Corso Pat Jgrasspeakflow 2008 10 23
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Semi distributed hydrological model integrated in JGrass: introduction and how to use it (Italian).

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Corso Pat Jgrasspeakflow 2008 10 23 Corso Pat Jgrasspeakflow 2008 10 23 Presentation Transcript

  • PROVINCIA AUTONOMA DI TRENTO Servizo Bacini Montani Analisi idrologica in JGrass: Peakflow TRENTO, DATA LEZIONE
    • modello Shalstab
    • preparazione dati ed esecuzione del modello Peakflow
    SOMMARIO
  • Shalstab
    • Nasce dall’unione di un modello di stabilità dei pendii con un modello idrologico semplificato per stimare l'altezza della falda sospesa.
    • Utilizza il modello del pendio infinito in quanto nelle frane superficiali
    • gli spessori di terreno coinvolti sono modesti,
    • la superficie di scivolamento è quasi-planare,
    • l'eventuale falda sospesa scorre all'incirca parallela alla superficie di scorrimento
    • queste condizioni sono compatibili con le assunzioni fatte usando il
    • pendio infinito
  • Shalstab A/b Area contribuente per unità di lunghezza Rapporto delle densità suolo-acqua Pendenza Angolo di attrito interno T Trasmissività
  • Shalstab Possiamo suddividere il territorio in 4 categorie:
    • Zone incodizionatamente instabili se 
    2) Zone incodizionatamente stabili se tan  3) Zone stabili se 4) Zone instabili se 
  • h.shalstab
    • Implementa una versione del modello di Shalstab utilizzando un modello idrologico semplificato ed il modello del pendio infinito per valutare il coefficiente di stabilità.
    • Le variabili considerate sono:
    • area contribuente in un punto
    • b lunghezza della curva di livello nel punto
    • S densità del suolo
    • w densità dell'acqua
    • pendenza del terreno lungo le direzioni di drenaggio
    • angolo di attrito
    • T trasmissività del suolo
    • q precipitazione effettiva
  • h.shalstab
  • h.shalstab
  • h.shalstab
  • h.shalstab Valori plausibili per i parametri del modello sono riportati in tabella.
  • IDROGEOMORFOLOGIA: PEAKFLOW
    • È un modello idrologico semidistribuito integrato in JGrass. Lavora utilizzando come base l'approccio GIUH e calcola sia la portata massima che la durata della precipitazione che massimizza la portata.
    • La teoria su cui si basa è quella:
    • idrogramma unitario istantaneo
    • l'assunzione che gli ietogrammi di precipitazione hanno intensità costante durante l'evento
    • L'approccio all'idrogramma unitario istantaneo geomorfologico GIUH viene affrontato utilizzando la funzione d'ampiezza.
  • PEAKFLOW: Descrizione del modello
    • È un modello idrologico semidistribuito:
    • lavora a scala d'evento
    • è stato pensato per il calcolo delle precipitazioni massime
    • considera la pioggia costante nell'intervallo di simulazione
    • calcola la durata di pioggia che massimizza la portata alla chiusura
    • calcola la portata massima per l'evento considerato
  • PEAKFLOW: Parametri necessari
      • Analisi pluviometrica
        • Parametri pluviometrici a e n
      • Analisi idraulica
        • Velocità nei canali
        • Parametro di diffusione
      • Analisi geomorfologica
        • Funzione d'ampiezza
        • Percentuale satura di bacino
        • Rapporto tra velocità nei canali e nei versanti
  • PEAKFLOW: Schema di funzionamento Gradient TCA/Ab Topindex Rete idrografica Aree sature Aree non sature Distanze riscalate Funz. ampi sup Funz. ampi sub Peakflow Q_sub Q_sup Q_tot Analisi piogge a, n
      • depittare il file delle elevazioni
      • garantire un percorso di drenaggio a una particella posta in qualsiasi punto della superficie
      • estrarre i limiti del bacino
      • stabilire la sezione di chiusura alla quale verrà calcolata la portata
    PEAKFLOW: Operazioni preliminari
      • Esprime la tendenza di un pixel a saturarsi
      • Aree con valori elevati di indice topografico si saturano prima di aree a basso indice topografico
      • Dipende solo dalla morfologia
      • Discrimina i siti che danno deflusso superficiale da quelli che danno solo contributo subsuperficiale
      • È proporzionale al rapporto tra area cumulata nel pixel e pendenza
    PEAKFLOW: Indice topografico
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
      • ritagliare sul bacino estratto le mappe
                      • pendenze
                      • tca
                      • direzioni di drenaggio
                      • reticolo idrografico
                • il comando da usare è nel map calculator
                • mybasin_slope=if(mybasin,slope,null())
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
      • La scelta di ritagliare le mappe sulla maschera del bacino estratto non è casuale.
