Dissertations / Theses on the topic 'Deflussi'

Uno dei punti cardine nella salvaguardia ambientale è la corretta disciplina delle acque reflue che defluiscono nei bacini urbani per effetto delle precipitazioni meteoriche e degli scarichi civili ed industriali. PArtendo dall'analisi delle tipologie di drenaggio urbano presenti sul territorio sono state approfondite le problematiche relative al trasporto solido e l'interrimento dei collettori, le problematiche di interrimento e di perdita di funzionalità delle caditoie stradali. Sono quindi proposti modelli di interpretazione dei fenomeni ed opere tipo per il presidio allo scarico delle reti fognarie.

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.
Spatial homogeneity of rainfall-runoff model parameters can be a practical and valuable solution in order to assess water availability of a region. Hydrological simulation is indeed an handy tool but it is critical as it usually requires some degree of calibration. Calibration of spatially distributed models, that are particularly useful to describe the variability of physical processes that play a role in runoff generation, is challenging because of the high number of involved parameters. But some parameters can be homogeneous in space, therefore allowing one to reduce their total amount when multiple basins are considered. This assumption is verified on a statistical ground, making use of an MCMC algorithm to assess the parameter uncertainty; as a result the parameter distributions are with varying degrees comparable on the different catchments. When one wants to simulate the hydrological response of ungauged catchments, the hypothesis of spatial homogeneity of parameters has even more relevance; a long regionalization technique is usually applied, but we propose a cross-calibration procedure to be used at regional level. With this procedure model parameters are calibrated making use of hydrological information coming from gauged basins that are more similar to the site of interest. We want to analyze the trade-off between assuming the parameters homogeneous in space and adding new information as the cross-calibration evolves. Results show that the cross-calibration is a process well worth using; in validation in fact a good agreement is reached between observed and simulated discharges.

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.
Spatial homogeneity of rainfall-runoff model parameters can be a practical and valuable solution in order to assess water availability of a region. Hydrological simulation is indeed an handy tool but it is critical as it usually requires some degree of calibration. Calibration of spatially distributed models, that are particularly useful to describe the variability of physical processes that play a role in runoff generation, is challenging because of the high number of involved parameters. But some parameters can be homogeneous in space, therefore allowing one to reduce their total amount when multiple basins are considered. This assumption is verified on a statistical ground, making use of an MCMC algorithm to assess the parameter uncertainty; as a result the parameter distributions are with varying degrees comparable on the different catchments. When one wants to simulate the hydrological response of ungauged catchments, the hypothesis of spatial homogeneity of parameters has even more relevance; a long regionalization technique is usually applied, but we propose a cross-calibration procedure to be used at regional level. With this procedure model parameters are calibrated making use of hydrological information coming from gauged basins that are more similar to the site of interest. We want to analyze the trade-off between assuming the parameters homogeneous in space and adding new information as the cross-calibration evolves. Results show that the cross-calibration is a process well worth using; in validation in fact a good agreement is reached between observed and simulated discharges.

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.

This work deals with the hydrological features of tidal environments, which are dynamic and delicate systems exposed to the effects of climate changes and often subjected to increasing human pressure (e.g. land reclamation, the construction of harbour structures and defenses against high tides, the erosion of wetland margins by waves generated by boats and ships). Wetlands are characterized by extremely high biodiversity and primary productivity, provide critical habitats for rare and endangered vegetation and animal species, and mediate the effects of floods and the action of the sea on the coast. A deep understanding of wetland system cannot be acquired by simply reducing its dynamics to a collection of parts but it requires the explicit description of wetland physical and ecological processes as fully interacting components. In fact, the complex spatial ecohydrological patterns characterizing wetland areas arise as a result of the coupled evolution of their ecological, hydrological, and morphological features. In order to preserve these ecological structures, it is of critical importance to improve our understanding of the main bio-geodynamical processes governing the evolution of these environments. Here, we investigate the air and water flow in soils subjected to the tide, and the consequent oxygen availability for vegetation, using numerical models based on single-phase and two-phase flow formulations. We also develop, through laboratory and field tests, a methodology for performing soil water content observations under hyper-saline conditions, when traditional techniques, based on soil and water electrical properties, fail.
Nella presente tesi si esaminano alcuni aspetti dell’idrologia degli ambienti a marea, sistemi dinamici molto delicati ed esposti agli effetti dei cambiamenti climatici e a una aumentata azione antropica (ad esempio per la sottrazione alla marea di nuove aree, per la costruzione di strutture portuali o di difese contro l’alta marea, per l’erosione dei margini barenali dovuta alle onde causate da natanti). Le aree umide costiere sono caratterizzate da biodiversità e produttività primaria molto elevate, offrono un’habitat adatto a specie vegetali ed animali rare e minacciate e, inoltre, mediano gli effetti delle piene fluviali e dell’azione del mare sulla costa. Una comprensione profonda del funzionamento dei sistemi a marea non puo essere acquisita semplicemente riducendo le sue dinamiche ad una collezione di parti indipendenti tra di loro, ma richiede invece la descrizione esplicita dei complessi processi fisici ed ecologici come componenti pienamente interagenti. In effetti, i complessi processi ecoidrologici spaziali che caratterizzano le zone umide sono il risultato di una complessa evoluzione accoppiata delle loro caratteristiche ecologiche, idrologiche e morfologiche. Al fine di preservare queste strutture ecologiche è di fondamentale importanza migliorare la nostra comprensione delle principali dinamiche che ne governano l’evoluzione. Nella presente tesi si studiano il moto di acqua ed aria in suoli soggetti alla marea, e la conseguente dinamica della disponibilità di ossigeno per la vegetazione, utilizzando modelli numerici basati su formulazioni monofase e bifase. Si sviluppa inoltre, per mezzo di test di campo e di laboratorio, una metodologia per condurre osservazioni del contenuto d’acqua nel suolo in condizioni iper-saline, quando le tecniche tradizionali, basate sulle proprietà elettriche di suolo ed acqua, risultano inadeguate.

Il presente lavoro di Tesi si pone come obiettivo principale l’applicazione di alcune tecniche di interpolazione geostatistica per la ricostruzione di serie storiche di portata media giornaliera in bacini non strumentati. In particolare, vengono confrontate l’Ordinary Kriging, che considera la variabile regionalizzata definita su supporto puntuale, ed il Top-Kriging, che lavora invece su un supporti areali coincidenti con le aree dei bacini imbriferi considerati. I due metodi sopracitati vengono successivamente confrontati con due di tipo deterministico, il primo si basa sulla media aritmetica dei deflussi giornalieri specifici dei siti più vicini, mentre il secondo attribuisce dei pesi alle stazioni limitrofe in relazione al quadrato dell’inverso della distanza dalla sezione d’interesse. Le prestazioni dei modelli proposti sono quantificate attraverso una procedura di cross-validazione, nota come leave-one-out, che simula in corrispondenza di ogni idrometro considerato le condizioni di sezione fluviale sprovvista di osservazioni. L’analisi è stata condotta su 16 bacini appartenenti alla regione Trentino-Alto Adige per un arco temporale compreso tra il 01/01/1994 ed il 31/12/2009. L’analisi ha considerato diverse parametrizzazioni dei modelli geostatistici, rivelandone una elevata accuratezza di stima. Detta accuratezza è risultata decisamente superiore a quella delle tecniche di tipo deterministico considerate nello studio, risultate inadeguate per una ricostruzione realistica delle serie di portata media giornaliera nell’area di studio.

La curva di durata di lungo periodo (POR) è uno strumento grafico molto efficace che mette in evidenza la relazione fra intensità e frequenza delle portate osservate in un determinato intervallo temporale. Essa è ricavata dall'idrogramma dei deflussi, ma presenta il problema della perdita di informazioni relative alla variabilità annuale e stagionali delle portate. Per tal motivo si è reso necessario l'utilizzo di due nuove interpretazioni delle curve di durate: le curve di durata annuali (alle quali può essere associato il concetto di percentile e quindi di probabilità di superamento di un particolare valore di portata) e le curve a base stagionale. La costruzione di tali curve, come nel caso delle POR complessive, è ostacolata dall'insufficienza di dati di portata, per cui sono utilizzate, a tale scopo, procedure di stima basate sulla regionalizzazione dei deflussi. Tra di esse è stato analizzata la tecnica geostatistica del Top-kriging applicata all'indice TND che sintetizza l'intera curva (Pugliese et al., 2014) nella ricostruzione, in cross-validazione, delle curve di durata annuali e stagionali di 182 bacini della regione sud-orientale degli Stati Uniti.

