Tetis  Prodotto da GIMHA (Grupo de Investigación de Modelación Hidrológica y Ambiental) Universitat Politècnica de València Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente Software per modellizzare il ciclo idrologico all’interno di un bacino

 Lo scopo di TETIS è di ottenere, nel miglior modo possibile, la risposta idrogeologica causata da precipitazioni (pioggia e neve), tenendo conto dei processi fisici interessati.  TETIS è stato sviluppato per le acque naturali, ma è in grado di simulare anche l’effetto di strutture artificiali (come ad esempio dighe).  E’ possibile effettuare lo studio dell’erosione e della sedimentazione: ciò può rappresentare la soluzione di molti problemi geomorfologici, come la redistribuzione dei sedimenti, la localizzazione dell’erosione e di zone in cui avviene perdita di suolo, la stima dell’entità dell’erosione e l’effetto che l’uso della terra ha sul ciclo dei sedimenti. Fra le altre funzioni Tetis permette di riprodurre il fenomeno del carsismo Impiegando modelli idrologici concettuali distribuiti, è possibile descrivere l’evoluzione nello spazio dei processi all’interno del bacino.

 La stima e la previsione delle esondazioni dipende soprattutto dalla pioggia e dal deflusso superficiale.  Nel valutare le risorse idriche, i fenomeni di evapotraspirazione e di flusso sotterraneo sono i più importanti. FENOMENI CONSIDERATI: -Intercettazione -Immagazzinamento -Infiltrazione -Evapotraspirazione -Fusione di neve -Percolazione -Ricarica dell’acquifero -Scorrimento superficiale -Scorrimento sotterraneo -Flusso di base

TETIS consente di Creare un singolo file con le specifiche informazioni per ogni cella rispetto ai corrispondenti parametri e variabili (file chiamato «TOPOLCO.sds» di default). Generare uno stato iniziale del volume di ogni serbatoio per ogni cella (incluso il canale). Impostare il contenuto di acqua della neve nelle aree (celle) dove essa è presente. Tagliare parte del bacino, per ridurre il tempo di esecuzione e facilitare l’uso dell’algoritmo di ottimizzazione automatica. Questa riduzione di informazioni permette di rimuovere aree che interessano serbatoi a monte dei risultati di valle. Simulare le piene. Effettuare una calibrazione manuale o automatica dei fattori di correzione dei parametri. Movimento orizzontale proposto da TETIS (semplificazione in 2D) La distribuzione nello spazio avviene suddividendo il bacino in celle regolari e applicando bilanci di massa fra esse

L’erosione e il trasporto dei sedimenti sono descritti sulla scala del bacino. TETIS-SED è stato creato inserendo il sotto-modello CASC2D-SED in TETIS. I valori riguardanti erosione e sedimentazione sono calcolati come funzioni delle proprietà idriche del flusso, le proprietà fisiche del suolo e le caratteristiche della superficie. Per determinare il trasporto superficiale dei sedimenti da una cella all’altra, è stata utilizzata l’equazione modificata di Kilinc-Richardson (1). L’equazione di Engelund e Hansen è usata invece per stimare il trasporto in una dimensione (2). RAPPRESENTAZIONE DEL CICLO DEI SEDIMENTI (1) q t: portata unitaria di sedimenti prodotti per una portata unitaria di acqua Q: portata W: larghezza S o: pendenza K: fattore di facilità di erosione del suolo C: fattore dipendente dall’uso del suolo P: fattore dipendente da pratiche di conservazione (2) Cw i : concentrazione di sedimenti per peso G: peso specifico dei sedimenti V: velocità media del canale S f : angolo di attrito del canale g: accelerazione di gravità ds i :granulometria R h : raggio idraulico del canale

TETIS funziona attraverso dei file di diversi formati. I file indispensabili per l’esecuzione sono: FILESSP.TET: contiene i nomi dei file che servono per l’esecuzione FILESVEG.TXT: contiene i nomi dei file per inserire una vegetazione dinamica PARAMGEO.TXT: contiene i parametri geomorfologici necessari per ricostruire l’andamento del flusso. SETTINGS.TXT: contiene 13 variabili logiche relative alla configurazione del modello CALIB.TXT: contiene le variabili da calibrare, soggette a fattori di correzione Fichero entrada.txt / Fichero salida.txt: contengono informazioni di input/output Informazioni geografiche provenienti da ArcGis (sottoforma di mappe) sono contenute in: MED.ASC: modello di elevazione digitale del terreno HU.ASC: capacità massima di immagazzinamento statico nella parte superiore del suolo [mm] KS.ASC: capacità di infiltrazione del suolo [mm/h] KP.ASC: capacità di percolazione del substrato [mm/h] KSS.ASC: conduttività idraulica per il flusso sotterraneo [mm/h] KSA.ASC conduttività idraulica saturata dell’acquifero [mm/h] KPS.ASC: capacità di percolazione nell’acquifero profondo [mm/h] VEL.ASC: velocità del flusso nel pendio [m/s] HSTAR.ASC: contenuto ottimo di umidità nel suolo [mm] SLOPE.ASC: pendenza del terreno [m/m] DIRFLUJO.ASC: direzione del flusso ACUM.ASC: celle di accumulo a monte

