Il sistema d’allarme innovativo

CATENA MODELLISTICA

Panoramica del sistema

Il sistema nella sua totalità è formato dai seguenti elementi:

  1. Enti locali che forniscono i dati radar corretti;
  2. Il modello INCA gestito da ZAMG, che utilizza i dati radar insieme ad altri input per generare le mappe di nowcasting;
  3. INADEF-EWS (Early Warning System), che utilizza i dati di nowcasting, insieme ad altri dati di input, per generare mappe di allerte precoci e allarmi.
INADEF-EWS

Il sistema INADEF-EWS è a sua volta costituito da diversi sottosistemi:

  • Un server che si occupa di:
  1. Ricevere e stoccare i dati di nowcasting forniti da ZAMG;
  2. Eseguire il modello di deflusso ZEMOKOST di BFW;
  3. Eseguire il modello di innesco di UNIPD.
  • Un DBMS (Database Management System) con estensioni spaziali per salvare dati di input e output modellistici;
  • Un server web per disseminare i risultati delle simulazioni (mappe, tabelle, rapporti…).
Flussi di dati
  • Gli enti locali (ARPAV, ZAMG) forniscono i dati radar che entrano nel modello di nowcasting INCA;
  • INCA produce mappe di nowcasting per le piogge, che sono passate a INADEF-EWS;
  • INADEF-EWS fornisce i dati di nowcasting insieme ad altri input al modello ZEMOKOST;
  • INADEF-EWS fornisce gli output del modello ZEMOKOST al modello di innesco di colata e di simulazione della colata;
  • INADEF-EWS processa gli output del modello di innesco, e dissemina i risultati utili (allarmi. allerte) via web.

INCA - ZAMG

INCA è un sistema di analisi multiparametrico e nowcasting che è stato sviluppato presso il servizio meteorologico Austriaco ZAMG. Esso si avvale di vari dati di input come osservazioni al suolo, radar, dati satellitari e dati derivanti da altri modelli meteorologici ad area limitata, in modo da produrre una griglia di analisi e di nowcasting dei campi di precipitazione, tipo di precipitazione, temperatura, umidità, vento, nuvolosità, limite della neve (quota neve) e molte altre grandezze meteorologiche. 

I campi di nowcasting di INCA sono basati sull’estrapolazione e possono essere integrati nelle previsioni di altri modelli meteorologici, fornendo così una catena di prodotti di previsione senza soluzione di continuità dal tempo zero fino a pochi giorni prima. L’output di INCA può anche essere utilizzato come input per applicazioni in altri campi, ad esempio nella modellazione del deflusso idrologico o nella modellazione del flusso detritico.

St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)

INCA è rapido, cioè è in grado di produrre campi di output in pochi minuti da quando le osservazioni sono state ricevute. Pertanto INCA fornisce informazioni in un lasso di tempo ristretto e ben prima rispetto ad altri modelli meteorologici i cui campi non sono ancora disponibili. Tuttavia, poiché INCA è un sistema basato sull’osservazione, la qualità dei prodotti risultanti dipende fortemente dalla disponibilità tempestiva dei dati di input e dalla qualità degli stessi.

  • Dominio: 8,5°-17,7° E e 45,8°- 49,4° N, che copre l’Austria e parti dei paesi vicini (cioè parti dell’Italia settentrionale)
  • Risoluzione: 1 x 1 km (701 x 401 punti della griglia)
  • Frequenza di aggiornamento e passo di tempo previsto: 5 minuti o 15 minuti per le precipitazioni, 1h per temperatura, umidità, vento, ecc.
  • Intervallo di Nowcast: 1-4 ore per le precipitazioni e 6-12 ore per gli altri parametri
  • Dopo l’intervallo di nowcasting, i campi vengono integrati nelle previsioni NWP con un intervallo di previsione fino a 48 ore

ZEMOKOST-BFW

Zemokost è un modello concettuale afflussi-deflussi per bacini non strumentati. I due parametri di input principali sono:

  • la descrizione spaziale del bacino;
  • le precipitazioni.