Il lavoro di ricerca presentato si concentra sullo sviluppo e l’applicazione a casi reali di una tecnica innovativa a base geostatistica per la stima della curva di durata delle portate in bacini non strumentati. Prendendo spunto dalle tecniche di regionalizzazione classiche basate sul metodo del deflusso indice, la metodologia proposta stima le curve di durata adimensionali nel sito non strumentato di interesse utilizzando uno schema di ponderazione kriging di curve empiriche costruite per sezioni idrometriche localizzate nelle vicinanze del sito stesso. Nel primo caso di studio, che ha riguardato una porzione limitata di territorio appenninico marchigiano comprendente 18 bacini idrografici strumentati, si è visto che la metodologia proposta presenta prestazioni confrontabili o nettamente migliori rispetto a tecniche di regionalizzazione statistica che rappresentano lo stato dell’arte dei metodi regionali per la stima delle curve di durata. Nel secondo la metodologia proposta è stata applicata negli Stati Uniti sud-orientali e confrontata con una tecnica regionale di regressione lineare dei quantili, che è quella di riferimento proposta dal USGS. L’obiettivo è la valutazione delle prestazioni delle metodologia per un'area molto vasta che comprende 182 stazioni idrometriche nel Sud-Est degli Stati Uniti. Nella terza applicazione la metodologia proposta è utilizzata come strumento di correzione di serie idrometriche in un'area di studio del Tirolo (Austria/Italia), prodotte da modelli-afflussi capaci di simulare serie continue di portata media giornaliera. In questo contesto la metodologia è stata accoppiata ad una tecnica innovativa che stima una curva di durata dei residui, ossia la curva risultante dalla differenza tra la curva empirica e stimata con il metodo proposto, nel sito di interesse e ricostruisce una serie modificata di deflussi partendo dalla serie simulata dal modello.
The research work focuses on the design and development of a novel geostatistical approach for the prediction of flow duration curves in ungauged basins. Inspired by classical regionalization techniques based on the “index- low” method, the proposed approach is capable of predicting unbiased dimensionless flow-duration curves in ungauged sites by using a traditional kriging linear-weighting scheme of empirical curves that can be constructed at gauged sistes located in the neighborhood of the target site. The geostatistical weights are obtained by implementing an interpolation procedure of a point index that describes shape and main features of the curve. The procedure has been tested on three different case studies through three applications. The first case study, which covered a limited portion within the Marche Region, includes 18 gauged river basins and focused on the general applicability of the proposed approach. The main outcome is that the proposed method performs as well as or better than the statistical regionalization techniques representing the state of the art for the prediction of flow-duration curves. The second application focuses on a comparison with a multivariate regional technique based on linear regression analysis, which is the reference approach implemented by the USGS. The final aim of this experiment is to evaluate the performances of the methodology for a vast area that includes 182 streamgauges in the South-East of United States. In the third application, the prediction of flow-duration curves in ungauged sites is used as a correction tool for daily streamflow series obtained through continuous rainfall-runoff simulation. In this context, the methodology has been blended with an innovative technique that estimates a “residual-duration curve” for the target site and reconstructs a modified runoff series from the simulated one.

Il lavoro di ricerca presentato si concentra sullo sviluppo e l’applicazione a casi reali di una tecnica innovativa a base geostatistica per la stima della curva di durata delle portate in bacini non strumentati. Prendendo spunto dalle tecniche di regionalizzazione classiche basate sul metodo del deflusso indice, la metodologia proposta stima le curve di durata adimensionali nel sito non strumentato di interesse utilizzando uno schema di ponderazione kriging di curve empiriche costruite per sezioni idrometriche localizzate nelle vicinanze del sito stesso. Nel primo caso di studio, che ha riguardato una porzione limitata di territorio appenninico marchigiano comprendente 18 bacini idrografici strumentati, si è visto che la metodologia proposta presenta prestazioni confrontabili o nettamente migliori rispetto a tecniche di regionalizzazione statistica che rappresentano lo stato dell’arte dei metodi regionali per la stima delle curve di durata. Nel secondo la metodologia proposta è stata applicata negli Stati Uniti sud-orientali e confrontata con una tecnica regionale di regressione lineare dei quantili, che è quella di riferimento proposta dal USGS. L’obiettivo è la valutazione delle prestazioni delle metodologia per un'area molto vasta che comprende 182 stazioni idrometriche nel Sud-Est degli Stati Uniti. Nella terza applicazione la metodologia proposta è utilizzata come strumento di correzione di serie idrometriche in un'area di studio del Tirolo (Austria/Italia), prodotte da modelli-afflussi capaci di simulare serie continue di portata media giornaliera. In questo contesto la metodologia è stata accoppiata ad una tecnica innovativa che stima una curva di durata dei residui, ossia la curva risultante dalla differenza tra la curva empirica e stimata con il metodo proposto, nel sito di interesse e ricostruisce una serie modificata di deflussi partendo dalla serie simulata dal modello.
The research work focuses on the design and development of a novel geostatistical approach for the prediction of flow duration curves in ungauged basins. Inspired by classical regionalization techniques based on the “index- low” method, the proposed approach is capable of predicting unbiased dimensionless flow-duration curves in ungauged sites by using a traditional kriging linear-weighting scheme of empirical curves that can be constructed at gauged sistes located in the neighborhood of the target site. The geostatistical weights are obtained by implementing an interpolation procedure of a point index that describes shape and main features of the curve. The procedure has been tested on three different case studies through three applications. The first case study, which covered a limited portion within the Marche Region, includes 18 gauged river basins and focused on the general applicability of the proposed approach. The main outcome is that the proposed method performs as well as or better than the statistical regionalization techniques representing the state of the art for the prediction of flow-duration curves. The second application focuses on a comparison with a multivariate regional technique based on linear regression analysis, which is the reference approach implemented by the USGS. The final aim of this experiment is to evaluate the performances of the methodology for a vast area that includes 182 streamgauges in the South-East of United States. In the third application, the prediction of flow-duration curves in ungauged sites is used as a correction tool for daily streamflow series obtained through continuous rainfall-runoff simulation. In this context, the methodology has been blended with an innovative technique that estimates a “residual-duration curve” for the target site and reconstructs a modified runoff series from the simulated one.

Inserendosi fra gli studi che trattano il controllo e il monitoraggio delle portate fluviali, questo lavoro parte dalla raccolta e dalla descrizione delle informazioni necessarie per caratterizzare la formazione e propagazione dei deflussi del fiume Panaro, allo scopo di mettere a punto un modello afflussi – deflussi sul suo bacino di monte. La prima fase ha previsto l’acquisizione di dati puntuali delle osservazioni meteorologiche e di quelle idrometriche su tutta l’area di studio. Trattandosi per lo più di dati grezzi scaricati da piattaforme Open Source, è stato necessario effettuare una accurata validazione prima di poterli utilizzare nel modello. Per una maggiore comprensione del sistema vallivo, è stato inoltre studiato il comportamento della cassa di espansione situata in località San Cesario che suddivide in un bacino di monte e uno di valle il reticolo del Panaro ricostruendo, in base alle informazioni idrometriche disponibili, la serie delle portate in uscita dal manufatto. Il modello utilizzato è di tipo semi – distribuito ed opera suddividendo il bacino in fasce altimetriche, ciascuna delle quali fornisce separatamente il proprio contributo di deflusso alla sezione di chiusura. Per ciascuna di esse, il modello necessita in ingresso un valore medio di temperatura, uno di precipitazione e un di evapotraspirazione potenziale; il modello, parametrizzato tramite procedura di calibrazione automatica e poi validato su un periodo indipendente, ha fornito buoni risultati sia in calibrazione sia in validazione. Una volta accertata la sua affidabilità, il modello è stato utilizzato per ricostruire alcuni periodi in cui mancavano valori osservati di portata, dall’altra per poter analizzare, assieme alle portate in uscita dalla cassa, la propagazione degli eventi di piena nelle sezioni a monte e a valle dell’opera.

I bacini idrografici appenninici romagnoli rappresentano una fonte idropotabile di essenziale importanza per la Romagna, grazie alla regolazione stagionale svolta dall’invaso artificiale di Ridracoli. Nel presente elaborato si è implementato un modello per lo studio e la valutazione del regime idrologico dei bacini idrografici allacciati all’invaso, affrontando sia gli aspetti relativi alla miglior spazializzazione dei dati metereologici in ingresso al modello (in particolare in relazione alla stima della temperatura, fondamentale per la rappresentazione dei processi di evapotraspirazione e dei fenomeni di accumulo e scioglimento nevoso), sia gli aspetti di calibrazione dei parametri, confrontando le simulazioni ottenute a partire da diverse configurazioni del modello in termini di rappresentazione spaziale e temporale dei fenomeni. Inoltre si è eseguita una regionalizzazione del modello su due sezioni fluviali che sono al momento oggetto di indagini idrologiche, fornendo supporto alla valutazione della possibilità di realizzazione di una nuova opera di presa. A partire dai dati puntuali dei sensori termometrici disponibili si è ricercata la migliore tecnica di interpolazione della temperatura sull’area di studio, ottenendo una discreta precisione, con un errore in procedura di ricampionamento jack-knife raramente superiore al grado centigrado. La calibrazione del modello TUWien in approccio semi-distribuito, sia quando applicato a scala oraria sia quando applicato a scala giornaliera, ha portato a buoni risultati. La complessità del modello, dovuta in gran parte alla presenza di uno specifico modulo per la gestione di accumulo e scioglimento nivale, è stata ripagata dalle buone prestazioni delle simulazioni ottenute, sia sul periodo di calibrazione sia su quello di validazione. Tuttavia si è osservato che l’approccio semi-distribuito non ha portato benefici sostanziali rispetto a quello concentrato, soprattutto in relazione al forte aumento di costo computazionale.

