Weather and water monitoring in the Po Basin - forecasts, modeling and organization for the defense against river floods . Astrakhan, 19 th – 20th April 2010

Hydrographical basin:71.000 Km2 Tributaries: 141 Embankments: 3.500 km Involved Regions: Piemonte, Valle d’Aosta, Lombardia, Veneto, Emilia-Romagna, Liguria

LEVEES EXTENSION IN THE PO RIVER CATCHMENT Anno Estensione 1878 1574 km 1930 2263 km 2010 3500 km La diminuzione della frequenza dei fenomeni di rotta in seguito agli interventi di consolidamento dei rilevati arginali nel tempo effettuati e la crescente estensione verso monte dello sviluppo delle stesse arginature con la conseguente sottrazione di porzioni significative di pianura alluvionale ai processi di laminazione della piena, ha comportato un progressivo e significativo aumento dei livelli e delle portate defluenti lungo l’asta. Tale fenomeno è documentato confrontando a partire dal 1800 il progressivo aumento dello sviluppo delle arginature dell’asta del Po e l’entità dei livelli di piena osservati alla stazione di Pontelagoscuro LEVEES EXTENSION IN THE PO RIVER CATCHMENT

LEVELS RECORDED IN MAXIMUM FLOWS IN THE LAST TWO CENTURIES hydrometric levels ( m. a. s.l.) 1800 1900 2000 Hydrometric station of Piacenza Dates (d/m/y) Integrazione dati da: M. Govi e O. Turitto - CNR IRPI

SAFETY MEASURES IN THE PO DELTA AREA IN THE LAST 50 YEARS Ma il progressivo aumento delle quote di sommità delle arginature, effettuato nel corso degli anni per fronteggiare l’innalzamento costante dei livelli, ha comportato il raggiungimento su gran parte dell’asta inferiore del Po di condizioni limite strutturali non più significativamente aumentabili EVOLUTION OF EMBANKMENTS

SYSTEM MODELING for flood forecasting In April 2005, well before the time requirements set out by the 2007/60/EU European regulation, local authorities signed an agreement to build a modeling system to forecast Po River floods.   In June 2005, was approved the text of the Memorandum of Understanding "Unified exploratory and control activity of water balance aimed at preventing exceptional droughts in the Po River basin”. The goal was to forecast the potentially critical situations due to resource shortage resulting from exceptional drought events in the River Po water basin PO river basin authority Italian register of dams Regions of Emilia–Romagna, Lombardy, Liguria, Piedmont, Valle d’Aosta and Veneto Operator of the Terna National transmission network Regulation bodies of lakes (relevant consortia and AIPO) National Reclaiming and irrigation association (ANBI) Hydroelectric power generation companies Signatory bodies

SYSTEM MODELING for flood forecasting Project objectives: develop a suitable planning and management modeling system; develop a modeling system suitable for forecasting of real-time applications; support the organization in advance of flood services as well of all soil defense actions, including civil protection measures for emergency management. Il progetto nasce dal concorso e dalla sinergia delle Amministrazioni Pubbliche che operano nel Bacino del Po, con l‘obbiettivo comune di migliorare le conoscenze e conseguentemente il grado di sicurezza delle popolazioni rivierasche. L‘accordo ha l‘obiettivo di assicurare, attraverso il coordinamento dei sistemi esistenti, un approfondito livello di conoscenza, di monitoraggio e di previsione del fiume Po, con particolare riferimento agli eventi meteorologici e idrologici, sia in fase ordinaria che straordinaria, legati cioè al verificarsi di eventi critici, a rischio idrogeologico rilevante. L’impegno dell’Agenzia in questo progetto è strategico per lo svolgimento del Servizio di Piena e Pronto intervento idraulico disciplinati dal T.U. n. 523 del 1904, dal R.D. 2669/1937s.m.i. sulle opere idrauliche classificate in I^, II^, e III^ cat. (circa 3600 km di arginature) e DPCM 27/02/2004 e sm.i..

MODELING SYSTEM for water resource management Modeling for the forecasting, the simulation and control of droughts of the Po river, capable of providing adequate support for decisions to be made at the basin level. The modeling system allows: § Simulation of availability and use of water resources in the different water regime conditions § Definition of schemes for the water balance and methodology for the water resource management La gestione del fiume Po in conformità alla Direttiva Quadro sulle acque (2000/60) richiede il rispetto di una percentuale di deflusso minimo vitale durante l’intero anno al fine di garantire una sufficiente diluizione degli effluenti. Annate come il 2003, il 2005 e il 2006, caratterizzate da particolari situazioni meteoclimatiche che hanno determinato contemporaneamente scarsità di risorsa ed elevati valori di prelievo idrico, hanno imposto sollecitazioni eccezionali all’intero sistema del bacino fluviale durante il periodo estivo, non potendo l’incremento della domanda essere soddisfatto dal flusso residuale del fiume Po. In base ai recenti studi sugli scenari di cambiamento climatico, gli eventi idrologici estremi possono diventare più frequenti, accrescendo i fenomeni di magra o di piena fluviale: ma mentre le piene possono essere previste accoppiando modelli meteorologici, idrologici e idrodinamici operando su orizzonti di previsione di qualche giorno, le magre e i relativi problemi di distribuzione idrica necessitano al contrario di un periodo di studio su scale più lunghe (decadali o mensili).