      • Le opzioni di lavoro sarebbero due:
                      • rifare i calcoli delle grandezze principali sul DTM del bacino estratto
                      • ritagliare le mappe sulla maschera del bacino
                      • La prima opzione prevede di ricalcolare la mappa delle elevazioni depittata e le direzioni di drenaggio. Questo può comportare incompatibilità con il dato di partenza.
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
      • ci sono zone all'interno del bacino dove non è definito l'indice topografico
      • queste zone sono quelle con pendenza pari a zero per cui il rapporto area cumulata su pendenza tende ad infinito
      • pixel con pendenza bassa hanno elevata propensione alla saturazione a parità di area cumulata
                • si assegna ai pixel con valore nullo di indice topografico il valore massimo caratteristico della mappa
                • if(mybasin ,if(isnull(mybasin_topindex ),17.8,mybasin_topindex ) ,null() )
  • Calcolo dell'indice topografico: h.topindex
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb
      • calcola l'istogramma dei valori di una mappa rispetto a quelli contenuti in un'altra mappa
                • i dati della prima mappa vengono raggruppati in un numero prefissato di intervalli e viene calcolato il valore medio della variabile indipendente in ciascun intervallo
                • per ogni intervallo corrisponde un set di valori nella seconda mappa dei quali viene calcolata la media e gli altri momenti richiesti dall'utente
                • l'output di questo programma è un file e non una mappa
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb mappe sulle quali effettuare i calcoli: può anche essere la stessa mappa
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb momenti da calcolare: media, varianza, ...
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb numero di intervalli in cui dividere il range di valori della prima mappa
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb tipologia e percorso del file di output
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb è possibile selezionare la visualizzazione dei dati in tabella o grafico
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb si può modificare il grafico e salvarlo come immagine cliccando con il tasto destro del mouse sul grafico e selezionando l'operazione da fare
  • Analisi dei valori di una mappa: h.cb
      • Il file di output di h.cb completo contiene:
      • numero di pixel della prima mappa contenuti nell'intervallo
      • valore medio dei valori della prima mappa per ogni intervallo
      • valore medio dei valori della seconda mappa per ogni intervallo
      • varianza dei valori della seconda mappa per ogni intervallo
      • momento di ordine superiore calcolato per i valori della seconda mappa
      • Definizione della percentuale di saturazione del bacino
      • zone sature in prossimità della rete
      • massimo di saturazione: tutte le zone concave del bacino
      • Si utilizza l'indice topografico per selezionare le zone sature
      • estrazione del valore di indice topografico a cui corrisponde la percentuale di area satura fissata al punto precedente
    Estrazione dell'area satura del bacino
  • Estrazione dell'area satura del bacino
      • Fissare la percentuale di saturazione del bacino
      • Creare la curva di distribuzione di frequenza cumulata dell'indice topografico
      • Individuare il valore di indice topografico a cui corrisponde tale percentuale di saturazione
      • Estrarre la mappa corrispondente ai pixel saturi per il bacino in esame
      • OPERAZIONI:
  • Percentuale di saturazione del bacino
      • È stato dimostrato che in generale sui bacini di medie/grandi dimensioni l'area satura in occasione di un evento estremo di piena si attesta sul 30-40% dell'intero bacino
      • La percentuale aumenta se diminuiscono le dimensioni del bacino
      • Sarebbero utili misure di portata o di umidità del suolo per tarare il modello
        • percentuale di saturazione del bacino 40%