Lo studio riguarda implementazione e calibrazione, mediante software HEC-HMS, di un modello idrologico afflussi-deflussi a scala temporale oraria e a parametri concentrati su un sottobacino del torrente S.Barthelemy (Bacino idrografico Dora Baltea - Valle d'Aosta) allo scopo di valutarne la risorsa idrica disponibile e confrontarla con i dati desumibili dal Piano Tutela acque regionale. I dati di input utilizzati provengono da una centralina di monitoraggio meteo appartenente alla rete regionale (pioggia e temperatura - Stazione Nus-S.Barthelemy - circa 113.000 dati orari) e da una stazione idrometrica privata i cui dati sono stati utilizzati in fase di calibrazione (portate in alveo - circa 38.600 dati orari). Particolare attenzione è stata posta sulla modellazione dello scioglimento nivale, operata mediante Degree-Day Method (modello gradi-giorno) ed alla calibrazione dei parametri dei modelli utilizzati. Si è eseguita inoltre un'analisi di sensitività onde poter verificare quali fossero i parametri più influenti sulla variabilità dell'output del modello. I risultati ottenuti suggeriscono che il bacino studiato sia differente dalla maggioranza dei bacini della regione, a carattere glaciale. Esso mostra infatti uno scioglimento nivale più rapido e minori portate di morbida. Tali effetti sono imputabili a: minore altezza media del bacino, esposizione prevalente a sud, mancanza di ghiacciai/nevai perenni.

Si sono confrontate le procedure di parametrizzazione (e le relative simulazioni) di due modelli concettuali afflussi-deflussi: il primo è una versione austriaca del modello HBV, il secondo è il modello francese GR6J, che utilizza il modulo Neve CemaNeige. Il primo dei due modelli è stato adoperato sia in modalità concentrata che semi-distribuita, per permettere un confronto fra le due. Per svolgere tale studio si è analizzato un vasto set di 213 bacini austriaci, considerati rappresentativi della variabilità idrologica della regione di studio. Si sono inoltre approfondite le prestazioni di tre diversi algoritmi di ottimizzazione, fondamentali per l’esecuzione delle calibrazioni automatiche, al fine di analizzarne i vari pregi e difetti. Nello specifico, gli algoritmi analizzati sono il Differential Evolution, lo Shuffled Complex Evolution e il Dynamically Dimensioned Search, dei quali il primo è stato poi utilizzato per svolgere le calibrazioni al fine della parametrizzazione dei modelli suddetti. Le prove svolte per la valutazione degli ottimizzatori hanno mostrato come gli algoritmi basati sull’impiego di popolazioni di set di parametri, ovvero il DE e lo SCE-UA, siano i più accurati nella ricerca dell’ottimo, nonostante l’elevata complessità di calcolo. I parametri stimati dalle calibrazioni con il DE, massimizzando come funzione obiettivo l’efficienza di Kling-Gupta, hanno permesso in seguito di applicare il modello su un periodo di validazione indipendente, per valutarne la prestazione su diverse condizioni idrologiche. I risultati ottenuti su entrambi i periodi hanno evidenziato come il modello GR6J riproduca meglio il comportamento della maggior parte dei bacini appartenenti alla regione di studio, ma il modello HBV semi-distribuito offre ottime prestazioni sui bacini con maggior escursione altimetrica. Le prestazioni della modalità concentrata dell'HBV sono invece quasi sempre inferiori, in ragione dell'aggregazione spaziale di input e variabili di stato.

Nel lavoro di Tesi ci si è occupati dello studio delle sorgenti appenniniche di Mulino delle Vene, site a Carpineti, in Provincia di Reggio Emilia, e della modellazione dei deflussi sotterranei nell’acquifero fratturato che le alimenta. In particolare, sono state eseguite delle analisi idrologiche con l'obiettivo di quantificare la variazione di risorsa idrica nell'area in risposta al trend di variazione dell'uso del suolo. Successivamente si sono caratterizzate le sorgenti di Mulino delle Vene e l'acquifero che le alimeta per mezzo di analisi idrogeologiche. Infine, si è realizzato un modello numerico agli elementi finiti in grado di simulare i deflussi sotterranei nel periodo di scarico delle sorgenti e in assenza di ricarica.

The heat transfer between two fluids or between a fluid and a surface, during both single-phase and two-phase flow, is intimately linked to the geometrical characteristic of the heat transfer surface involved. Generally speaking, if the heat transfer area increases, the global heat transfer also increases, but if the surface is developed to improve heat transfer, the overall performance can be higher. Compact and efficient heat exchangers and heat sinks are more and more demanded for electronics cooling applications, refrigeration and air conditioning systems. For this reason, the development of new enhanced surfaces is a critical issue of thermal research. In this Ph. D. thesis, two arguments connected with enhanced heat transfer surfaces have been experimentally and analytically studied. In particular, the condensation of R410A inside a microfin tube and air forced convection through different enhanced surfaces have been analysed. With respect to two-phase flow, the heat transfer coefficients and the pressure drops during the condensation of R410A at 40 °C of saturation temperature inside a microfin tube have been measured. The experimental analysis have been carried out at the Dipartimento di Fisica Tecnica of the University of Padova. Using a database of 4000 experimental data points, a new correlation for the computation of the heat transfer coefficient during the condensation of several natural and synthetic refrigerants inside different enhanced microfinned tubes has been developed. With respect to single-phase flow, a new experimental test rig has been developed, designed and built at the laboratory of the Dipartimento di Fisica Tecnica of the University of Padova. This test rig allows to carry out accurate heat transfer and pressure drop measurements during air forced convection through different enhanced surfaces, such as traditional finned surfaces, metal foams and microgeometries, etc. The apparatus has been calibrated by testing a traditional finned surface for electronics cooling applications. Then, the heat transfer coefficients and the pressure drops during air forced convection through five different aluminum foams have been measured. All tested samples have been heated by imposing different heat fluxes, which have been varied between 150 W and 400 W. The experimental results have been compared with those obtained for the traditional finned surface.
Lo scambio termico tra due fluidi o tra un fluido e una superficie, sia esso monofase o bifase, è profondamente legato alle caratteristiche geometriche delle superfici di scambio con le quali i fluidi stessi sono in contatto. Aumentare la superficie di scambio termico significa, in generale, incrementare lo scambio termico globale. Se poi questa superficie viene sviluppata per migliorare l’efficienza dello scambio termico, le prestazioni possono crescere ulteriormente. Il raffreddamento di componenti elettronici, la refrigerazione e il condizionamento dell’aria richiedono scambiatori di calore sempre più efficienti e compatti, pertanto lo sviluppo di nuove superfici di scambio termico risulta essere un obiettivo fondamentale della ricerca. In questo lavoro di tesi sono stati affrontati, sia sperimentalmente che analiticamente, due argomenti connessi allo scambio termico su superfici estese. In particolare, si sono studiati la condensazione all’interno di tubi micro-alettati e la convezione forzata di aria su schiume metalliche e su superfici alettate tradizionali. Per quanto riguarda lo scambio termico bifase, sono stati misurati i coefficienti di scambio termico e le perdite di carico durante la condensazione di R410A all’interno di un tubo micro-alettato, alla temperatura di saturazione di 40 °C. Le prove sono state realizzate utilizzando l’impianto presente presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova. Successivamente, utilizzando un database contenente più di 4000 dati sperimentali, è stato sviluppato un nuovo modello per la stima del coefficiente di scambio termico durante la condensazione di refrigeranti naturali e sintetici all’interno di tubi micro-alettati. Con riferimento allo scambio termico monofase, un nuovo impianto sperimentale è stato sviluppato, progettato e costruito presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova. Questo apparato permette di eseguire accurate misure di scambio termico e perdite di carico durante la convezione forzata di aria attraverso superfici estese, quali tradizionali superfici alettate, schiume metalliche, microgeometrie, ecc. L’impianto sperimentale è stato calibrato testando una superficie alettata tradizionale per il raffreddamento di componenti elettronici. Successivamente, sono stati misurati i coefficienti di scambio e le perdite di carico di cinque schiume di alluminio durante il deflusso di aria. Tutti i provini sono stati riscaldati elettricamente imponendo differenti flussi temici tra 150 W e 400 W. I risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli ottenuti per la superficie alettata tradizionale.

La gestione delle risorse idriche è una questione fondamentale da affrontare alla luce di problemi sempre più attuali quali la scarsità della risorsa in determinati periodi dell’anno e la tutela dei corpi idrici rispetto ad approvvigionamenti che ne possano intaccare il naturale equilibrio. In effetti, gli ultimi anni sono stati caratterizzati da episodi di magra piuttosto rilevanti e con pochi paragoni nell’intero novecento...

