?
4) Qual è la geometria del volume-acquifero entro il quale circolerà un inquinante richiamato dall'esercizio di un pozzo o campo pozzi?
5) Quali sono le isocrone delle aree di salvaguardia di pozzi e sorgenti destinate all’approvvigionamento idropotabile?
6) Quali sono le variazioni temporali del livello idrico di un fiume alimentato da un corpo idrico sotterraneo sottoposto ad un definito regime di emungimenti?
7) Quale sarà il recettore, il percorso ed il tempo di migrazione più probabile di un contaminante fuoriuscito dal corpo di una discarica?
8) Quali variazioni dei livelli di falda di un corpo idrico sotterraneo ci si possono attendere per effetto di variazioni della ricarica, o più in generale delle variazioni climatiche?
9) Quali sono i tempi più probabili di migrazione verso la falda di un inquinante rilasciato sul suolo?
10) Quali ipotesi si posso avanzare circa tempi e distribuzione delle concentrazioni dell’intrusione salina in acquiferi costieri sottoposti a particolari regimi di emungimenti litoranei?
17 L’implementatore (Groundwater Modeler) di modelli matematici delle acque sotterranee ipotizza e fissa condizioni al contorno nonchè determina quali aspetti del sistema possono essere modellati, quali processi sono predominanti, e come questi processi possono essere rappresentati matematicamente, e quali sono i codici di calcolo da utilizzare. Così, i modelli si basano su ipotesi semplificative; per questo motivo non possono replicare completamente e contemporaneamente la complessità intrinseca dei sistemi ambientali idrogeologici e di conseguenza le previsioni che ne scaturiscono sono caratterizzate da un livello di incertezza valutabile caso per caso. Nonostante questi limiti, i modelli sono essenziali per una varietà di scopi in campo ambientale.
A seconda degli obiettivi i modelli possono essere inquadrati in due grosse categorie.
Modelli Diagnostici: che si distinguono in 2 tipi:
a) finalizzati a valutare ipotesi sulla costituzione del modello concettuale;
b) finalizzati a valutare ipotesi sulle cause e sulle condizioni che hanno generato eventi inquinanti.
Modelli Previsionali in grado di consentire ipotesi su scenari futuri di inquinamento, variazione di livelli di falda, variazioni di portate sorgive, etc.).
L’implementazione dei modelli numerici per la protezione delle acque sotterranee dall’inquinamento e dal deterioramento viene raccomandata nel D.Lgs. 30/2009 in attuazione della Direttiva 2006/118/CE. L’implementazione viene anche raccomandata nel D.M. 260/2010 in attuazione della Direttiva 2000/60/CE. In tale ottica i modelli delle acque sotterranee sono utili strumenti per compilare ed interpretare i dati di monitoraggio quantitativo e identificare le risorse e gli ecosistemi a rischio. Inoltre, le stime di incertezza che si possono ottenere con un modello numerico possono essere d’aiuto per identificare parti del corpo idrico sotterraneo che necessitano dell’integrazione di siti per meglio descrivere la quantità e la portata delle acque sotterranee e vengono impiegati per riprodurre condizioni attuali di inquinamento o per simulare situazioni future di inquinamento e svolgono un ruolo importante nella gestione ambientale.
La Modellistica delle Acque Sotterranee in detti strumenti normativi rappresenta uno strumento di importanza strategica per analizzare questioni ambientali che sono troppo complesse per essere affrontate esclusivamente attraverso mezzi empirici o mediante indicatori ambientali.
I Modelli delle Acque Sotterranee sono quindi una fonte di informazioni per i decisori delle Agenzie per la Protezione Ambientale che hanno bisogno di prendere in considerazione molti obiettivi concorrenti. Attualmente, per quanto risulta dai questionari ricevuti, le Arpa in cui si applica la modellistica delle acque sotterranee sono sette: ARPA CAMPANIA, ARPA EMILIA- ROMAGNA, ARPA FRIULI-VENEZIA-GIULIA, ARPA LIGURIA, ARPA MOLISE, ARPA TOSCANA, ARPA VENETO.