        • creare la curva di distribuzione di frequenza cumulata dell'indice topografico partendo dal file estratto con h.cb
    Estrazione dell'area satura del bacino
        • aprire il file creato da h.cb sulla mappa dell'indice topografico in un foglio di calcolo
        • calcolare la curva di frequenza cumulata dei pixel (indicativi dell'area) in funzione del valore di indice topografico
    Distribuzione di frequenza del topindex
        • aprire il file creato da h.cb sulla mappa dell'indice topografico in un foglio di calcolo
        • calcolare la curva di frequenza cumulata dei pixel (indicativi dell'area) in funzione del valore di indice topografico
    Distribuzione di frequenza del topindex
        • aprire il file creato da h.cb sulla mappa dell'indice topografico in un foglio di calcolo
        • calcolare la curva di frequenza cumulata dei pixel (indicativi dell'area) in funzione del valore di indice topografico
    Distribuzione di frequenza del topindex
        • percentuale di saturazione del bacino 40%
        • creare la curva di distribuzione di frequenza cumulata dell'indice topografico partendo dal file estratto con h.cb
        • cercare il valore di indice topografico corrispondente alla saturazione del 40%
    Estrazione dell'area satura del bacino
        • per l'interpretazione del grafico si consideri che alti valori di indice topografico significano alta propensione alla saturazione
        • una saturazione del 40% significa che il 60% dell'area del bacino ha un valore di indice topografico inferiore
        • i pixel con valore di indice topografico superiore a quello corrispondente al 60% dell'area sono saturi (40%)
    Distribuzione di frequenza del topindex
        • per l'interpretazione del grafico si consideri che alti valori di indice topografico significano alta propensione alla saturazione
        • una saturazione del 40% significa che il 60% dell'area del bacino ha un valore di indice topografico inferiore
        • i pixel con valore di indice topografico superiore a quello corrispondente al 60% dell'area sono saturi (40%)
    Distribuzione di frequenza del topindex
        • per l'interpretazione del grafico si consideri che alti valori di indice topografico significano alta propensione alla saturazione
        • una saturazione del 40% significa che il 60% dell'area del bacino ha un valore di indice topografico inferiore
        • i pixel con valore di indice topografico superiore a quello corrispondente al 60% dell'area sono saturi (40%)
    Distribuzione di frequenza del topindex Valore soglia di indice topografico per la saturazione: 2.22
  • Definizione dell'area satura del bacino
      • Per definire spazialmente l'area satura occorre estrarre dal bacino i pixel con indice topografico superiore al valore soglia individuato nel grafico (2.22) usando lo strumento di calcolo su mappe.
      • mybasin_sat40=if(mybasin_topindex_corr>= 2.22 ,1 ,null())
  • Definizione dell'area satura del bacino
      • Per definire spazialmente l'area satura occorre estrarre dal bacino i pixel con indice topografico superiore al valore soglia individuato nel grafico (2.22) usando lo strumento di calcolo su mappe.
      • mybasin_sat40=if(mybasin_topindex_corr>= 2.22 ,1 ,null())
      • Per definire spazialmente l'area satura occorre estrarre dal bacino i pixel con indice topografico superiore al valore soglia individuato nel grafico (2.22) usando lo strumento di calcolo su mappe.
      • mybasin_sat40=if(mybasin_topindex_corr>= 2.22 ,1 ,null())
    Definizione dell'area satura del bacino
      • La funzione d'ampiezza rappresenta la distribuzione delle distanze dalla sezione di chiusura. Numericamente è costituita dal numero di pixel posti a distanza uguale dalla sezione di chiusura (misurata lungo le direzioni di drenaggio a partire dalla sezione di chiusura).
      • La funzione d'ampiezza riscalata tiene conto della diversa velocità dell'acqua nella rete e nei versanti introducendo r come rapporto tra la velocità nei canali e nei versanti.