Descrizione spaziale: la rete idrografica, descritta in termini di lunghezza, gradiente e scabrezza, è divisa in nodi. Per ogni nodo è necessario conoscere l’area del relativo sottobacino. Per ogni sottobacino sono richieste informazioni relative alla scabrezza e al coefficiente di deflusso, nonché alle caratteristiche morfometriche (area, inclinazione…).

Nella catena modellistica le precipitazioni sono ottenute da dati INCA. INCA offre mappe di precipitazione con risoluzione spaziale di 1*1 km e temporale di 15 minuti. Le precipitazioni con scansione al singolo minuto richieste da ZEMOKOST sono ottenute per interpolazione. I valori di precipitazione sono ottenuti individuando i pixel della mappa INCA che intersecano il bacino, e mediando i loro valori in funzione dell’area relativa di intersezione.

Il deflusso calcolato su ogni sottobacino è riportato alla sezione di chiusura (nodo) del sottobacino e poi trasferito al sottobacino a valle, fino alla sezione di chiusura dell’intero bacino. In output si ottiene, per ogni nodo/sottobacino, un idrogramma  (m³/s) con risoluzione temporale di un minuto.  

MODELLO DI INNESCO

Il modello di innesco di una colata detritica in un canale ed il relativo idrogramma solido-liquido è quello proposto da Gregoretti et al. (2019) ed utilizzato da Bernard et al. (2019). Questi si basano sulla stima del volume di deflusso superficiale contribuente alla colata, sul valore di picco della portata solido-liquida e sulla quantità di sedimento che il volume contribuente è in grado di inglobare. Sia il volume di deflusso superficiale contribuente alla colata che la portata di picco solido-liquida sono determinati in base all’idrogramma di deflusso superficiale, alle caratteristiche morfologiche (pendenza e larghezza del fondo) ed alle proprietà fisiche dei sedimenti (dimensioni e concentrazione volumetrica a riposo) nell’area di innesco. La quantità o volume di sedimento trasportato dalla colata è quella/o inglobato durante la propagazione e dipende sia dal tasso di erosione, sia dalla pendenza e lunghezza del tratto tra l’area di innesco ed il punto in cui si vuole determinare l’idrogramma solido-liquido. Il valore massimo di volume di sediment che può essere inglobato è quello corrispondente ad una concentrazione di sedimento media pari a 0.9 c*, essendo c* the concentrazione di sedimento a riposo. Nel caso di colate detritiche in regime-granulo inerziale, la differenza tra i DEM (Digital Elevation Model) pre e post-evento nel canale di colata di Rovina di Cancia indica che i processi dominanti sono l’erosione ed il deposito per angoli d’inclinazione del fondo rispettivamente superiori od inferiori a 15° (Simoni et al., 2020). Questo significa che se il punto in cui determinare l’idrogramma solido-liquido ha il fondo con inclinazione inferiore a 15°, anche la fase di deposito deve essere considerata per la stima del volume di sedimento trasportato dalla colata. Questi risultati di campo sono confermati da quelli sperimentali di Lanzoni et al. (2017) sulla formazione e propagazione di colate detritiche in canale di laboratorio dove le colate granulo-inerziali si sviluppano solo su inclinazioni del fondo superiori a 15°. A valle della zona di innesco, l’idrogramma solido-liquido assume una forma di tipo triangolare con un elevato valore iniziale della portata/profondità (Simoni et al., 2020), come quello di deflusso superficiale osservato da Gregoretti et al. (2016a) ai piedi di una parete rocciosa. Di conseguenza, assumendo una crescita quasi verticale dal valore nullo al picco e conoscendo sia il volume di deflusso contribuente al picco, sia il valore di picco della portata solido-liquida e la quantità di sedimento, l’area triangolare dell’idrogramma può essere determinato e quindi la durata. Di seguito si mostra in dettaglio la metodologia per determinare il volume di deflusso superficiale contribuente alla colata (1), il valore di picco della portata solido-liquida (2) ed il volume solido-liquido (3).