- Modelli utilizzati
Modellistica del flusso e del trasporto di inquinanti nelle acque sotterranee
I modelli (model-code) impiegati attualmente nel circuito agenziale sono i seguenti. Essi sono stati distinti a seconda del tipo di fruibilità free/open source o commercial:
18 CRITERIA (open source)
MODFLOW (open source):
MODPATH (open source):
MODFLOW -SURFACT (commercial):
MODHMS (commercial):
MT3DMS (commercial):
RT3D (open source):
SEAWAT (open source):
SPLIT (free):
SUTRA (open source):
SWAT(open source):
FLOWKONSOL (commercial) PEST (free):
CHEMFLO-2000 (open source):
RW/SF (free)
Tutti i model-code elencati vengono attualmente utilizzati nelle Arpa mediante interfacce grafiche (GUI) anch'esse distinguibili in versioni commerciali e free. In particolare per quanto riguarda I codici MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, RT3D, SEAWAT, PEST, ARPA Campania e ARPA Toscana utilizzano l’interfaccia grafica Groundwater VISTAS (software commerciale), ARPA Friuli Venezia Giulia, ARPA Liguria, e ARPA Veneto utilizzano Visual Modflow (software commerciale), ARPA Emilia Romagna utilizza GMS (software commerciale). il codice SPLIT viene utilizzato da ARPA CAMPANIA all'interno dell'interfaccia Groundwater VISTAS. il codice SWAT viene utilizzato da ARPA CAMPANIA e ARPA TOSCANA all'interno di ARCGIS. Il codice SUTRA viene utilizzato da ARPA CAMPANIA all'interno dell'interfaccia commerciale ARGUS-ONE. CHEMFLOW- 2000 nasce direttamente con una propria interfaccia grafica free e viene utilizzato dall'ARPA Emilia-Romagna. MODFLOW-SURFACT e MODHMS vengono utilizzati dall'ARPA CAMPANIA mediante interfaccia commerciale Hydrogeologic. FLOWKONSOL utilizzato da ARPA EMILIA-ROMAGNA mediante interfaccia commerciale di un particolare sub-pacchetto di MODFLOW. CRITERIA è utilizzato da ARPA EMILIA-ROMAGNA.
RW/SF è utilizzato dall’ARPA MOLISE
a) Modellistica del flusso delle acque sotterranee
Per l’implementazione dei modelli di flusso il codice più utilizzato da tutte le ARPA tranne che dall’ARPA MOLISE è il MODFLOW. L’impiego di quest’ultimo è propedeutico oltre che necessario all’utilizzo dei codici per il trasporto degli inquinanti che si agganciano al MODFLOW stesso: MODPATH, MT3DMS, RT3D, SEAWAT). ARPA CAMPANIA utilizza anche il codice SPLIT, SWAT, MODFLOW-SURFACT, MODHMS, SUTRA.
FLOWKONSOL viene utilizzato da ARPA EMILIA-ROMAGNA.
Poco più della metà delle ARPA implementa i modelli con specialisti dipendenti dell’Agenzia. Ad eccezione, infatti, di ARPA MOSILE, ARPA FRIULI-VENEZIA-GIULIA, ARPA VENETO che per l’operatività dei modelli usufruisce anche della consulenza di personale esterno in modo anche non gratuito, le altre Arpa (Campania, Emilia Romagna, Liguria, Toscana) si basano sull’utilizzo di personale interno alla struttura.
Tutte le ARPA menzionate tranne che ARPA CAMPANIA utilizzano la modellistica del flusso per scopi operativi. Quest’ultima ha applicato la modellistica per fini sperimentali in progetti di ricerca applicata e nell’ambito della formazione del personale interno in progetti POR.
19 I processi matematici sui si basano i modelli sono in tutti i casi fisicamente basati, e comunque in nessun caso sono di tipo black-box, gray-box. L’approccio matematico può essere di vario tipo: Differenze Finite, Elementi Finiti, Elementi Analitici. La rappresentazione spaziale adottata è di tipo distribuito. I modelli in quasi tutti i casi vengono utilizzati in stato di flusso stazionario, solo alcune ARPA hanno implementato modelli in stato di flusso transitorio. Le finalità riguardano in tutti casi, tranne che per ARPA MOLISE, la riproduzione dei livelli piezometrici e del bilancio idrogeologico complessivo.
b) Modellistica del trasporto (propagazione idrodinamica) degli inquinanti nelle acque sotterranee
Tutte le ARPA, tranne ARPA MOLISE implementano modelli di trasporto.
Queste, in particolare per il trasporto advettivo utilizzano il codice MODPATH. I Modelli di trasporto dispersivo vengono implementati da ARPA CAMPANIA, ARPA EMILIA – ROMAGNA, ARPA FRIULI VENEZIA GIULIA, ARPA LIGURIA, ARPA TOSCANA e ARPA VENETO. A questo scopo vengono utilizzati i codici MT3D e RT3D. Il codice SEAWAT per la simulazione dell’intrusione salina viene utilizzato da ARPA LIGURIA. Modelli di trasporto nel mezzo insaturo vengono implementati in ARPA EMILIA-ROMAGNA mediante il codice CHEMFLOW-2000.
