Un modello idrologico: HEC-RTS® Modellistica e simulazione, A.A 2016/2017 Presentazione a cura di: Paini Elia

Introduzione e caratteristiche tecniche Ente: HEC-RTS (Real Time Simulation) è un software sviluppato dall’ente statunitense U.S. Hydrologic Engineering Center’s, denominato HEC. L’organizzazione si occupa di ricerca idrologica, operando sui fenomeni di trasporto, qualità, analisi del rischio e sistemi di controllo inerenti ad acque sia superificiali sia sotterranee. Link del software: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-rts/ Lo scopo del modello è quello di fornire supporto decisionale a breve termine, in tempo reale, alle operazioni di controllo idrico. Trattandosi di un sistema completo, comprende la raccolta, trasformazione e visualizzazione dei dati. Il programma consiste in un’edizione pubblica del software privato CWMS, utilizzabile esclusivamente dai membri dell’ente. Il software è supportato solamente su dispositivi Windows 64-bit. Sono richiesti Hard Disk 3 GB, Memoria RAM 1 GB. Java 8 è l’unico software necessario ed è incluso nella cartella di installazione. Attualmente il programma è aggiornato alla versione 3.0.3 (luglio 2017), che non dispone di nuove funzionalità rispetto al passato, ma corregge alcune incongruenze e difetti segnalati dagli utenti e migliora l’interfaccia grafica, denominata GUI.

Dati in ingresso Prima di creare il modello desiderato, è necessario conoscere: Precipitazioni della regione considerata Dati relativi allo stato attuale e futuro (cioè probabile) degli spartiacque e degli impianti di gestione dell’acqua Questi dati provengono da una rete di sensori ambientali, che misurano: Condizioni meteorologiche (temperatura dell’aria, caratteristiche fisiche delle precipitazioni) Caratteristiche dei flussi (profondità, velocità, ecc) Livello del lago o del serbatoio

Fasi di sviluppo del modello Il software riguarda la modellazione di uno spartiacque. Nel contesto del programma, esso è costituito da un insieme di dati, informazioni, modelli e immagini che rappresentano le aree e le funzioni di controllo dei canali. Per creare un modello di spartiacque, vanno eseguiti ordinatamente alcuni passaggi. Le funzionalità del programma sono così classificabili in 4 gruppi o moduli sviluppati consecutivamente: Installazione: l’utente sviluppa graficamente lo spartiacque configurando ingressi e uscite che descrivono il suo comportamento. Viene poi visualizzato nell’interfaccia grafica. Acquisizione: comprende i comandi per l’acquisizione, convalidazione e trasformazione dei dati forniti Visualizzazione: comprende grafici, tabelle e profili riassuntivi per la visualizzazione dei dati Modellazione: fase in cui l’utente trae i risultati di previsione, che includono orari di rilascio dei serbatoi, mappe di inondazione delle pianure alluvionali con relative conseguenze e azioni di emergenza da intraprendere.

Barra dei moduli: mostra le 4 fasi di sviluppo del modello. Ogni modulo possiede appositi strumenti e funzioni, con icone specifiche Icone di collegamento ad altri software dello stesso ente, permettono di arricchire le funzionalità del programma Rappresentazione grafica dello spartiacque, riferita alla fase di sviluppo selezionata. E’ possibile zoomare e spostarsi con il cursore. In questo esempio scaricabile dal sito, riferito ad un territorio russo, i corsi fluviali risultano già mappati. Riquadro che mostra un elenco di messaggi, relativi al trasferimento di file in input/output, errori di sistema o situazioni critiche legate al modello (inondazioni, ecc) Coordinate della mappa. Variano spostando il cursore del mouse

Creazione di uno spartiacque (Setup) All’apertura del programma, viene chiesto all’utente se caricare uno spartiacque già presente in una precisa directory, oppure crearne uno nuovo. - Descrizione facoltativa che si vuole dare - Cartella di destinazione - Scelta tra il SI o quello Inglese per le unità di misura - Selezione del file di sfondo per la mappatura, può essere inserito anche successivamente - Inserimento del sistema delle coordinate (geografiche, x-y, polari) e rispettiva unità di misura (metri, U.S feet) - Selezione del fuso orario a cui si riferisce il territorio analizzato. Quello statunitense è il predefinito Dopo questa schermata, è possibile disegnare le linee dei vari corsi fluviali direttamente su una griglia predisposta. Il primo elemento da creare nello schema è l’allineamento del flusso, che fa da «spina dorsale» per tutti gli altri elementi, mostrando la direzione principale del flusso e la presenza di confluenze e biforcazioni.