Lo scopo del seguente lavoro di Tesi è quello di approfondire il tema del bilancio idrologico del bacino del Lago di Monate servendosi di modellazioni idrologiche che tengano conto della variabilità dell’estensione del bacino imbrifero sotterraneo del lago. Nella fase introduttiva dell’elaborato vengono riportate la descrizione dell’area di studio e del bacino idrologico del lago, le attività di monitoraggio in corso e il modello idrologico utilizzato per l’analisi. Sono stati introdotti quattro schemi concettuali di applicazione del modello idrologico, tramite l’implementazione del programma di calcolo R: il primo è identificato dal classico modello di trasformazione afflussi-deflussi HyMOD che prevede l’utilizzo di 5 parametri; il secondo e terzo schema concettuale impongo la variabilità dell’area del bacino sotterraneo strettamente correlata all’andamento delle precipitazioni, imponendo un incremento o riduzione dell’area rispettivamente all’aumentare o al diminuire delle precipitazioni; infine nel quarto schema l’area del bacino sotterraneo è stimata dal modello HyMOD come sesto parametro. Ognuno dei precedenti schemi è stato valutato secondo diverse strategie di calibrazione, dalle quali è stato possibile ottenere i set di parametri con i quali eseguire le simulazioni del modello. Analizzando i risultati si nota come tutti i modelli proposti restituiscano performance molto elevate negli anni caratterizzati da elevata umidità, mentre evidenziano un calo di prestazioni negli anni “anomali” contraddistinti da un comportamento siccitoso. Si deduce dunque che, al netto di altri possibili dati inaffidabili, il modello presenta diversi limiti che saranno oggetto di analisi future.

Il bilancio idrologico sul bacino idrografico talvolta non si chiude in pareggio; questo è dovuto alla presenza di incertezze nei dati o nella modellazione dei processi. Una delle possibili cause può essere individuata nell'area contribuente del bacino idrografico la quale viene determinata su base strettamente topografica tramite l'identificazione delle linee di spartiacque. Però, la sua definizione potrebbe non essere corretta in quanto l'area contribuente risulta influenzata anche dalla presenza di spartiacque sotterranei i quali potrebbero non essere rilevati. Tale problematica è stata affrontata considerando un numero rilevante di bacini idrografici distribuiti sia sul territorio nazionale che europeo. La base dati a disposizione è costituita da serie temporali di precipitazione, evapotraspirazione e portata rilevate alle diverse stazioni di chiusura. Il modello idrologico utilizzato è un modello afflussi-deflussi, concentrato di tipo concettuale, a cinque parametri, denominato HyMOD. La struttura di tale modello è stata modificata andando a considerare l'area contribuente come una variabile casuale, rendendo così il modello a sei parametri. Si è proceduto alla calibrazione del modello attraverso tre diversi algoritmi di ottimizzazione andando a confrontare il valore dell'area contribuente, stimata dal modello, con l'area reale di partenza. Nel primo capitolo vengono illustrati i concetti fondamentali dell'idrologia e del ciclo idrologico, della modellistica idrologica e della calibrazione dei modelli idrologici. Nel secondo capitolo viene presentato il modello afflussi-deflussi utilizzato e la sua relativa modifica. Inoltre, viene descritta la calibrazione del modello e i diversi algoritmi utilizzati. Nel terzo capitolo vengono presentati i bacini idrografici considerati, le loro caratteristiche e i dati a disposizione. Nel quarto capitolo si analizza il lavoro svolto presentando e discutendo i risultati ottenuti.

Descrizione della valutazione del livello di servizio in ambito urbano per infrastrutture pedonali e confronto dei principali modelli di ritardo pedonale alle intersezioni rispetto ai dati raccolti per una intersezione semaforizzata reale

La micro simulazione del deflusso dei passeggeri nei terminal aeroportuali con applicazione all'aerea imbarchi ha come scopo l’analisi dei processi e del comportamento dell’utente con attenzione specifica al controllo dei passaporti in partenza. L’incremento della domanda del settore del trasporto aereo implica una crescente richiesta di servizi aeroportuali che ulteriormente si trasforma nella necessità di pianificare e sviluppare “business rules” che hanno lo scopo di migliorare la qualità delle prestazioni offerte, incrementando la capacità e riducendo i livelli di congestione. L’obiettivo primario di ogni aeroporto è, quindi, quello di assicurare alti livelli di servizio e performance che si traducono in un’esperienza di viaggio di elevata qualità per i passeggeri, clienti principali dell’azienda aeroportuale. Modelli dinamici e software di simulazione sono strumenti di grande utilità non solo per analizzare lo stato dell’arte all’interno dell’ambiente aeroportuale attraverso un approccio innovativo, ma anche per osservare quali potrebbero essere gli effetti sulla domanda e sulla percezione della qualità del servizio in seguito all’apporto di variazioni nello scenario attuale. L’oggetto dello studio di questa tesi pone l’attenzione sull’area del controllo passaporti in partenza, andandone ad analizzare lo stato dell’arte attuale e quello futuro in funzione di parametri reali, quali schedulato dei voli, curve di presentazione e tempi di processo. Utilizzando il software di simulazione CAST, è interessante, quindi, poter esaminare il comportamento dell’utente all’interno del terminal mediante indicatori differenti di spazio e tempo. I risultati osservati permetteranno, infatti, di individuare il corretto equilibrio tra sviluppo infrastrutturale, qualità dell’esperienza del passeggero in termini di servizi e di livelli di servizio, stabiliti dalla IATA.

L’obiettivo principale di ogni aeroporto è garantire alti livelli di servizio e prestazioni che garantiscano un’esperienza di viaggio più che positiva per i passeggeri. Sarà questo uno dei principali temi che verrà trattato nel presente studio, con un focus sull’aeroporto Guglielmo Marconi di Bologna. La tesi è articolata in 4 capitoli, il primo tratta il tema del trasporto aereo, dei terminal aeroportuali in generale e delle relative specifiche, dei servizi da cui è composto e le funzioni che assolve. Il secondo capitolo introduce il concetto di passenger experience e conseguentemente di livello del servizio, facendo riferimento alle normative IATA, le quali fissano standard che devono sempre essere rispettati da ogni aeroporto affinché siano soddisfatti certi requisiti. Il terzo capitolo tratta il tema dell’analisi dei sistemi reali, tramite sperimentazioni, metodi analitici e in particolare tramite le simulazioni. Si descrivono e si analizzano queste ultime, facendo riferimento più nello specifico a CAST, il software di simulazione utilizzato in questo studio. L’ultimo capitolo è interamente dedicato al caso di studio: scopo primario del lavoro è quello di valutare le criticità e la qualità del servizio per passeggeri all’interno del terminal, facendo un confronto tra la configurazione attuale e quella futura, focalizzando l’attenzione sull’area relativa ai controlli di sicurezza, grazie all’utilizzo di “CAST”, un software che permette di simulare in modo realistico il flusso di passeggeri, il loro comportamento e tutti i processi a essi connessi che avvengono all’interno del terminal. È stato infinte valutato il livello di servizio del terminal analizzando i grafici e i parametri di output ottenuti dal LogAnalyser di CAST, facendo riferimento agli indicatori fissati dall’ADRM (Airport Development Reference Manual) – 10° edizione. Infine, per chiudere l’elaborato, è presente un capitolo in cui si traggono le conclusioni riguardanti il lavoro di tesi effettuato.

Il progetto si propone di indagare i diversi metodi di approvvigionamento, uso, smaltimento della risorsa idrica nell’arco alpino orientale in età romana, oltre alle ricadute socio-economiche che la gestione dell’acqua ebbe in questo territorio. I siti-campione scelti per il progetto condividono infatti le condizioni topografiche e morfologiche, che pongono per la conduzione dell’acqua problematiche simili. Parimenti, in un contesto - come quello che ci si propone di indagare - omogeneo nei suoi tratti generali, è possibile delineare come le strutture idrauliche e la percezione sociale dell’acqua in età romana siano stati condizionati dal clima, dalla geografia, da influenze culturali e dallo sviluppo tecnico. Lo studio delle infrastrutture idrauliche, come già notato, è correlato a un approccio “strutturalistico”. Il primo passo della ricerca (aspetti topografici) si fonda sull’analisi delle fonti storiche, della letteratura e sullo spoglio dei ritrovamenti ottenuti dagli scavi intrapresi dai diversi Enti preposti. Una seconda parte della tesi si concentra sulle scelte tecnologiche proprie degli impianti idraulici e considera anche le scelte resesi necessarie per fronteggiare le caratteristiche topografiche dei territori. Infine, una terza sezione dell’elaborato prende in considerazione gli aspetti sociali e socio-economici sia in ogni sito, sia – più compiutamente e per un’analisi generale - nell’arco alpino orientale relativi all’impatto che l’acqua ebbe in tali contesti.