The system can be used for: Long-term basin planning: preparation of basin plans in the medium and long term, such as time frames from 10 to 25 years Planning of resource allocation in the short term (six month or annual): preparation of seasonal operational plans for the basin Preparation of seasonal operations: during the seasons based on the actual situation on the field, on the precipitation and on updated forecasts it is possible to plan the resource allocation for the following weeks or months Il sistema fornirà i dati necessari all’organizzazione delle attività di pianificazione e gestione delle risorse idriche necessarie a fronteggiare le situazioni d’emergenza. Il sistema integrato verrà impiegato per fornire alle autorità, ai soggetti istituzionali ed agli organi territoriali preposti alla gestione dell’emergenza idrica le informazioni relative all’insorgenza ed evoluzione del rischio di siccità, legate al manifestarsi di eventi particolarmente siccitosi tali da generare situazioni di desertificazione per il territorio nonché di disagio per le attività antropiche. Nel modello RIBASIM sono compresi scenari di simulazione “What-if” (“Cosa succederebbe se...”) che comportano diverse situazioni di precipitazione o derivazione dell’acqua. Esempi di scenari di simulazione possono essere i seguenti: Cosa può succedere se aumentano le aree irrigate, o se si cambia conduzione colturale (ad esempio immettendo una specie idroesigente come l’actinidia in un’area dove c’era erba medica)? Come si deve modificare l’allocazione della risorsa in base a uno scenario futuro di diminuzione delle precipitazioni o di aumenti notevoli delle temperature nel periodo estivo (cambiamenti climatici in generale)? Fornendo le risorse idriche disponibili e le loro variazioni naturali, fino a che estensione un bacino fluviale si può sviluppare in termini di serbatoi, di schemi irrigui, di sistemi di approvvigionamento idrico, evitando tagli inaccettabili per i vari utenti?

SCHEMATIC OVERVIEW OF THE PO PROJECT HEC-HMS MIKE11 NAM TOPKAPI HEC-RAS MIKE11 HD SOBEK/PAB HMS/NAM/TOPKAPI RAS/MIKE11/SOBEK/PAB First chain Second chain Third chain User config chain METEOROLOGICAL MODELS RAINFALL TEMPERATURE LEVEL/DISCHARGE Observed/Telemetry LM/Ensemble VALIDATION, INTERPOLATION AND TRANSFORMATION DATA

HYDROLOGICAL MODELS mike11-nam hec-hms topkapi Nam is a lumped, conceptual rainfall-runoff model simulating overland flow, interflow and baseflow as a function of the water storage in each of four mutually interrelated storages representing the storage capacity of the catchment.. The Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) is designed to simulate the precipitation-runoff processes of dendritic watershed systems. The program is a generalized modeling system capable of representing many different watersheds. A model of the watershed is constructed by separating the hydrologic cycle into manageable pieces and constructing boundaries around the watershed of interest. The watershed is rapresented with a seris of storage layers: Canopy-interception storage Surface-interception storage Soil-profile storage Ground storage TOPKAPI is a physically-based and fully-distributed hydrologic model with a simple and parsimonious parameterisation. The model is structured around following modules: interception, snowmelt, evapotranspiration, infiltration, percolation, sub-surface flow, surface flow, groundwater flow and channel flow.

HYDRODINAMIC MODELS mike11-hd hec-ras sobek MIKE11 consist of a hydrodynamic core module and a number of add-on modules, each simulating certain phenomena in a river system. The complete non-linear equations of open channel flow (Saint-Venant) is solved numerically between all grid points at specified - and adaptive - time intervals for given boundary conditions (Preissmann scheme) . The software HEC-RAS “River Analysis System”, developed by U.S. Army Corps of Engineers, allows to perform one-dimensional steady and unsteady flow hydraulics. The procedura for solving the one-dimensional unsteady flow equations is the four point implicit scheme also known as the box scheme.

Unitary environment: FEWS Validation Module Data Transformation and (dis)aggregation Module Unitary environment: FEWS Correlation Module HTML Report Module Lookup table module Main map display Flood Mapping Module Time Series display

FEWS system real time monitoring data input 588 Water level gauges 1014 Rain gauges 756 Temperature gauges

Observed precipitation

Observed temperature

Meteosat Po basin

Radar precipitation

LAMI rainfall forecast

LAMI temperature forecast

Shortcuts

AN OPERATIONAL MODELLING SYSTEM FOR WATER RESOURCE MANAGEMENT

DEWS – Drought Early Warning System TOPKAPI PRECIPITATION TEMPERATURE LEVEL/DISCHARGES METEOROLOGICAL MODELS Observed/Telemeasure LM/Seasonal Forecasts VALIDATION, INTERPOLATION E DATA TRANSFORMATION (DEWS) RIBASIM

Hydraulic model: RIBASIM (RIver BAsin SIMulation)