DRIFT: Discharge River ForecasT

DRiFt è un modello afflussi-deflussi in grado di considerare sinteticamente i principali meccanismi del processo, adatto alla previsione in tempo reale delle piene con particolari scale spazio-temporali. Lo sviluppo del modello è stato vincolato da alcune fondamentali esigenze, quali l'utilizzo di un numero limitato di input facilmente reperibili e gestibili in via informatica, e soprattutto la necessità di trovare una schematizzazione dei processi fisici facilmente programmabile e in grado, comunque, di mantenere una buona capacità descrittiva degli stessi.

In un ambiente naturale come quello ligure caratterizzato da un’orografia molto pronunciata, da bacini di piccola estensione e da un clima semi-arido, le precipitazioni di origine convettiva dovute a fenomeni orografici, caratterizzate da elevata intensità e breve durata, sono la causa fondamentale dei principali eventi di piena registrati nella regione. Tale combinazione di scale temporali – piogge - e spaziali – bacini - fa sì che il tempo intercorrente tra evento precipitante e relativa piena sia estremamente limitato (dell'ordine di qualche ora); da qui la necessità di uno strumento informatico con un limitato tempo di calcolo, in grado di utilizzare come input anche simulazioni del campo di precipitazione.

La teoria di base su cui sviluppare un modello avente le caratteristiche sopra descritte, è suggerita Rodriguez-Iturbe e Valdes, 1979 che introdussero il concetto di idrogramma unitario geomorfologico (GIUH), evidenziando il ruolo fondamentale della morfologia nel caratterizzare la risposta idrologica di un bacino.

Assunta in base a lavori precedenti, (Rinaldo et al., 1991), l’informazione geomorfologica come prioritaria, tale informazione necessita della conoscenza della struttura di drenaggio del bacino, che contrariamente ad altre caratteristiche, necessarie per affrontare un calcolo idraulico completo, è direttamente deducibile dalle informazioni contenute nei modelli digitali di descrizione del territorio (DEM) anche se in maniera non immediata. Tale informazione fornisce un reticolo di drenaggio di tipo space-filling. Una siffatta rappresentazione della rete idrica, unita al fatto di considerare il bacino come un sistema lineare, conduce ad una risposta unitaria tipica del bacino, nota come width function; ottenibile, secondo la sua definizione, calcolando l'incremento di area contribuente ad ogni rispettivo incremento di distanza dalla foce, essendo la distanza misurata lungo i percorsi di drenaggio. Questa funzione contiene quindi, sebbene concentrate nella sezione di chiusura, le informazioni relative alla struttura morfologica del bacino. È stato, infatti, dimostrato come a partire da tale funzione sia possibile ridisegnare la struttura topografica del bacino (Rinaldo et al., 1995). Nonostante ciò in essa non sono contenute informazioni relative ai legami tra componenti della rete di drenaggio e processi idraulici che su queste hanno luogo.

Risulta pertanto necessario aggiungere informazione a quella contenuta nella width function per ottenere una risposta idrologica che rispetti le fondamentali caratteristiche osservabili in natura: skewness negativa, presenza di un unico massimo ben riconoscibile, ramo di risalita rapido e coda piuttosto dolce. Per fare questo è stata introdotta una distinzione fra i due principali elementi del sistema drenante: versanti e canali. Tale distinzione è intuitivamente importante in quanto le scale cinematiche dei processi che hanno luogo su queste due componenti differiscono di almeno un ordine di grandezza. Per effettuare la distinzione tra queste due componenti è necessaria una procedura capace di filtrare la rappresentazione space-filling ottenuta dal DEM mediante l’individuazione dell'inizio del cosiddetto deflusso canalizzato.

Il filtro riassume in sé le equazioni proprie del trasporto di sedimenti, ritenute la base dei processi che concorrono alla formazione della rete di drenaggio, l’interpretazione frattale delle strutture di drenaggio, basata sulle leggi morfologiche proposte da Horton, 1945, nonché una più globale visione di minimo equilibrio energetico della struttura di drenaggio (Rodriguez-Iturbe et al., 1992). Individuata la rete nelle sue principali componenti, sono stati assunti costanti i valori di velocità da attribuire rispettivamente a canale e versante.