Il Distretto del fiume Po, ossia il bacino del fiume Po, quello del fiume Reno e i bacini dei corsi d’acqua romagnoli, è stato oggetto dell’applicazione di una tecnica innovativa di interpolazione geostatistica al fine di stimare i valori di determinati indici di deflusso per sezioni fluviali non strumentate. Lo studio è stato svolto principalmente nell’ambiente di calcolo R e in parte nell’ambiente di analisi, rappresentazione e visualizzazione di dati spaziali Geographic Information System (QGIS). La tecnica di interpolazione geostatistica che si è applicata nello studio è denominata come Topological Kriging (o Top-kriging), questa permette la stima delle variabili e delle loro incertezze in bacini non strumentati. La tecnica è stata sperimentata in tre applicazioni differenti: nella prima si sono utilizzati come dati di input i quantili di portata di piena temibile con associato diversi tempi di ritorno che appartengono all’area del Distretto del fiume Po; nella seconda si è impiegato il Top-kriging su alcune statistiche campionarie derivanti da dati di portata al colmo di piena misurati nelle stazioni strumentate del Distretto del fiume Po; nella terza si sono ricostruite le curve di durata delle portate registrate dalle stazioni idrometriche della regione del bacino del Reno, del bacino dei fiumi romagnoli, del fiume Marecchia e Conca. I risultati ottenuti mostrano come questa tecnica si possa ritenere valida per la stima di indici di deflusso in bacini non strumentati. I risultati migliori si sono registrati nelle prime due applicazioni considerate, a differenza della terza che ha riscontrato maggiori imprecisioni.

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.
The event scale runoff and erosion model Kineros2, distributed and physically based, was applied to two mountain catchments in the province of Bologna (Italy) in order to test and evaluate it in an Apennine environment. Following basins parameterization, Kineros2 was calibrated and validated by means of experimental discharge and suspended solids concentration data, which had been previously collected at the catchments’ outlets by two hydro-turbidimetric monitoring stations. The simulation activity allowed to evaluate the ability of the model to correctly reproduce the observed hydrological dynamics and, in addition, to gain some knowledge of both its potentialities and limitations.

Il modello afflussi-deflussi e di erosione Kineros2, fisicamente basato, distribuito e a scala di evento, è stato applicato a due bacini idrografici montani della provincia di Bologna (Italia) al fine di testare e valutare il suo funzionamento in ambiente appenninico. Dopo la parametrizzazione dei due bacini, Kineros2 è stato calibrato e validato utilizzando dati sperimentali di portata e di concentrazione dei solidi sospesi, collezionati alla chiusura dei bacini grazie alla presenza di due stazioni di monitoraggio idrotorbidimetrico. La modellazione ha consentito di valutare la capacità del modello di riprodurre correttamente le dinamiche idrologiche osservate, nonchè di trarre conclusioni sulle sue potenzialità e limitazioni.
The event scale runoff and erosion model Kineros2, distributed and physically based, was applied to two mountain catchments in the province of Bologna (Italy) in order to test and evaluate it in an Apennine environment. Following basins parameterization, Kineros2 was calibrated and validated by means of experimental discharge and suspended solids concentration data, which had been previously collected at the catchments’ outlets by two hydro-turbidimetric monitoring stations. The simulation activity allowed to evaluate the ability of the model to correctly reproduce the observed hydrological dynamics and, in addition, to gain some knowledge of both its potentialities and limitations.

This research work analized the subsurface flow at the Rio Vauz basin, a small dolomitic basin located in the Northern Italian Alps. In particular, this study investigated the dominant factors controlling the water table response to precipitation at the hillslope and at the basin scale. The hillslope scale analysis was based on the data collected in three study periods of the years 2008, 2009, and 2010, in the Rio Ponte and in the Rio Larici sub-basins. In the Rio Ponte catchment, two steep hillslopes of similar size, soil properties and vegetation cover but contrasting topography (convex-divergent and relatively planar, respectively), were selected for the field measurements. The two sites were instrumented with 15 soil moisture sensors and 24 piezometric wells installed in different topographic positions. The selected hillslope of the Rio Larici basin was instrumented with 13 piezometers. Over the three years in the snow-free months, 63 rainfall-runoff events were selected in order to analyze the influence of rainfall properties, antecedent conditions and hillslope characteristics (topography and soil depth) on shallow water table dynamics. The catchment scale analysis was performed with the data collected during the year 2011 in a wider area of the Rio Ponte catchment, instrumented with 16 piezometers installed, along three transects, in different topographic positions. In the study period, 32 rainfall-runoff events were selected in order to analyze the influence of rainfall properties, antecedent conditions and the main topographic unit of the basin on subsurface flow. Piezometric response, expressed as percentage of well activation and water peak magnitude, was strongly correlated with the soil moisture status, as described by an index combining antecedent soil moisture and rainfall amount. Hillslope topography was found to be a dominant control only for the convex-divergent hillslope and during wet conditions. Timing of the water table response depended on the topographic position, with piezometric peaks occurring later and showing a greater temporal variability at the hillslope bottom. This behaviour was linked to the soil depth spatial distribution, strongly correlated with two topographic indices. The relation between subsurface flow and discharge showed a hysteretical pattern. The magnitude of the hysteretical loop is influenced by the different temporal dynamics between the water table level and streamflow. In this work we suggest to use the hysteresis extent as an index to determine the basin areas that are the dominant contributors to stormflow. This new index was also correlated to the event characteristics and to the main topographic indexes. This new approach showed that piezometers located in the riparian area, with low distance to stream and low slope, had temporal dynamics more similar to stream discharge respect to piezometers located in the hillslope area, with higher distance to stream and higher slope.
Questo lavoro di ricerca ha analizzato la dinamica del deflusso sottosuperficiale di versante di un piccolo bacino dolomitico, denominato Rio Vauz (1.9 km2) e localizzato nella Alpi orientali. In particolare, lo studio ha osservato i principali fattori che determinano la variazione del livello di falda in risposta agli eventi di precipitazione, sia a scala di versante che a scala di bacino. Due sottobacini sono esaminati in particolare: Rio Ponte (0.14 km2) e Rio Larici (0.033 km2). L’analisi a scala di versante è stata condotta utilizzando i dati raccolti tra gli anni 2008 e 2010, su due versanti del sottobacino del Rio Ponte e su un versante del sottobacino del Rio Larici. I due versanti del Rio Ponte sono simili per estensione, proprietà del suolo e copertura vegetale, ma presentano una diversa topografia (convesso-divergente per uno e relativamente planare per l’altro). Su questi versanti sono state installate 15 sonde di umidità del suolo e 24 pozzi piezometrici in diverse posizioni topografiche. Sul versante del Rio Larici sono stati installati 13 piezometri. Nei tre periodi di studio sono stati selezionati 63 eventi afflusso-deflusso per analizzare l’influenza delle caratteristiche della precipitazione, delle condizioni iniziali e delle caratteristiche del versante (topografia e profondità del suolo) sulle dinamiche del deflusso sottosuperficiale. L’analisi a scala di bacino è stata effettuata con l’impiego dei dati raccolti nel corso del 2011 su un’area più estesa del bacino del Rio Ponte, dove sono stati installati 16 piezometri, disposti su tre transetti. In questo periodo di studio sono stati selezionati 32 eventi afflusso-deflusso per studiare il ruolo delle caratteristiche dell’evento piovoso, delle condizioni iniziali e degli elementi topografici principali del bacino. L’attivazione del deflusso sottosuperficiale, espresso come percentuale di pozzi piezometrici attivati e valore di picco del livello di falda, è risultato essere ben correlato con lo stato di umidità del suolo, indicato da un indice che combina l’umidità del suolo antecedente e la precipitazione cumulata di evento. La topografia di versante è risultata essere un fattore dominante solo per il versante convesso-divergente ed in condizioni umide. La struttura temporale del livello di falda era collegata alla posizione topografica, dove i picchi del livello di falda alla base del versante venivano raggiunti più tardi, e mostravano una maggior variabilità temporale. Tale comportamento è stato messo in relazione con la distribuzione spaziale della profondità del suolo, fortemente correlata con due indici topografici. La relazione tra il livello di falda ed il livello di portata, a scala di evento, ha mostrato un andamento isteretico. L’ampiezza del ciclo isteretico, dovuta allo scostamento della dinamica temporale del livello di falda rispetto alla dinamica del livello di portata, è stata proposta come un indicatore delle aree che maggiormente contribuiscono al deflusso di bacino. Questa nuova metodologia proposta con questo lavoro di ricerca prevede la normalizzazione dell’isteresi a scala di evento ed il calcolo dell’area del ciclo isteretico. La quantificazione dell’isteresi è stata poi correlata con le caratteristiche dell’evento e con alcuni indici topografici. Questo approccio ha evidenziato che i piezometri situati in area riparia, con minor distanza dal torrente e minori pendenze, avevano dinamiche temporali più simili al torrente, rispetto agli strumenti posizionati in area di versante, con maggiori distanze dal torrente e pendenze più elevate.