FILE DI INPUT Le informazioni da inserire in questo file sono sottoforma di serie temporali in matrici colonna, e sono: 1.Le serie temporali dei rilevamenti di pioggia per intervallo [mm] 2.Le serie delle portate registrate [m 3 /s] 3.L’evaporazione media delle ultime 24 ore, [mm/giorno] 4.I livelli dei serbatoi [m s.l.m] 5.I volumi dei serbatoi [Hm 3 ] 6.Le salinità osservate in ogni serbatoio [m 3 /s] 7.Le serie temporali della temperatura (nel caso della fusione della neve) [ºC] 8.L’altezza equivalente dell’acqua dovuta alla presenza di neve [mm] Facoltativamente si può includere: 9. Punti dove non si dispone delle misure ma in cui si desidera realizzare una simulazione 10. Punti fonti/dissipatori in cui si hanno portate addizionali 11. Se si attiva il sotto-modulo dei sedimenti, i rilevamenti delle misure di sedimenti Esempio del file di input

Modificare e selezionare file, nomi dei file, formato e valore delle variabili. E’ possibile inoltre modificare opzioni e impostazioni del file relativo ai sedimenti, opzioni dello stato iniziale e finale, parametri idrologici e variabili da calibrare Visualizzare le mappe che costituiscono gli input Effettuare una stima iniziale di un perimetro di neve. Appare una finestra con la mappa del modello di stima digitale Rappresentare con grafici le serie temporali di input (di precipitazioni, evapotraspirazione, altezza della neve e temperatura), flussi e depositi medi, quantità osservate e simulate, livello dei serbatoi, informazioni sulle variabili, parametri medi e bilanci nel bacino, mappe di variabili di stato Ottimizzare i risultati idrologici o riguardanti i sedimenti Avviare simulazioni multiple, passare dal formato Cedex al formato colonna, tagliare aree drenanti, creare un file di fattori della vegetazione Manuali, descrizione del modello, lingua e ricerca MENU

La calibrazione del modello funziona come una regressione multipla, dove i parametri ottimi sono quelli che minimizzano gli errori. Gli elementi da calibrare (manualmente o automaticamente) sono: - Fattori di correzione - Stati iniziali - Gradiente di precipitazione - Parametri relativi alla neve Possono essere calibrati nell’insieme o separatamente. CALIBRAZIONE L’algoritmo utilizzato è robusto, efficiente ed appropriato per modelli che descrivono precipitazioni e scorrimenti. La calibrazione può essere effettuata su un singolo o su multipli eventi metereologici. L’output della calibrazione automatica sono i parametri che minimizzano (o massimizzano) l’obiettivo voluto. Il file dei parametri geomorfologici e quello apposito per i valori da calibrare sono automaticamente aggiornati. La calibrazione automatica richiede una regione iniziale in cui sono contenuti i parametri. La metodologia utilizzata nella calibrazione automatica è la Shuffled Complex Evolution – University of Arizona (SCE-UA).

UN CASO DI STUDIO: GOODWIN CREEK Suoli: argille limose Topografia: regolare, con quote che vanno da 67 a 121 m s.l.m., e pendenza da 0 a 22% Usi del suolo: pascolo, agricoltura e foreste Clima: umido, caldo d’estate e temperato in inverno Precipitazione media annua: 1,440 mm Suolo: scarsamente permeabile (deflusso costituito interamente da scorrimento superficiale) Principali fenomeni meterologici: 1981, 1982, 1983 Goodwin Creek è un bacino di 21,3 km 2 a Panola Country (Mississippi,USA). Precipitazioni, deflussi e accumulo di sedimenti sono monitorati costantemente nel tempo e nello spazio. La prestazione del modello è stata definita abbastanza ragionevole. Nella fase di calibrazione, la differenza media percentuale tra simulato ed osservato sul volume totale di sedimenti è stata dello 0.33%

Portate – Risultato della calibrazione automatica Precipitazioni nel tempo TETIS-SED: direzione del flusso, pendenza, zone di accumulo dei sedimenti (dall’alto verso il basso)

CONCLUSIONI Tetis è disponibile in 32 o 64 bit, per Microsoft Windows. È disponibile in inglese o in spagnolo.  É necessario discretizzare il bacino ad un adeguato livello di precisione, in modo da migliorare i risultati della simulazione: una scala grossolana può generare una simulazione mediocre, mentre una simulazione sottile richiede più dati di input, ma permette l’estensione della simulazione nel tempo e nello spazio.  L’algoritmo di calibrazione SCE-UA permette di ottenere performance migliori, richiedendo meno iterazioni per raggiungere l’ottimo. Inoltre è più adatto per utenti non esperti.  La qualità dei risultati del modello dipende comunque dalla qualità dei dati di input  Essendo un modello distribuito presenta vantaggi rispetto alla modellistica tradizionale:  una migliore rappresentazione della variazione spaziale dei fenomeni coinvolti nei processi idrologici  Una migliore comprensione dei processi a livello dell’intero bacino