grado 2016-05-19 - hazard and hydorlogical modelling

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Metodi e strumenti per la previsione operativa dei flussi idrologici Rigon R., Bancheri M., Abera W., Serafin F., Tasin S., Formetta G. Grado, 19 Maggio 2016 Giuseppe Penone

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Page 1: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

Metodi e strumenti per la previsione operativa dei

flussi idrologici

Rigon R., Bancheri M., Abera W., Serafin F., Tasin S., Formetta G.

Grado, 19 Maggio 2016

Giu

sep

pe

Pen

on

e

Page 2: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!2

E 'ndéveno cussì le vele al vento lassando drìo de noltri una gran ssia, co' l'ánema in t'i vogi e 'l cuor contento sensa pinsieri de manincunia.

Biagio Marin, 1912

Un piccolo omaggio a Grado

Page 3: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!3

Esondazioni Franamento Inquinamento Magre …..

Ad ogni pericolo la sua modellazione

Quale pericolo ?

Rigon et al.

Page 4: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!4

Ad ogni pericolo la sua modellazione

Esondazioni

Una “catena” di previsione moderna: Arpa Emilia

HEC-HMS MIKE11-NAM TOPKAPI

HEC-RAS MIKE11-HD SOBEK/PAB

HMS/NAM/TOPKAPI

RAS/MIKE11/SOBEK/PAB

Prima catena

Seconda catena

Terza catena

Catena config dall’utente

MODELLI METEOROLOGICI

PRECIPITAZIONITEMPERATURALIVELLO/PORTATA

Osservati/Telemisura

LM/Ensemble

VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONEE TRASFORMAZIONE DATI

Schema del progetto FEWS Po

Rigon et al.

Page 5: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!5

Ad ogni pericolo la sua modellazione

No data no party

L’aspetto dei dati

HEC-HMS MIKE11-NAM TOPKAPI

HEC-RAS MIKE11-HD SOBEK/PAB

HMS/NAM/TOPKAPI

RAS/MIKE11/SOBEK/PAB

Prima catena

Seconda catena

Terza catena

Catena config dall’utente

MODELLI METEOROLOGICI

PRECIPITAZIONITEMPERATURALIVELLO/PORTATA

Osservati/Telemisura

LM/Ensemble

VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONEE TRASFORMAZIONE DATI

Schema del progetto FEWS Po

18/05/2016 DELFT-FEWS Configuration Course 10

Module Config Files• Contains configurations of all modules used to process/handle/manipulate data – these are

the functional elements

• The list of module instances in DELFT-FEWS includes;– Interpolation Module– Transformation Module– Import Module– Export Module– General Adapter Module– Lookup Table Module– Correlation Module– Error Correction Module– Report Module– Report Export Module– Performance Indicator Module

Rigon et al.

Page 6: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!6

Diciamo che il problema dei dati c’è sempre, mutata mutandis, in tutte le forme di pericolo.

Chi ci deve pensare ?

Rigon et al.

Page 7: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!7

Ad ogni pericolo la sua modellazione

Modelli idrologici e modelli idraulici

L’aspetto dei modelli

HEC-HMS MIKE11-NAM TOPKAPI

HEC-RAS MIKE11-HD SOBEK/PAB

HMS/NAM/TOPKAPI

RAS/MIKE11/SOBEK/PAB

Prima catena

Seconda catena

Terza catena

Catena config dall’utente

MODELLI METEOROLOGICI

PRECIPITAZIONITEMPERATURALIVELLO/PORTATA

Osservati/Telemisura

LM/Ensemble

VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONEE TRASFORMAZIONE DATI

Schema del progetto FEWS Po

18/05/2016 DELFT-FEWS Configuration Course 10

Module Config Files• Contains configurations of all modules used to process/handle/manipulate data – these are

the functional elements

• The list of module instances in DELFT-FEWS includes;– Interpolation Module– Transformation Module– Import Module– Export Module– General Adapter Module– Lookup Table Module– Correlation Module– Error Correction Module– Report Module– Report Export Module– Performance Indicator Module

Rigon et al.

Page 8: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!8

Adige

• Implementa Hymod and e un meccanismo di suddivisione dei sottobacini che usa l’algoritmo di Pfastetter.

E possibile che la prossima versione sia suddivisa in parti.

Ad ognuno la sua catena modellistica

Rigon et al.

Formetta et al., 2011

Page 9: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!9

• Implementa un modello a serbatoi non lineari: può interagire con varie altre componenti

SwB

Rigon et al.