Vertice Nodi: vengono creati automaticamente all’inizio - fine di ogni percorso e all’intersezione di due flussi diversi (si parla in questo caso di giunzioni). Una regola di buon senso è quella di disegnare gli elementi di flusso a partire dall’alto verso il basso, per una più facile comprensione. La direzione del flusso stabilita è quella che segue lo sviluppo della rete. Vertici e nodi di qualsiasi flusso possono essere traslati liberamente all’interno della griglia ed essere personalizzati. E’ possibile cambiare il nome di ogni corso fluviale e il rispettivo colore, in modo da distinguere gli affluenti dal corso principale. Per una migliore aderenza, l’utente può inserire prima di procedere al disegno della rete un «Map Layers», ossia un file mappato di sfondo scaricato da Google Maps o da altri servizi di visualizzazione satellitare presenti in internet. «Località»: stazione in cui si inseriscono dati e informazioni specifici del sito, come immagini, pagine web e fogli di calcolo. Porzione di territorio visibile dopo aver completato la prima fase.

Acquisizione dei dati Nome e ora della stazione Linea verticale che indica l’inizio della simulazione fissata Una volta completata la fase di installazione, l’utente inserisce i dati di portata in ingresso e in uscita dalla stazione (che può essere intesa come un serbatoio). I dati relativi ad una singola località possono essere visualizzati su un grafico o in forma tabulare. Affinchè i dati siano convalidati, l’utente inserisce o uno specifico intervallo temporale (se vuole ottenere una revisione di eventi storici) o un intervallo di giorni (es. 14 indietro-7 in avanti). Quest’ultima soluzione è di default ed è quella utilizzata per il monitoraggio in tempo reale. Nella stessa finestra vengono convalidati i dati. Sono disponibili diversi strumenti per mostrarne la qualità (tramite barre di colore) e la quantità (es. grandezza dei dati e eventuali outliers nel range di dati). Se la barra di qualità indica che i dati in entrata non sono validi, la loro visualizzazione su grafico può aiutare a comprendere la natura del problema. E’ possibile aprire un grafico bidimensionale dei dati in arrivo in una certa stazione, indicanti l’elevazione e il flusso in ingresso (qua in piedi 3/ s) A seconda della qualità dei dati raccolti, si può creare una legenda in cui il colore rappresenta l’affidabilità dei dati (valido, discutibile, non disponibile, ecc.) Convalidazione dei dati

Visualizzazione e modellazione dei dati Il primo modulo consente la visualizzazione dei dati osservati, il monitoraggio e la valutazione dello stato attuale dello spartiacque. E’ necessario prima ridefinire una finestra temporale. Si tratta sostanzialmente di una fase riassuntiva delle precedenti. L’ultima fase, di modellazione, riguarda la gestione di alternative di previsione, la modifica di parametri del modello e la valutazione dei risultati. In particolare, dopo aver individuato i dati critici durante l’acquisizione, si crea una previsione, cioè una simulazione di processi nello spartiacque e conseguenze di inondazioni basate su dati e informazioni di input provenienti da altre applicazioni idrologiche (es. precipitazioni). I risultati di previsione includono il flusso nel canale dal deflusso spartiacque, gli orari di rilascio dei serbatoi, mappe di inondazione delle pianure alluvionali e azioni relative da intraprendere. Processi selezionabili

Considerazioni finali Aspetti negativi: Aspetti positivi: Interfaccia grafica: facile comprensione Creazione dei corsi fluviali: particolarmente efficace se accoppiata ad una mappa di fondo Caratteristiche della griglia: può essere zoomata molto da vicino ed è estesa, questo consente di creare bacini dettagliati e ben ramificati Il software è in continuo aggiornamento, e non richiede particolari requisiti hardware e software La raccolta dati richiesta non è semplice e richiede l’ausilio di strumentazioni adeguate Il programma risulta completo solo se affiancato ad altri software dello stesso ente (che presentano tutti compatibilità), specialmente nell’ultima fase del modello. Infatti alcune informazioni, come quelle relative alle precipitazioni, non sono comprese nell’eseguibile del programma, ma vanno recuperate in cartelle appartenenti ad altri software