Poco più della metà delle ARPA implementa i modelli grazie a specialisti interni dell’Agenzia. Ad eccezione, infatti, di ARPA FRIULI-VENEZIA-GIULIA, ARPA VENETO che per l’operatività dei modelli usufruisce anche della consulenza di personale esterno in modo anche non gratuito, le altre Arpa (Campania, Emilia Romagna, Liguria, Toscana) si basano sull’utilizzo di personale interno alla struttura.
Tutte le ARPA tranne che ARPA CAMPANIA utilizzano la modellistica del trasporto di inquinanti per scopi operativi. Quest’ultima ha applicato la modellistica del trasporto per fini sperimentali in progetti di ricerca applicata e nell’ambito della formazione del personale interno in progetti POR.
- Finalità e campi di applicazione
Per quanto riguarda i modelli per il flusso delle acque sotterranee questi vengono utilizzati da tutte le Arpa per effettuare simulazione dello stato attuale dei campi di flusso degli acquiferi (riproduzione dei livelli piezometrici/configurazione della superficie di falda) e per analisi di supporto alla stima del bilancio idrogeologico attuale. Ulteriori utilizzi vengono applicati da ARPA EMILIA-ROMAGNA in merito al rapporto ricarica/prelievi, ricarica artificiale, effetti flusso/subsidenza. i modelli di propagazione degli inquinanti di falda vengono impiegati da ARPA EMILIA-ROMAGNA, ARPA FRIULI, ARPA LIGURIA, ARPA TOSCANA, ARPA VENETO per eseguire valutazione circa i campi di concentrazione di idrosolubili. In particolare ARPA CAMPANIA (in via sperimentale) ARPA EMILIA- ROMAGNA e ARPA TOSCANA implementano modelli inerenti all’inquinamento da nitrati.
ARPA LIGURIA ha implementato modelli di intrusione salina.
- Criticità
Il grado criticità nell’implementazione dei modelli di flusso e trasporto di inquinanti è stato valutato in modo pressocchè condiviso o quantomeno riconducibile allo stesso ambito dalle differenti agenzie: Arpa Campania, Arpa Emilia-Romagna, Arpa Friuli-Venezia-Giulia, Arpa Liguria, Arpa Toscana, Arpa Veneto, in quanto principalmente legato alle incertezze e difficoltà di interpretazione/complessità del modello concettuale in termini eterogeneità
20 stratigrafiche, contrasti di conducibilità idrauliche, condizioni fisiche al contorno scarsamente interpretabili, mancanza di test di acquifero/pozzo da cui derivare coefficienti di immagazzinamento e trasmissività, mancanza di dati di portata di pozzi e sorgenti, carenza di dati di livello piezometrico significativamente estesi ed arealmente rappresentativi. ARPA TOSCANA evidenzia una criticità legata all’utilizzo di un particolare pacchetto del codice MODFLOW: STR
I tempi computazionali sono quasi uniformemente classificati tra medi ed alti.
- Esigenze operative
Le attività di modellistica delle acque sotterranee attengono ad attività di tipo tecnico- scientifico-specialistico da svolgersi in sedi dedicate ed organizzate, sia per quanto riguarda il personale specializzato, le infrastrutture informatiche, software, banche dati, sistema informativo ambientale regionale, attività a supporto, attività di reportistica e di diffusione/pubblicazione. Le esigenze operative possono essere schematizzate e raggruppate per brevità nell’elenco seguente in cui si distinguono per tipologia:
- strumentali e di supporto (misurazioni sistematiche (anche in continuo) ed ad evento di portate fiumi/ sorgenti, misurazioni di livelli e concentrazione nei pozzi, campagne e sondaggi dedicati, test di acquiferi e di pozzo, test di dispersione di inquinanti, installazione di piezometri dedicati)
- modellistico (informatici e fisici sviluppatori a supporto, ampliamento dell’ambito modellistica dell’insaturo, modellistica stocastica diretta ed inversa, modellistica per l’analisi delle incertezze)
- operativo (gestione dati import export data base, scheduling) - assimilazione, post processing e manual forecast
- costruzione, integrazione e diffusione dell’informazione/valutazione - metodologie per l’utilizzo del sistema
- procedure operative
- sperimentazione: eventi storici - esposizione: convegni
- formazione: corsi, manuali, linee guida - relazioni tra gli strati proposti
Ciascuno strato e le relazioni tra essi devono perseguire standard minimi sia programmatici che tecnico- scientifici. Le valutazioni idrogeologiche operative basate sulla modellistica richiedono azioni ed attività di verifica, confronto e diffusione delle informazioni con l’ausilio di personale e strumenti dedicati.
Per fare una valutazione in termini di esigenze: di risorse umane, strumentali, infrastrutturali, etc. occorrono opportuni approfondimenti anche legati alle programmazioni delle attività/fondi agenziali.