    Funzione d'ampiezza
      • Calcolo della distanza dalla sezione di chiusura
      • h.D2O considerando velocità uniforme nei versanti e nella rete
      • h.rescaleddistance considerando velocità diverse nei versanti e nella rete
      • Calcolo della funzione d'ampiezza ridistribuendo i valori di distanza dalla sezione di chiusura con h.cb.
    Calcolo della Funzione d'ampiezza
    • A reasonable approximation is based on the fact that 2 main velocities exist:
    • one for the channels c
    • one for the hillslopes c h .
    • The distance from the outlet is:
    x' is a “rescaled distance ” from the exit r the ratio between the celerity in the channels and in the hillslopes RESCALED DISTANCE
      • Per calcolare la distanza dalla sezione di chiusura se abbiamo ritagliato le mappe sul bacino estratto è necessario usare il comando
      • h.markoutlet
      • per segnare l'uscita e velocizzare tutti gli algoritmi che si riferiscono ad essa.
    Calcolo della Funzione d'ampiezza
  • Esempio di Funzione d'ampiezza
  • Esempio di Funzione d'ampiezza
  • Esempio di Funzione d'ampiezza
  • Esempio di Funzione d'ampiezza
  • Esempio di Funzione d'ampiezza
  • Funzione d'ampiezza in Peakflow
      • In Peakflow vengono considerati separatamente il deflusso superficiale e subsuperficiale.
      • Si lavora nell'ipotesi di comportamento dunniano (saturazione dal basso o per eccesso di saturazione) quindi il deflusso superficiale si ha dove il suolo è già saturo.
      • La porzione di bacino satura è in equilibrio tra deflusso superficiale e subsuperficiale, la porzione non satura del bacino concorre solo alla formazione del deflusso subsuperficiale.
        • Riguarda solamente le zone sature del bacino
        • Si utilizzano mappe delle distanze riscalate con valori di r bassi (5 – 20)
        • Si ritaglia la mappa delle distanze riscalate limitatamente ai siti saturi (r.mapcalc)
        • Si calcola la funzione d'ampiezza (h.cb)
    Funzione d'ampiezza: zone sature
        • Riguarda solamente le zone non sature del bacino
        • Si utilizzano mappe delle distanze riscalate con valori di r alti (50 – 200)
        • Si ritaglia la mappa delle distanze riscalate per i siti non saturi (r.mapcalc)
        • Si calcola la funzione d'ampiezza (h.cb)
    Funzione d'ampiezza: zone non sature
      • Zone sature
      • Zone non sature
    Peakflow: Funzioni d'ampiezza riscalate
      • Zone sature
      • Zone non sature
    Peakflow: Funzioni d'ampiezza riscalate
  • Peakflow: Teoria del modello Tempo di pioggia critico: Tempo di picco: Portata di picco
  • Peakflow: Teoria del modello Intensità di precipitazione costante Idrogramma Istantaneo Unitario Frazione di bacino contribuente Funzione di ampiezza riscalata W(t) Curve di possibilità pluviometrica
  • Peakflow: Come lavora il modello Risposta idrologica di un bacino con una pioggia della durata pari a 3 istanti t=0 t=1 t=3 t=2 t=4 t=8 t=7 t=6 t=5 tempo pixel
  • Peakflow: Applicazione
  • FUNZIONE D'AMPIEZZA DEL DEFLUSSO SUPERFICIALE Peakflow: Applicazione
  • FUNZIONE D'AMPIEZZA DEL DEFLUSSO SUB -SUPERFICIALE Peakflow: Applicazione
  • COEFFICIENTI DELLE CURVE DI POSSIBILITÀ PLUVIOMETRICA Peakflow: Applicazione
  • VELOCITÀ MEDIA NEI CANALI PARAMETRO DI DIFFUSIONE Peakflow: Applicazione
  • INTERVALLO DI SCRITTURA DEI DATI NEL FILE DI OUTPUT Peakflow: Applicazione
  • SCRITTURA DEL FILE DI OUTPUT Peakflow: Applicazione
  • CREAZIONE DEL GRAFICO DI PORTATA Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • Peakflow: Applicazione
  • GRAZIE DELL'ATTENZIONE...