Lo IUH è calcolato tenendo in conto il contributo di ogni singolo pixel, al quale è associato un tempo di corrivazione calcolato come somma dei tempi trascorsi dal ruscellamento prodotto in quel pixel rispettivamente sul versante e nel canale per raggiungere la foce. La distribuzione spaziale dei tempi di corrivazione (Figura 1) fornisce una misura di quanto caratterizzante risulti questa distinzione ai fini della struttura di drenaggio.

Il modello cerca, seppure in maniera piuttosto semplice, di riprodurre la dispersione dovuta alla differente distribuzione di produzione del ruscellamento, tenendo in considerazione la distribuzione spazio-temporale delle piogge e le eterogeneità spaziali delle caratteristiche del suolo. La pioggia può essere distribuita comunque spazialmente sul bacino, potendosi assegnare, in linea di principio, un valore di precipitazione diverso ad ogni pixel dello stesso. Il processo di generazione del ruscellamento è stato simulato utilizzando il metodo SCS (Mc Cuen, 1982), metodo che permette una facile registrazione digitale delle caratteristiche del suolo sotto forma di un unico parametro sintetico (CN). La routine di calcolo dell'idrogramma si basa sul concetto dell'integrale di convoluzione che è alla base della teoria dei sistemi lineari, e conseguentemente del metodo dell’IUH, anche se con alcune differenze. Mentre la risposta istantanea unitaria di un bacino è usualmente ottenuta con riferimento ad una pioggia uniformemente distribuita sull'area di interesse, risultando pertanto tempo-invariante, nel modello la descrizione spazio-temporale delle piogge e delle caratteristiche del territorio porta ad una risposta istantanea unitaria variabile da istante a istante, che tiene conto della distribuzione spazio temporale del ruscellamento all'interno del bacino.

Preventivamente alla taratura del modello è stata svolta una analisi di sensibilità per investigare il comportamento dei parametri. Il risultato fondamentale di tale analisi è il fatto che nessuno dei parametri del modello è un parametro critico, almeno nel campo di variazione investigato. Essendo lo scopo principale del modello la previsione in tempo reale delle piene anche in bacini non strumentati, la necessità da soddisfare è quella di individuare una singola combinazione di parametri, capaci di predire in maniera soddisfacente la risposta dei bacini utilizzati per la calibrazione e la verifica del modello con ogni evento simulato, almeno nell’ambito di eventi definibili come intensi. Il modello è stato provato su differenti bacini liguri; i risultati numerici della modellazione sono più che soddisfacenti e le caratteristiche dell’idrogramma considerate più importanti per gli scopi che si prefiggeva il modello - portata al picco e tempo di picco - sono ben descritte (Figura 2).

Figura 2 Esempio di simulazione: eventi intensi di validazione (Fiume Magra)

Il set di parametri scelto in fase finale ben risponde su tutti i bacini su cui è stato provato Bisagno (~100 km²), Centa (~ 400 km²) e Magra (~ 1000 km² chiusura a Calamazza), fatto questo indicativo in quanto i tre bacini, pur appartenendo ad una classe morfologicamente omogenea, presentano dimensioni planimetriche estremamente diverse fra loro. Il realistico valore delle velocità trovato, rafforza la convinzione che la rete di drenaggio sia ben descritta dall’approccio geomorfologico utilizzato. L’invarianza nel valore assunto dai parametri si pone comunque come la caratteristica più interessante del modello sia dal punto di vista teorico, sia da quello applicativo e suggerisce l’approfondimento di alcune importanti questioni. Sarebbe, infatti, interessante comprendere se una corretta individuazione del sistema di drenaggio nelle sue componenti fondamentali, come può essere quella risultante dall’utilizzazione del filtro geomorfologico qui proposto, sia sufficiente, in un ambiente morfologicamente omogeneo, a caratterizzare la risposta idrologica a scala di bacino, come suggeriscono i risultati fin qui ottenuti dall’applicazione del modello. La completa comprensione di questo meccanismo sarebbe di fondamentale importanza per una applicazione affidabile del modello anche in bacini non strumentati di diversa dimensione.