Nelle applicazioni modellistiche anche se solo per attività basilari ed iniziali di implementazione e applicazione dei modelli necessita la formazione anche costante del personale che deve avere requisiti di elevata specializzazione.
21 6. CONCLUSIONI
La ricognizione dello stato dell’arte della modellistica (strumenti, metodi, organizzazione e referenti) nel sistema agenziale è avvenuta attraverso l’elaborazione di un questionario predisposto dal Gruppo di Lavoro "Modellistica idrologica e idrodinamica” e distribuito a tutte le Agenzie. Le successive analisi ed elaborazioni dei risultati sono state fatte con riferimento alla situazione delle 13 Agenzie che hanno provveduto alla sua compilazione ovvero:
- Basilicata - Campania - Emilia Romagna - Friuli Venezia Giulia - Liguria
- Marche - Molise - Piemonte - Puglia - Toscana - Umbria - Valle d’Aosta - Veneto
Dalla ricognizione risulta che i modelli idrologici/idraulici sono utilizzati da 8 Agenzie ed i campi di applicazione sono molteplici. Nel tempo reale i modelli idrologici/idraulici costituiscono principalmente uno strumento di supporto all’ attività di previsione delle piene nell’ambito del sistema di allerta nazionale e delle procedure operative definite nell’ambito regionale. Un’altra tipologia di analisi in tempo reale dei modelli è costituita dal supporto alla gestione della risorsa idrica in concomitanza di eventi di magra, siccitosi o di scarsità idrica, finalizzato alla razionalizzazione degli usi della stessa. Tra le applicazioni in tempo differito si annovera in primo luogo l’utilizzo dei modelli per quantificare la risorsa idrica (bilancio idrico e indice IARI), in alcuni casi per definirne il livello di qualità (attività inserite nel quadro della direttiva WFD 2000/60/CE), in altri per la redazione di mappe di pericolosità e del rischio di inondazione (direttiva alluvioni 2007/60/CE) o infine per l’analisi post evento.
La modellistica di acque marino-costiere è utilizzato solamente da 4 agenzie a fronte di circa 15 regioni costiere. I modelli delle acque marino costiere e lagunari vengono utilizzati per effettuare simulazioni idrodinamiche e di moto ondoso. Le simulazioni idrodinamiche e di moto ondoso sono generalmente la base per le simulazioni a supporto delle valutazioni di qualità delle acque in particolare per la qualità delle acque di balneazione e del trasporto solido (Direttiva Marine Strategy MSFD (2008/56/CE e Direttiva per la balneazione (2006/7/CE). Il grado di criticità nell’implementazione dei modelli di acque marino costiere e lagunari è stato valutato soprattutto in riferimento alla complessità dell’utilizzo dei modelli, che risulta quasi uniformemente alta.
Anche la modellistica delle acque sotterranee rappresenta una settore specialistico dell'idrogeologia che, nel sistema agenziale è utilizzato da 7 Arpa. I modelli delle acque sotterranee vengono utilizzati per effettuare simulazione dei campi di flusso degli acquiferi (riproduzione dei livelli piezometrici/configurazione della superficie di falda) e per analisi di supporto alla stima del bilancio idrogeologico. I modelli di trasporto posso essere un utile supporto per riprodurre condizioni di inquinamento o per simulare scenari futuri (WFD
22 2000/60/CE e Direttiva 2006/118/CE Direttiva).Viene espresso un grado di criticità elevato in relazione alla disponibilità di dati necessari per la costruzione dei modelli di rappresentazione del dominio di interesse.
Le attività di modellistica delle “acque” (superficiali, sotterranee e marino-costiere) attengono ad attività di tipo tecnico-specialistico che richiedono personale con un elevato grado di specializzazione a cui si devono affiancarsi adeguati strumenti di supporto sia in termini di infrastrutture informatiche dedicate sia di servizi di assistenza ai programmi di calcolo. Le applicazioni in tempo reale richiedono che sia organizzato un vero e proprio
“servizio” composto da personale che si avvicenda giornalmente in turno in modo da garantire continuità dell’erogazione del servizio ed infrastrutture informatiche con soluzioni tecnologiche in alta affidabilità che consentono di minimizzare le probabilità di fermo dei processi di elaborazione. Nelle applicazioni fuori linea le principali esigenze emerse riguardano la necessità di costante formazione del personale.
La presente relazione, che ha riguardato la ricognizione dello stato dell'arte attuale della modellistica nel sistema agenziale, l’individuazione delle criticità e delle esigenze operative, può costituire un punto di partenza nella definizione di linee guida sull’applicazione e sull’uso della stessa modellistica e nella creazione di una rete di scambio e formazione tra i vari esperti che operano negli stessi campi di applicazione all’interno del sistema delle Agenzie.
23 ALLEGATI