La derivazione di parte della portata defluente in un corso d’acqua può determinare significative modifiche del regime naturale dei deflussi dello stesso, con conseguente alterazione dell'ecosistema fluviale. Per ridurre questo effetto è stato introdotto il concetto di Deflusso Minimo Vitale (DMV), che è la portata minima che deve essere presente in alveo per garantire la sopravvivenza dell’ecosistema fluviale. Il presente studio è finalizzato a quantificare i possibili impatti indotti da diverse ipotesi di rilascio del DMV sull’ittiofauna di 8 tratti dei fiumi Potenza, Chienti, Tenna e Aso, ubicati immediatamente valle delle opere di derivazione, o sbarramento, degli impianti di ENEL Produzione S.P.A. ed ENEL Green Power S.P.A. Nello studio si sono considerate due distinte ipotesi di rilascio: (1) DMV definito secondo il “Piano di Sperimentazione” sottoscritto tra le autorità di bacino ed ENEL; (2) DMV complessivo definito nel rispetto del Piano di Tutela delle Acque delle Marche. A partire dalla ricostruzione della disponibilità idrica superficiale in corrispondenza degli 8 tratti fluviali d’interesse e dalle caratteristiche geometriche degli stessi, si è condotta un’applicazione in cascata di diversi modelli idrodinamici ed eco-idraulici (c.d. Hec-RAS e PHABSIM). Mediante detti modelli è stato possibile valutare un indice di benessere complessivo (denominato WUA) per diverse specie ittiche (Barbo, Cavedano e Trota Fario) in diversi stadi vitali (novellame, adulto, fase riproduttiva) e confrontare detto indice ottenuto con riferimento al regime naturale con i WUA relativi ai due regimi di deflusso alterati secondo i due diversi scenari di DMV considerati nello studio. L’indice WUA ottenuto per lo scenario (2) è risultato generalmente maggiore di quello per lo scenario (1), salvo nel periodo tra luglio e ottobre, in cui è presente il novellame di Barbo e Cavedano; spesso il WUA del regime naturale è risultato inferiore a quelli due regimi alterati.

L’obiettivo della Tesi è la costruzione di modelli multiregressivi che, attraverso le caratteristiche geomorfoclimatiche del bacino considerato, possano stimare i giorni a deflusso nullo per corsi a regime idrometrico intermittente in assenza di osservazioni idrometriche. Il lavoro è stato svolto in diverse fasi: una prima analisi degli studi precedenti per trarre informazioni utili alla costruzione dei modelli multiregressivi e la seconda di costruzione dei modelli stessi attraverso una regressione logistica implementata in ambiente R. L’area di studio è il Lower Colorado (USA). La costruzione dei modelli si è servita di due metodologie di verifica: un metodo grafico dove si sono comparati con grafici a dispersione i valori sperimentali della percentuale di giorni a deflusso pari a zero (PDN), e i valori di PDN stimati dal modello, cioè quelli ricavato utilizzando la regressione regionale logistica considerando le caratteristiche geormofoclimatiche; una serie di indici numerici di prestazione che sintetizzano gli scarti tra i valoro sperimentali e quelli stimati di PDN (ad es. NSE, cioè l’indice di Efficienza di Nash-Sutcliffe; SSR, cioè lo scarto quadratico medio). Analizzare i modelli identificati si può concludere che: 1) I migliori descrittori dei regimi idrometrici intermittenti sono la Temperatura, l’Area di deflusso del bacino e la Pendenza del bacino; 2) i valori di NSE e SSR ottenuti per i modelli caratterizzati dalle migliori prestazioni non sono pienamente soddisfacenti per poter utilizzare tali modelli nella pratica progettuale allo scopo predittivo in bacini non dotati di dati idrometrici, ma possono fornire una indicazione preliminare per condurre successivi approfondimenti.

L'oggetto di questo lavoro di tesi è la calibrazione dei parametri che governano l'andamento delle più diffuse ed utilizzate funzioni di costo, le curve BPR. La calibrazione è stata condotta in riferimento al modello di simulazione della città di Firenze: si è minimizzato lo scarto quadratico medio tra flussi assegnati e flussi rilevati relativamente ad alcuni archi del modello. L'obiettivo è quello di simulare il più fedelmente possibile il modello di scelta del percorso e quindi l'andamento dei flussi sulla rete. Oltre a questo si sono valutati gli impatti che l'utilizzo di funzioni di costo non calibrate comportano sull'analisi costi-benefici e quindi sulla convenienza di un progetto di trasporti.

L'obiettivo della Tesi è l'analisi idrologica del bacino del Samoggia chiuso a Calcara, su un periodo di osservazione compreso tra il 2010 e il 2016, per valutare l'impatto della numerosità dei dati idrometrici disponibili sulle calibrazioni di due modelli idrologici: un modello estremamente semplice, il Bucket Model, costituito da soli due parametri (k e S), e uno più complesso, HyMOD, costituito da un numero maggiore di parametri. La fase iniziale riguarda il reperimento e la ricostruzione dei dati di input dei modelli (precipitazione, evapotraspirazione potenziale e portate a scala di bacino, sia a passo orario che a passo giornaliero), sfruttando l'applicazione Dext3r fornita dall'ARPAe. La fase centrale riguarda la calibrazione dei modelli, valutando l'indice di prestazione NSE su quattro periodi diversi (2011, 2011-12, 2011-13 e 2011-14), e la validazione sul solo biennio 2015-2016. Le calibrazioni sono state effettuate utilizzando, per il Bucket Model, il metodo del gradiente (funzione "optim" in ambiente di lavoro R), mentre per il modello HyMOD, l'algoritmo genetico combinato con il metodo del gradiente (funzione "GA" combinata con "optim"). La fase finale riguarda la presentazione e la discussione dei risultati ottenuti.

Climate change, human influences (deforestation, overgrazing, urbanization and pollution) and increased pressures on water supplies by civil and industrial utilizations are affecting the water availability in semi-arid Mediterranean regions. For instance, in Sardinia water resources supply decreased significantly in the last decades, such as shown by annual input from stream discharge into the reservoir system, which are the major source of water for the Sardinia Region. This happens for example in the Flumendosa reservoir system which constitutes the water supply for much of southern Sardinia, including the island's largest city, Cagliari. For this reason, in this study the fundamental processes (e.g., evapotranspiration and surface runoff) of the hydrologic balance have been studied extensively throughout the use of modern techniques for field site monitoring and the support of numerical models. In the first part of this work the evapotranspiration process in a typical Mediterranean ecosystem has been studied through the coupled use of sap flow sensor observations and eddy covariance measurements. Results show the key role of sap flow technique for the estimate of ET in such dry conditions, typical of Mediterranean ecosystems. In the next step the contrasting influences of vegetation differences (grassland versus mixed ecosystems) and soil differences (deeper alluvial valley soils versus shallow upland soils) on evapotranspiration (ET) and CO2 exchange dynamics have been examined. Data from two representative case study sites within the Flumendosa river basin on Sardinia were obtained. At both sites, land-surface and CO2 fluxes were estimated by eddy covariance instruments on micrometeorological towers. Fluxes at the two ecosystems were compared, and the effect of the vegetation cover was examined with the help of an ecohydrologic model to control for the different soil influences. The results show that the water and carbon fluxes in these ecosystems are more controlled by soil differences during the late spring, when the deeper soil depth leads to a doubling of the available moisture and an increase of 48% in the mixed natural vegetation transpiration. The system then switches to vegetation control in the summer as the presence or absence of drought-tolerant trees is the dominant imprint on continued transpiration and photosynthesis. In fact, total grassland ET in the summer is only 20% as large as the mixed vegetation ET in the summer. Finally the study of the surface runoff process have been developed experimentally in the Orroli field site to assess the runoff response of the land surface with varying vegetation states to ultimately predict how changes in the climate of Mediterranean watersheds may affect the needs of water resource management. For this purpose a 4 m by 4 m rainfall simulator was designed, constructed, and tested as the first stage of this research. The rainfall simulator consisted of four independent lines of low-cost pressure washing nozzles operated at a pressure of 80 mbar, with the number of nozzles determining the rainfall intensity delivered to the plot. The rainfall intensity of the simulator varies from approximately 31 to 62 mm/h with a coefficient of uniformity ranging from 0.62 to 0.75. Measurements taken include surface runoff using a tipping bucket flow meter and soil moisture throughout the plot. The simulator was used to monitor changes in the surface runoff throughout the seasons (July 2010, August 2010, June 2011, July 2011, December 2011, January 2012, May 2012) as the vegetation changes. Results shows the great impact of the changes in vegetation cover on soil runoff process: the vegetation cover is an important factor governing the infiltration process and consequently the surface runoff. The increase of vegetation cover induces large infiltration rates and it drastically reduces the surface runoff amount.

