Il modello cinematico di deflusso ed erosione KINEROS 2 è un modello fisicamente basato che descrive i processi di intercettazione, infiltrazione, deflusso.

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1 Il modello cinematico di deflusso ed erosione KINEROS 2 è un modello fisicamente basato che descrive i processi di intercettazione, infiltrazione, deflusso superficiale ed erosione da piccoli bacini agricoli e urbani. Il bacino idrografico viene rappresentato da una cascata di piani e di canali e le equazioni alle derivate parziali utilizzate dal programma che descrivono il flusso di terra, il flusso dei canali, l’erosione e il trasporto di sedimenti, vengono risolte con tecniche alle differenze finite. Questo modello può essere quindi utilizzato per determinare gli effetti dei diversi elementi artificiali, come gli sviluppi urbani, piccoli serbatoi di detenzione, o canali rivestiti per alluvioni e la resa dei sedimenti. Matteo Giubertoni

2 Un’interfaccia a disposizione dell’utente, il sistema informativo geografico (GIS), l'Automated Geospatial Watershed Assessment (AGWA), è stata introdotta nel 2002 per facilitare la parametrizzazione e la calibrazione del modello, dato che permette l’utilizzo di un set di dati territoriali disponibili a livello internazionale per delineare il bacino idrografico, suddividerlo in elementi del modello, e derivare tutti gli ingressi dei parametri necessari per ogni elemento. AGWA permette anche la visualizzazione spaziale ed il confronto dei risultati, e consente quindi la valutazione degli impatti idrologici connessi al cambiamento del paesaggio. KINEROS2 prende origine presso il Dipartimento dell'Agricoltura statunitense (USDA), Agricultural Research Service (ARS) Southwest Watershed Research Center (SWRC) nella fine del 1960 come un modello (KINGEN) indirizzato allo studio del deflusso dai pendii delle colline. E’ stato poi successivamente modificato per includere l'erosione e il trasporto dei sedimenti e una serie di ulteriori miglioramenti, ed è stato pubblicato nuovamente nel 1990 nella sua versione KINEROS. Ricerche successive hanno portato a ulteriori miglioramenti del modello e a una struttura più robusta, che sono stati incorporati nella versione più recente: KINEROS2 (K2). K2 è un software pen source ed è distribuito gratuitamente via Internet, insieme con la documentazione associata.

3 KINEROS usa equazioni di cinematica unidimensionale per simulare il flusso su piani rettangolari e trapezoidali attraverso canali aperti, condotte circolari e stagni di detenzione di piccole dimensioni. Le perdite di trasmissione dei canali sono già incluse e l’algoritmo di infiltrazione è dinamico, interagendo sia con le piogge che con le acque superficiali in transito.

4 In KINEROS2, il modello concettuale è una matrice di elementi spazialmente distribuiti, che configura in modo efficace il bacino idrografico in un insieme di forme geometriche semplici (piani di scorrimento superficiale rettangolari, canali trapezoidali prismatici aperti, ecc), orientate in modo che il flusso mono-dimensionale possa essere assunto. Una suddivisione tipica, dalla topografia di elementi del modello, di un piccolo bacino nella Noce USDA-ARS Guch sperimentale è illustrato nella figura sottostante.

5 Bisogna quindi suddividere il bacino idrografico in scorrimento superficiale ed elementi a canale aperto, in genere utilizzando una mappa topografica come quella sopra riportata, partendo dal determinare la portata della rete dei canali da modellare, il che permette anche di determinare il numero minimo di elementi di scorrimento superficiale. Possono quindi essere ulteriormente suddivise per riflettere variazioni sostanziali nei terreni la pendenza, la vegetazione e l’uso del suolo. Ogni elemento viene poi assegnato ad adeguati valori di parametri che descrivono la sua geometria, l’idraulica, e le caratteristiche di infiltrazione ed erosive, così come i suoi legami con gli elementi vicini.

6 Inoltre, la suddivisione definita dall'utente, può essere fatta per isolare porzioni distinte del bacino idrologico, se desiderato (ad esempio, vaste aree impervie, bruschi cambiamenti di pendenza, tipo di suolo, o rugosità idrauliche, etc.) . I processi idrologici che possono essere rappresentati con KINEROS2 sono molteplici: ad esempio l’intercettazione, che riduce l’intensità delle precipitazioni a simulare una parziale copertura della vegetazione, l’umidità del suolo, che approssima la distribuzione dell’acqua del suolo durante una pausa delle precipitazioni, l’infiltrazione durante le piogge, ecc. Il modello tiene in conto di diverse componenti: Flusso via terra: la comparsa di acqua libera stagnante sulla superficie del suolo, dà luogo a deflusso in direzione della pendenza locale. Le piogge sono in grado di produrre ristagni in base a due meccanismi: il primo meccanismo prevede un tasso di precipitazioni che supera la infiltrabilità del suolo in superficie, mentre il secondo meccanismo si verifica quando uno strato di terra più profondo nel suolo limita il flusso verso il basso e lo strato superficiale riempie la sua porosità disponibile.

7 Visto su scala molto piccola, lo scorrimento superficiale è un processo tridimensionale estremamente complesso. A più vasta scala tuttavia, può essere visto come un processo di flusso mono-dimensionale. Canali: il flusso di superficie libera in canali è rappresentata dall’approssimazione cinematica per le equazioni del moto vario. Varia nel tempo l’afflusso laterale da elementi terrestri di portata su uno o entrambi i lati del canale, da uno o due canali al confine a monte, o da una zona al confine a monte. Le dimensioni delle unità di scorrimento superficiale vengono scelte per coprire completamente il bacino, in modo che le precipitazioni sul canale non vengano considerate direttamente. L’infiltrazione del suolo: KINEROS2 contiene un nuovo modello di infiltrazione nel suolo che consente una specificazione più dettagliata del profilo del terreno per ogni elemento idrologico, compresa la specificazione delle caratteristiche del letto di un canale infiltrante. La nuova formulazione consente una nuova approssimazione fisicamente basata per la redistribuzione delle acque nel suolo, compreso il recupero della capacità di infiltrazione nel corso di un periodo di pausa, e un metodo più accurato che determina il tasso di infiltrazione a seguito di una pausa. Il modello di infiltrazione nel suolo è un'estensione del modello utilizzato in KINEROS, che descrive la capacità d’infiltrazione in funzione della profondità infiltrata. Erosione e trasporto di sedimenti: KINEROS è anche in grado di simulare il movimento del suolo eroso insieme al movimento delle acque di superficie. Vengono fatti i conti separati sia per l'erosione causata dall’energia della goccia di pioggia che per l'erosione causata dall’acqua che scorre, e continua la simulazione attraverso

8 il canale e gli elementi di stagno.
Pioggia: i dati di pioggia sono inseriti come profondità accumulata nel tempo oppure come intensità nel tempo. Una coppia tempo-profondità definisce semplicemente la pioggia totale accumulata fino a quel momento mentre una coppia tempo-intensità definisce il tasso di precipitazioni fino alla coppia di dati successiva. La piovosità è modellata come spazialmente uniforme su ogni elemento, ma varia tra gli elementi se vi è più di un calibro di pioggia. La variabilità spaziale e temporale delle precipitazioni è espressa per interpolazione. KINEROS2 è un modello molto diffuso e utilizzato grazie alla sua semplicità nella previsione del deflusso e del trasporto dei sedimenti. MATTEO GIUBERTONI