Il Volume di deflusso superficiale contribuente alla colata è la parte dell’idrogramma di deflusso superficiale superiore alla portata critica per la formazione di una colata detritica (figura 1). Questo concetto è stato inizialmente introdotto da Bennet et al. (2014), e ripreso da  Gregoretti et al. (2016b). La portata critica è la portata liquida in grado di movimentare ed inglobare le grandi quantità di sedimento necessarie per la formazione di una corrente solido-liquida (figura 2) ed è stata stimata originariamente da Tognacca et al. (2000) tramite una relazione empirica basata su esperimenti di formazione di colata detritica in un canale di laboratorio:

qCRIT = 4 dM1.5 tanϑ-1.17                      (1)

dove qCRIT è la portata critica per unità di larghezza, dM il diametro medio dei sediment e ϑ l’angolo di inclinazione del fondo. Gregoretti e Dalla Fontana (2008) hanno proposto una relazione analoga basata su esperimenti in canale di laboratorio relativi all’inizio di un elevato tasso di erosione di sedimenti da parte di una corrente liquida:

qCRIT = 0.78 dM1.5 tanϑ-1.27                      (2)

L’equazione (1) corrisponde ad una colata detritica che si forma in una breve distanza, mentre  l’equazione (2) riguarda il limite sopra il quale il tasso di erosione dei sediment diventa elevato e può dar luogo ad una colata detritica. Per questi motivi, i valori di qCRIT secondo l’equazione (1) sono quattro volte superiori a quelli secondo l’equazione (2). Inoltre, Gregoretti e Dalla Fontana (2008) hanno confrontato le stime di portata critica secondo l’equazione (2) con i valori simulati della portata di picco del deflusso superficiale corrispondente a circa 30 eventi di colata detritica avvenuti nelle Dolomiti nel periodo 1993-2006. La figura 3 mostra che l’equazione (2) in forma adimensionale, costituisce un valore limite inferiore per i tutti i valori di picco simulati. Recentemente, Pastorello et al. (2020) hanno proposto una relazione analoga a quelle di Tognacca et al. (2000) e Gregoretti e Dalla Fontana (2008) per la portata critica necessaria ad innescare una colata detritica di elevata magnitudo.

Figura 1. Idrogramma di deflusso superficiale simulato a Rovina di Cancia con la parte contribuente alla colata tratteggiata in blu.
Figura 2. Formazione di una corrente solido-liquida quando una portata Q di deflusso superficiale sollecita un deposito detritico.
Figura 3. Confronto tra il picco di portata del deflusso superficiale in forma adimensionale (q* = q/(dM1.5(ρS/ρ – 1)0.5; q = portata unitaria di deflusso superficiale) simulato per le precipitazioni che hanno causato circa 30 evento di colata detritica in quattro bacini delle Dolomiti con i valorie adimensionali di portata critica secondo le equazioni (1) and (2).

Il valore di picco della portata solido-liquida viene calcolato tramite la relazione proposta da  Takahashi (1978, 2007) ed aggiornata da Lanzoni et al. (2017) sulla base di una serie sistematica di esperimenti in una canaletta di laboratorio:

              (3)

dove QP è il picco della portata solido-liquida, c* è la concentrazione volumetrica a riposo dei sediment, cF è la concentrazione di sedimento in corrispondenza del fronte della colata e QPL il picco della portata di deflusso superficiale. Questa relazione si basa sulla conservazione della massa ed assumendo per cF un valore massimo di 0.9 c* (Takahashi, 2007), il picco della portata solido-liquida può aumentare fino a 7.5 volte il picco della portata di deflusso superficiale. Osservazioni di campo mostrano che questo fattore di amplificazione potrebbe essere sosttostimato (Kean et al., 2016). In letteratura ci sono alcune relazioni per la stima di cF (Gregoretti e Degetto, 2012). Qui si presenta quella di Takahashi (1978) aggiornata da Lanzoni et al. (2017):

                (4)

dove ϕqs è l’angolo di attrito quasi statico (rapporto fra la tensione tangenziale e normale nello strato a contatto con il fondo).