Rigon et al., 2016

Ad ognuno la sua catena modellistica

Page 10: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!10

deSaintVenant

• Integra l’ equazione de Saint-Venant 1D e (è parte dei Jgrasstools)

Rigon et al.

http://abouthydrology.blogspot.it/search/label/de%20Saint-Venant%20equation

Ad ognuno la sua catena modellistica

Page 11: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!11

Franamento

Si determina la quantità e la

posizione del detrito/suolo

Si applica un modello idrologico di deflusso

nei versanti

http://www.geotop.org/wordpress/ 11

Rigon et al.

Altro giro, altra corsa !

Page 12: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!12

Si determina il contenuto d’acqua

del suolo

Si applica un modello di stabilità del

versante

Si determina il deflusso superficiale

Si determina la portata liquida

subsuperficiale + superficiale

Si determina quale parte del detrito/suolo è instabile

Rigon et al.

Un riquadro, un’operazione non banale !

Page 13: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!13

Una simulazione

La p

rob

abil

ità

di

fran

amen

to

13

Rigon et al.

Page 14: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!14

Si calcolano le portate liquide e solide in

entrata nei punti di interesse

Si usano le informazioni su

portata liquida e solida come input a

modelli idraulici

http://simidra.com/trent2d-workspace/trent-2d-ts/

14

Rigon et al.

E (solo poi) poi l’idraulica

Page 15: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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Visita tecnica Università di Trento – 17/05/2016

Situazione idrologico-idraulica del 23/02/2010:

•Nessun corso d’acqua in allerta/allarme

•Situazione ordinaria sugli affluenti

•Stato di esaurimento di onda di piena da 3000 m3/s sull’asta Po

Rigon et al.

Non mio, ma esemplificativo

Page 16: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!16

Visita tecnica Università di Trento – 17/05/2016

Sulla base della modellistica a disposizione è stata stimata la traslazione della massa d’acqua tenendo conto della velocità della corrente.

Rigon et al.

Non mio, ma esemplificativo

Page 17: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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Ma se si trattasse di sorgenti diffuse ?

es. Nutrienti (azoto, fosforo …)

Cin

Cout

Benettin, 2015

Rigon et al.

Altre sostanze, altre immissioni

Page 18: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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• Implementano modelli per il calcolo delle distribuzioni di probabilità dei tempi di residenza: può interagire con varie altre componenti

BP

FP

Botter et al., 2010, 2011

Backward Probability of travel times

Forward Probability of travel times

Rigon et al.

Altre componenti

Page 19: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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Time out !

Il tempo nelle precedenti è il tempo continuo, ma spesso il temp dell’ingegnere è il tempo di ritorno

Milly et. al., 2008

Rigon et al.

Non ci facciamo mancare nulla

Page 20: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!20

Sì, ancora la neve

...

Che sarà della neve, del giardino, che sarà del libero arbitrio e del destino e di chi ha perso nella neve il cammino ....

Andrea Zanzotto (La beltà, 1968)

La neve

Rigon et al.

Occhio non vede cuore non duole ?

Page 21: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!21

• Implementa un “degree-day”, il metodo di Casorzi-Dalla Fontana e quello di Regina Hocks. Necessita del calcolo della radiazione

Snow

What is there

Rigon et al.

Formetta et al. 2014

Page 22: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!22

Ma anche

Rigon et al.

http://www.mysnowmaps.com/it/

Page 23: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!23

Acque sotterranee acque superficiali

Cordano e Rigon, 2010

Rigon et al.

Occhio non vede cuore non duole ?

Page 24: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!24work in progress: https://github.com/ecor/boussinesq

Boussinesq

• Implementerà l’integrazione dell’equazione di Boussinesq risolta simultaneamente con l’equazione delle shallow waterCasulli, 2015

Rigon et al.

Siamo fiduciosi nell’imminente futuro

Page 25: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!25

E allora ?

R. Rigon

Vogliamo soluzioni!G

iuse

pp

e Pen

on

e

Page 26: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!26

Mod

ified

from

Riz

zoli

et a

l., 20

05

R. Rigon

Software Engineering Solutions

Sviluppo di modelli a componenti. Gli oggetti, modelli e dati, dovrebbero essere incapsulati in componenti, che espongono, per il loro riutilizzo, solo le loro funzioni più importanti. Librerie di componenti possono allora essere riutilizzate e integrate efficientemente in “frameworks” di moderazione.

(relativamente) Nuovi paradigmi per la modellazione

Page 27: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!27

R. Rigon

Components

Page 28: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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Discrete units of software which are re-usable even outside the framework, both for model components and for tools components.