Dottorato di Ricerca in Ingegneria Idraulica per l'Ambiente e il Territorio Ciclo XXVIII, a.a. 2015-2016
Nei paesi sviluppati, il livello di urbanizzazione è in continuo aumento e dovrebbe raggiungere l’83% nel 2030 (United Nations, 2002; Antrop, 2004). Il notevole incremento della popolazione comporta una continua espansione areale delle città che si traduce nella progressiva cementificazione di aree vegetate sempre più grandi. L’effetto combinato di urbanizzazione (che riduce la disponibilità di spazi naturali e allo stesso tempo modifica la rete di scorrimento superficiale) e cambiamenti climatici (che incrementano la frequenza e l’intensità delle precipitazioni) (Piro et al., 2012) ha comportato una maggiore vulnerabilità delle aree urbane ed uno sconvolgimento del ciclo idrologico naturale. Durante gli eventi di pioggia intensi, i tassi di infiltrazione ed evapotraspirazione si sono notevolmente ridotti, e di conseguenza si è verificato un incremento del volume di deflusso delle acque meteoriche che sovraccarica il sistema di drenaggio urbano (Piro et al., 2012). In un’ottica di sviluppo ambientale sostenibile, nasce quindi l’esigenza di potenziare la rete di deflusso superficiale mediante l’introduzione di soluzioni sostenibili che consentano di rispristinare, per quanto possibile, le condizioni idrologiche che caratterizzavano il bacino prima dello sviluppo urbano (Cannata, 1994). L’insieme di queste tipologie di interventi a basso impatto che, seguendo un approccio ecologicamente basato, consente una gestione delle acque piovane direttamente alla fonte così da prevenire molti problemi che possono accorrere lungo il percorso di trasporto, viene identificato in letteratura con l’acronimo LID (Low Impact Development). Tra queste, la tecnica del verde pensile che protegge, ripristina o imita il ciclo idrologico di pre-sviluppo e, sfruttando gli spazi disponibili sulle coperture a tetto (altrimenti inutilizzate), può essere applicata anche in ambienti urbani densamente edificati, è di particolare interesse ambientale per l’insieme dei benefici che comporta su scala del singolo edificio e del comprensorio urbano circostante (Tillinger, et al., 2006). Diversi studi hanno evidenziato come le coperture vegetate possano avere effetti sulla ritenzione degli eventi di pioggia (DeNardo et al., 2005; VanWoert et al., 2005; Getter et al., 2007; Gregoire and Clausen, 2011), riducendo il volume di deflusso e la portata al colmo (Berntsson, 2010; Palla et al., 2010; Voyde et al., 2010; Stovin et al., 2012) e ritardando il picco di piena (Carter e Rasmussen, 2006; Spolek, 2008). Da queste premesse nasce il seguente lavoro di tesi, che ha riguardato lo studio del Verde pensile come sistema a basso impatto ambientale, per la mitigazione dei deflussi nell’idraulica urbana, focalizzando l’attenzione sulla Modellazione Idrologico-Idraulica: “Vegetated roofs as a Low Impact Development (LID) approach: hydrologic and hydraulic modeling for stormwater runoff mitigation in urban environment”. Il principale obiettivo della ricerca è stato quello di definire, migliorare ed implementare una metodologia per la progettazione dei tetti verdi utilizzando i dati provenienti da diverse aree geografiche (nel caso specifico sono stati analizzati i dati provenienti da due diverse realtà geografiche: Cosenza in Italia e Lione in Francia), al fine di individuare alcuni fattori chiave per la caratterizzazione della risposta di un sistema a verde pensile. Più nello specifico, dopo un’introduzione generale ed una panoramica sui benefici che l’adozione delle LID offre alla gestione delle acque meteoriche in ambiente urbano rispetto ai sistemi convenzionali, nel Capitolo 1 sono stati definiti i principali obiettivi del progetto di ricerca. Tra le soluzioni naturalistiche che operano il controllo della formazione dei deflussi superficiali mediante i processi di ritenzione e detenzione, quella del Verde Pensile viene particolarmente trattata nel Capitolo 2; vengono descritte le componenti stratigrafiche ed illustrati i più importanti effetti benefici conseguibili dall’installazione di coperture vegetate, con particolare attenzione al contributo nella regimazione delle acque meteoriche.Dal momento che la risposta idrologico-idraulica di una copertura vegetata è influenzata da diversi fattori quali le condizioni meteo-climatiche e le caratteristiche costruttive della copertura vegetata, la revisione della letteratura (Capitolo 3) è organizzata in relazione agli obiettivi della ricerca: (1) la prima parte fornisce una panoramica dei modelli per l’analisi del comportamento idraulico dei tetti verdi, visti come strumento di supporto alla gestione quantitativa delle acque di pioggia; (2) nella seconda parte è stata eseguita una ricognizione degli studi scientifici effettuati per analizzare l’influenza dei suddetti parametri sulle prestazioni idrologiche ed idrauliche di una copertura vegetata di tipo estensivo. Tali considerazioni suggeriscono che se il verde pensile deve essere parte delle strategie di gestione delle acque piovane, è fondamentale capire come specifici sistemi di copertura rispondano ad eventi pluviometrici specifici; questo richiede strumenti di modellazione affidabili che consentano di ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su una vasta gamma di tipi di costruzione e in diverse condizione operative. Come risultato di tali considerazioni, i capitoli 4 e 5 riguardano le sperimentazioni condotte utilizzando due diversi modelli. In particolare il Capitolo 4 indaga l’affidabilità di un modello concettuale di tetto verde, sviluppato congiuntamente dalla Le Prieuré e l’INSA di Lione, per simulare il comportamento di una specifica tecnologia di tetto verde pre-fabbricato (Hydropack® & Stock&Flow®). Il modello si basa sul percorso dell’acqua attraverso quattro serbatoi disposti in serie, ciascuno caratterizzato da uno specifico processo idrologico e/o idraulico rappresentato da equazioni concettuali o semi-dettagliate: Serbatoio di Intercettazione, Substrato, Serbatoio Alveolare ed un Serbatoio di Raccolta. Il modello, adattabile a qualsiasi tipo di copertura attraverso l’attivazione/disattivazione di serbatoi e funzioni opzionali, intende simulare il comportamento dinamico del tetto verde a diversi intervalli di tempo, indagarne l'affidabilità ed ottimizzarne le prestazioni. Il modello è stato testato e calibrato utilizzando un database raccolto su due siti sperimentali, rispettivamente per un anno e nove mesi, misurati al passo temporale di 1 minuto: 1) per l’unità prefabbricata di 1 m2 (Hydropack®) prodotta ed installato a Moisy (Francia) da Le Prieuré, la calibrazione è stata condotta a scala d’evento per valutare il contenuto idrico nel substrato; 2) per il tetto verde a grandezza naturale di 282 m2 presso il Centro Congressi di Lione (Francia),la calibrazione è stata condotta a scala mensile per valutare il deflusso totale in uscita dal tetto verde. Tutte le simulazioni del modello sono state effettuate utilizzando il linguaggio ddi programmazione MatLab. Come indicatori delle performance del modello sono stati utilizzati il criterio di Nash-Sutcliffe (NS) e il Root Mean Squared Error (RMSE). I risultati delle simulazioni effettuate sull’unità Hydropack hanno mostrano che il modello ha una elevata capacità di replicare il comportamento osservato per il contenuto idrico nel substrato durante eventi piovosi, come confermato dagli alti valori di NS (sopra 0,6 per il 78% dei casi, e sopra 0,97 per il 46%) e valori RMSE bassi. I primi risultati hanno inoltre indicato che la risposta del modello è fortemente determinata dal contenuto iniziale di acqua nel substrato (Hs0) che andrà considerato come uno dei parametri chiave del modello quando è usato a scala di evento. Per quanto riguarda le simulazioni mensile effettuate sul tetto verde a scala reale, i primi risultati hanno mostrato una buona capacità del modello di replicare il comportamento osservato per la portata in uscita dal tetto, solo per alcuni eventi; prestazioni inferiori si osservano per alcuni eventi a causa di dubbia affidabilità dei dati o nel caso di eventi con precipitazioni molto piccole. Nel Capitolo 5 viene proposto un modello concettuale (SIGMA DRAIN), sviluppato nel corso del progetto PON01_02543 per simulare il comportamento idraulico della copertura vegetata di tipo estensivo installata nel sito sperimentale dell’Unical. SIGMA DRAIN utilizza, per la simulazione dei fenomeni idrologici e idraulici, il motore di calcolo del software EPA SWMM (Storm Water Management Model), pur essendo completamente svincolato dall’interfaccia utente del software. Il nuovo modello idealizza il tetto verde come un sistema costituito da tre componenti disposte in serie, ognuna caratterizzata da uno specifico processo idrologico-idraulico, corrispondenti ai tre moduli tecnologici principali della copertura: lo strato superficiale è concettualizzato come un sottobacino mentre i successivi strati di terreno e di accumulo sono schematizzati attraverso due serbatoi lineari che descrivono rispettivamente la percolazione attraverso il substrato colturale e il trasporto attraverso lo strato drenante. Un’equazione di bilancio di massa viene applicata a ciascun blocco, tenendo conto dei fenomeni fisici specifici che si verificano in ciascun modulo; il flusso è invece regolato dall’equazione di Richards. Al fine di stimarne l’affidabilità, il modello è stato prima calibrato e poi validato con il software HYDRUS-1D, che modella l’infiltrazione dell’acqua nel sottosuolo; visti i parametri idraulici richiesti dal software, tale operazione ha riguardato essenzialmente lo strato di terreno piuttosto che quello di vegetazione ed accumulo. Osservando i risultati in termini di deflusso dei singoli eventi di pioggia, è possibile constatare che il modello Sigma Drain approssima bene il modello HYDRUS-1D per precipitazioni al di sopra dei 20 mm, mentre per eventi con altezza di pioggia inferiore le performance del modello non risultano soddisfacenti; tale comportamento è attribuibile al fatto che nel modello Sigma Drain, differentemente da HYDRUS-1D, non si tiene conto del contenuto idrico iniziale del substrato. A conferma di ciò, le simulazioni effettuate in continuo, hanno mostrato in media un valore dell’indice di NS pari a 0.8, a dimostrazione che le condizioni idrologicoidrauliche antecedenti l’evento considerato sono rilevanti nella valutazione della risposta del modello. Particolare attenzione è stata riposta all’analisi del coefficiente di deflusso e ai fattori idrologici che sono determinanti nelle performances del tetto quali: la precipitazione, l’intensità e la durata di pioggia, nonché il periodo intra-evento che intercorre tra due eventi indipendenti. A seguito delle simulazioni effettuate con SIGMA DRAIN, dal confronto dei risultati ottenuti in termini di deflusso tra gli eventi di pioggia registrati con passo temporale di 1 minuto sul sito sperimentale dell’Unical e presso Lione, si è evidenziato per entrambi gli scenari un comportamento analogo, stimando un valore soglia delle precipitazioni di 13mm, al di sotto del quale il tetto verde trattiene la quasi totalità dell’evento. Per eventi con altezza di pioggia superiore a 13 mm, è stata rilevata, invece, un coefficiente di deflusso che si attesta in media attorno al 46% e 38% rispettivamente per il set di dati regisrati all’Unical e a Lione; è possibile osservare, inoltre, l’esistenza di una proporzionalità diretta tra precipitazione e deflusso. Per analizzare al meglio l’influenza dei singoli parametri idrologici sull’efficienza idraulica del tetto verde, è stata poi ricavata, con i dati di pioggia dell’Unical, un’equazione statistica sulla base di analisi di regressione lineare multipla, successivamente validata con i dati di Lione, che consenta di avere una prima stima della capacità di ritenzione del tetto verde in funzione della durata dell’evento e dell’altezza di pioggia. In definitiva è possibile osservare che ogni singolo parametro, sia esso idrologico o fisico, apporta un’influenza significativa sulle prestazioni idrauliche di una copertura vegetata. Risulta, dunque, approssimativo valutare l’efficienza di una copertura vegetata mediamente su scala annuale o stagionale, in quanto ogni singolo evento di pioggia, in funzione delle proprie caratteristiche e di quelle della copertura stessa, sarà trattenuto in maniera differente. I risultati ottenuti dalle sperimentazioni hanno evidenziato come la copertura vegetata di tipo estensivo, progettata e realizzata all’Unical, in clima Mediterraneo, presenti un ottima efficienza idraulica anche considerando i dati di pioggia di un’altra realtà come Lione, caratterizzata da un clima Temperato. Infine, nel Capitolo 6 vengono esposte le conclusioni generali sul progetto di ricerca e i possibili sviluppi futuri. Con questo lavoro di tesi, che fornisce indicazioni utili alla realizzazione di una pianificazione urbanistica sostenibile che consenta di attuare una gestione integrata della risorsa idrica, si intende promuovere il verde pensile non solo quale strumento di mitigazione e compensazione ambientale in generale, ma nello specifico quale soluzione di drenaggio urbano sostenibile per il ripristino dei processi fondamentali del ciclo idrologico naturale nell’ambiente urbano.
Università della Calabria