Il volume solido-liquido,VSL, viene calcolato combinando il volume di deflusso superficiale contribuente alla colata, VL (area tratteggiata in blu in figura 1), con il volume di sedimento VSED o con la concentrazione media di sedimento c. Il volume di sedimento può essere saturato ed in questo caso:

VSL = VL + VSED = VL + VS/c*                         (5)

altrimenti:

VSL = VL + (1 – c*)SVS/c*                                 (6)

dove VS è il volume solido ed S il grado di saturazione dei sediment inglobati nella corrente. Le equazioni (5) e (6) possono essere anche scritte usando la concentrazione media dei sedimenti c (VS/VSL). Sostituendo VS con c VSL le equazioni (5) e (6) diventano:

VSL = VL /(1 – c/c*)                                          (7)

VSL = VL /(1 – (1-S)c -cS/c*)                            (8)

Conoscendo QP e VSL l’idogramma solido-liquido è quindi determinate perchè la sua durata rimane fissata tI = 2 VSL/QP (figura 4).

Figura 4. L’idrogramma solido-liquido.

Il valore di QP viene determinate dopo il calcolo di QPL and cF, essendo conosciute le caratteristiche dei sedimenti (c*, ϕqs) e la morfologia (ϑ) nell’area di innesco. Il valore di VSL viene stimato anche tramite VS o c. Questi ultimi valori dipendono dal tasso di erosione che aumenta con il picco dell’idrogramma dei deflussi superficiali e la pendenza (Lanzoni et al. 2017) e dalla lunghezza del tratto di canale tra la formazione del fronte ed il punto in cui si vuole determinare l’idrogramma solido-liquido. Nel caso di Rovina di Cancia, i valori di VSED e c possono essere stimati utilizzando i dati relativi ad eventi di colata detritica avvenuti in precedenza (idrogrammi di deflusso superficiale simulati e volumi di sedimento erosi e depositati nella propagazione). Assumendo S = 1 e c* = 0.62 (Gregoretti et al., 2019), i dati dei volumi di sedimento erosi da quota 1666 m s.l.m. alla piazza alta di quota 1344 m s.l.m. (vedi descrizione del sito di Cancia) e le stime del volume di deflusso superficiale contribuente alla colata per gli eventi del 18/7/2009, 23/7/2015, 4/8/2015, 1/7/2020 e 29/8/2020 provvedono un valore di c medio pari a 0.5 (0.38 < c < 0.56). Questo valore risulta idoneo per calcolare il volume di sedimenti trasportato dalla colata a monte della piazza alta. Sempre i dati dei volumi trasportati dalle colate nel periodo 1994-2020 indicano in 10000 m3 il volume di sedimenti trasportato dalla colata che viene trattenuto dalla piazza alta e nel tratto a monte di essa.

Piattaforma webGIS

INADEF-EWS è un’applicazione web che integra dati e modelli meteorologici e geomorfologici e fornisce all’utente finale informazioni in tempo reale sul pericolo di colate detritiche su siti selezionati (bacini montani).

INADEF-EWS viene costantemente alimentato con nowcasting di piogge generate dal modello INCA, e utilizza questi input per simulare un idrogramma di piena (modello ZEMOKOST) e a cascata un modello di innesco di colata detritica e di stima dei volumi coinvolti, i cui output sono utilizzati per identificare aree di potenziale pericolo.

INADEF-EWS è stato sviluppato utilizzando esclusivamente piattaforme e soluzioni software open-source (PostgreSQL/PostGIS, GeoServer e OpenLayers).

INADEF-EWS utilizza una classica architettura client/server: il server (back end) ha in carico la gestione di input e output e modelli, e fornisce i dati al client. Il client (HTML5) ha invece il compito di presentare i dati all’utente finale nella forma di una pagina web responsive, che può pertanto essere raggiunta da qualsiasi dispositivi connesso alla rete internet.

St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
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