Accesso trasparente ai dati, che sono resi indipendenti dal tipo di database.

Un gran numero di strumenti (per le simulazioni, la calibrazione, la verifica, etc.) che l’utente sarà libero di usare (inclusi vari sistemi di modellazione).

R. Rigon

Benefits (solo alcuni)

Per maggiori dettagli qui e qui

Unità di software discrete, che sono riusabili, anche al di fuori del loro framework di origine, per costituire soluzioni modernistiche molto flessibili

Page 29: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!29

http://geoframe.blogspot.com

Rigon et al.

Page 30: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!30

CHAPTER 4. ESTIMATING BASIN WATER BUDGETS INPUTS WITHJGRASS-NEWAGE

water budget equation over an appropriate control volume, k:

(4.1)@Sk(t)@t

= Jk(t)+X

iQki(t)°ETk(t)°Qk(t)

for an appropriate set of elementary control volumes connected together. In Eq.(5.1),S [L3] represents the total water storage of the basin, J [L3 T°1], ET [L3 T°1], and Q[L3 T°1] are precipitation, evapotranspiration, and runoff (surface and groundwater)respectively. The Qis represent input fluxes, of the same nature of Q, coming fromadjacent control volumes.

ab

Figure 4.1: The location of the Posina basin in the Northeast of Italy (a) and DEM elava-tion, location of rain gauges and hydrometer stations, subbasin-channel link partitionsused for this modelling (b).

It is clear that Eq.(5.1) is governed by two types of terms, which can be easily identi-fied as “inputs" and “outputs". The outputs are certainly evapotranspiration, ET, anddischarges, Q, including the Qis, because they come from the assembly of control volumes.The inputs are J(t), but this term has to be split into rainfall and snowfall. Moreover,other inputs are ancillary to the estimation of outputs, in particular temperature, T andradiation Rn. Another input of the equation is the definition of the domain of integrationand its“granularity", i.e. its partition into elements for which a singe value of the statevariables is produced.

In this paper we discuss the estimation of all of these input quantities, with thescope to obtain a methodology that is generally applicable, following and expanding

56

Posina

Un piccolo bacino (114 km2) in provincia di Vicenza

A small basin

Abera, 2016

Rigon et al.

Page 31: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!31

CHAPTER 5. ESTIMATING WATER BUDGET MODELLING OUTPUTS ANDSTORAGE COMPONENT

parameters of the model can be interpreted as the mean travel time in each of the surfaceand subsurface compartments of the hydrological cycle.

The NewAge Hymod component is applied to any HRU, in which the basin is subdi-vided and the total watershed discharge is the sum of the contribution of the HRUs. Thissum can include (or not include) the delay due to routing from the HRUs outlet to thebasin outlet, but in this application we excluded it because at these scales (of around tenkilometers) travel time in channels is irrelevant (D’Odorico and Rigon, 2003). Eventuallythe Hymod component provides an estimate of the discharge at each link of the rivernetwork of the watershed, downstream to the HRUs.

ADIGE

Figure 5.2: The HYmod component of NewAge system and its input providing compo-nents. It shows how different components are connected, here kriging, SWE, ETP, andcalibration component connected with Adige to solve the runoff at high spatial andtemporal resolution. The detail discussion about each component can be referred at itsrespective section.

The first part of the simulation analysis is to evaluate the effects of four precipitationdata set generated using four krigings on the runoff calibration and modelling results.So HYMOD parameters are calibrated for all the four precipitation data sets for fiveyears (1994-1999), using LUCA as optimization tool. The simulation from 2000-2012 is

90

La calibrazione del modello

Schemi di lavoro

Abera, 2016

Rigon et al.

Page 32: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!32

CHAPTER 5. ESTIMATING WATER BUDGET MODELLING OUTPUTS ANDSTORAGE COMPONENT

This could have been deduced from the data alone, However, seeing it with the otherbudget components enlighten the complexity of the interactions actually in place.

0

100

200

300

400

500

01

-201

2

02

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2

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2

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2

09

-201

2

10

-201

2

11

-201

2

12

-201

2

Date(month)

Q,E

T,S

(mm

/mon

th)

Q

ET

S

0

100

200

300

J (m

m/m

onth

)

Figure 5.12: The same as figure 5.11, but monthly variability for the year 2012.

106

Monthly budget (temporal)JGrass-NewAGE calcola bilanci idrologici

Abe

ra e

t al,

in p

repa

ratio

n, 2

016b

Rigon et al.