L'accoppiamento di modelli idrologici e di coltura sta diventando sempre più un compito importante quando si affrontano gli studi sui sistemi agro-idrologici. Sia per la conservazione delle risorse che per il miglioramento dei sistemi di coltivazione, le complesse interazioni tra regime idrologico e componenti di gestione delle colture richiedono un approccio integrativo per essere pienamente compresi. Tuttavia, la letteratura offre risorse limitate sull'accoppiamento di modelli che si rivolgono agli scienziati ambientali. In effetti, le guide principali sono destinate principalmente agli specialisti di computer e le rendono difficili da comprendere e da applicare. Per colmare questa lacuna, presentiamo un'estesa ricerca sui modelli di coltura e sui modelli idrologici che si rivolgono agli studi di modellizzazione agro-idrologica della terra nella sua complessità integrativa. L'obiettivo principale è capire la relazione tra l'intensificazione agricola e il suo impatto sull'equilibrio idrologico. Abbiamo fornito documentazione, classificazioni, applicazioni e riferimenti delle tecnologie disponibili e delle tendenze di sviluppo. Abbiamo applicato i risultati dell'indagine accoppiando il modello idrologico DREAM con il modello di coltura DSSAT. Entrambi i modelli sono stati aggiornati sia sulla sorgente del codice (DREAM) che sulla base operativa (DSSAT) per l'interoperabilità e la parallelizzazione. Il modello risultante opera su una griglia e su un passo giornaliero. Il modello viene applicato nell'Italia meridionale per analizzare l'effetto dell'applicazione del fertilizzante sulla generazione di ruscellamento tra il 2000 e il 2013. I risultati dello studio mostrano un impatto significativo dell'applicazione dell'azoto sulla resa idrica. Infatti, quasi 71,5 mila metri cubi di acqua piovana per ogni chilogrammo di azoto e per ettaro vengono persi come riduzione del coefficiente di deflusso. Inoltre, una correlazione significativa tra la quantità di applicazioni di azoto e il deflusso si trova su base annuale con il coefficiente di Pearson di 0,93.
Coupling hydrologic and crop models is increasingly becoming an important task when addressing agro-hydrologic systems studies. Either for resources conservation or cropping systems improvement, the complex interactions between hydrologic regime and crop management components requires an integrative approach in order to be fully understood. Nevertheless, the literature offers limited resources on models’ coupling that targets environmental scientists. Indeed, major of guides are are destined primarily for computer specialists and make them hard to encompass and apply. To address this gap, we present an extensive research to crop and hydrologic models coupling that targets earth agro-hydrologic modeling studies in its integrative complexity. The primary focus is to understand the relationship between agricultural intensification and its impacts on hydrologic balance. We provided documentations, classifications, applications and references of the available technologies and trends of development. We applied the results of the investigation by coupling the DREAM hydrologic model with DSSAT crop model. Both models were upgraded either on their code source (DREAM) or operational base (DSSAT) for interoperability and parallelization. The resulting model operates at a grid base and daily step. The model is applied southern Italy to analyze the effect of fertilizer application on runoff generation between 2000 and 2013. The results of the study show a significant impacts of nitrogen application on water yield. Indeed, nearly 71.5 thousand cubic-meter of rain water for every kilogram of nitrogen and per hectare is lost as a reduction of runoff coefficient. Furthermore, a significant correlation between the nitrogen applications amount and runoff is found at a yearly basis with Pearson’s coefficient of 0.93.
Le couplage des modèles hydrologiques et culturaux est une tâche importante lorsqu’on aborde les études de systèmes agro-hydrologiques. Que ce soit pour la conservation des ressources ou l’amélioration des systèmes de culture, les interactions complexes entre le régime hydrologique et les composantes de la gestion des cultures nécessitent une approche intégrative pour être pleinement comprises. Néanmoins, la littérature offre des ressources limitées sur le couplage de modèles qui cible les scientifiques. En effet, la plupart des guides sont principalement destinés aux informaticiens et sont difficiles à appliquer. Pour combler cette lacune, nous présentons une recherche approfondie sur le couplage des modèles de cultures et des modèles hydrologiques, qui cible les études de modélisation agro-hydrologique dans leur complexité intégrative. L'objectif principal est de comprendre la relation entre l'intensification agricole et ses impacts sur l'équilibre hydrologique. Nous avons fourni des documentations, des classifications, des applications et des références des technologies disponibles et des tendances de développement. Nous avons appliqué les résultats de l'enquête en couplant le modèle hydrologique DREAM au modèle de culture DSSAT. Les deux modèles ont été mis à niveau soit sur leur code source (DREAM), soit sur leur base opérationnelle (DSSAT) pour assurer l’interopérabilité et la parallélisation. Le modèle résultant est appliqué dans le sud de l'Italie pour analyser l'effet de l'application d'engrais sur la production de ruissellement entre 2000 et 2013. Les résultats de l'étude montrent un impact significatif de l'application d'azote sur l'apport en eau. En effet, près de 71 500 mètres cubes d'eau de pluie par kilogramme d'azote et par hectare sont perdus sous la forme d'une réduction du coefficient de ruissellement. De plus, une corrélation significative entre la quantité d’application d’azote et le ruissellement est constatée chaque année avec un coefficient de Pearson de 0,93.