Corso Pat Jgrasspeakflow 2008 10 23

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 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 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() )

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 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

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 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())

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

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

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

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

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