Page 33: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!33

Events

Gai eventi di piena e di magra sono riprodottiA

bera

et a

l, in

pre

para

tion,

201

6b

Rigon et al.

Page 34: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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6.1. INTRODUCTION

10

20

30 40 50Long

Lat

a

8

9

10

11

12

13

36 38 40Long

Lat

1000

2000

3000

4000Elevation(m)

Lat

Station

Lake Tana

b

Figure 6.1: The geographic location of Upper Blue Nile basin in the Nile basin (a) anddigitale elevation model of the basin (b). The points in figure b are the meteorologicalstations used for this study.

Several validation studies of SREs have been conducted in the Ethiopian UBN basin(Dinku et al., 2007, 2008; Haile et al., 2013; Gebremichael et al., 2014; Worqlul et al.,2014; Romilly and Gebremichael, 2011; Hirpa et al., 2010; Habib et al., 2012). Forinstance, two comparative studies by Dinku et al. (2007) and Dinku et al. (2008) on hightemporal (less than and equal to 10 days) and spatial (less than or equal to 10) resolutionproducts shows that CMORPH, TAMSAT (Grimes et al., 1999) and TRMM 3B42 (thegauge-corrected version of TMPA products, Huffman et al. (2007)) are three SREs withgood accuracy and potentially useful for hydrological applications in the region. Dinkuet al. (2008) reported that CMORPH works better in Ethiopia than other regions ofAfrica, while Haile et al. (2013), studying the accuracy of CMORPH over a subbasin ofUBN basin for three months, found poor accuracy with respect to other regions. Morerecently, Gebremichael et al. (2014), by designing experimental rain gauges for twosummer seasons in two experimental locations (one in the lowlands and one in thehighlands) of the UBN basin, examined the accuracy of three high-resolution satelliterainfall products (CMORPH, TRMM 3B42RT - the real-time version of TMPA - andTRMM 3B42). Regarding the relationships between SREs goodness-of-fit values andtopography (particularly elevation) of the experimental sites, SREs overestimate themean rainfall rate in the lowlands and, vice versa, underestimate at the highland site.

113

Blue Nile (175000 Km2)

Se pensiamo un po’ più in grandeA

bera

et a

l, in

pre

para

tion,

201

6c

Rigon et al.

Page 35: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!35

7.3. METHODOLOGY

We divide the UBN basin into 402 subbasins and channel links as shown in figure 7.2.This spatial partitioning may not be the finest scale possible, however, considering thesize of the basin, it can be considered an acceptable compromise to capture the waterbudget spatial variability.

ADIGE: Rainfall-runoff

Figure 7.3: Workflow with a list of NewAge components (in white), and remote sensingdata processing parts (gray shaded, not yet included in JGrass-NewAGE but performedwith R tools) used to derive the water budget of UBN. It does not include the componentsused for the validation and verification processes.

7.3.2.1 Precipitation J(t)

Regards to the input term of Eq. 7.1 (J(t)), the spatio-temporal precipitation, it is quan-tified based on RS-based approaches (chapter 6). Different satellite rainfall estimates(SREs) available for varied accuracy and purposes. The use of SREs and lists productsthat can be used in hydrological applications can be found elsewhere in literature (Honget al., 2006; Bellerby, 2007; Huffman et al., 2007; Kummerow et al., 1998; Joyce et al.,2004; Sorooshian et al., 2000; Brocca et al., 2014). Regardless of the recent advancementof rainfall retrieval algorithm, SREs are still subjected to significant uncertainty due tovarious factors including sensor problem, infrequent satellite overpasses, large spatio-temporal scale, and retrieval algorithm (Hong et al., 2006; AghaKouchak et al., 2009;Hossain et al., 2006).

141

The Modelling Solutioncalibration phase

Schema di lavoroA

bera

et a

l, in

pre

para

tion,

201

6c

Rigon et al.

Page 36: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!36

Discharges

Lavoriamo alla scala giornalieraA

bera

et a

l, in

pre

para

tion,

201

6c

Rigon et al.

Page 37: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

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Rigon et al.

Ci sarebbero molti altri temi da toccare

Interazioni tra modelli e ruolo:

Tecnico Politico Cittadino

I pericolo non viene mai da solo: come si combinano EU 2000/60 ed EU 2007/60

La modellazione è un’azione complessa. Chi fa cosa ? Cosa dovrebbero fare le amministrazioni, cosa l’Università, cosa le società di ingegneria ?

Page 38: Grado 2016-05-19 - Hazard and Hydorlogical Modelling

!38

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Rigon et al.