Riassunto analitico
Diversi modelli numerici per la descrizione dei flussi idrici superficiali e sotterranei sono stati sviluppati negli ultimi anni per la determinazione accurata delle dinamiche idrologiche che si sviluppano nei bacini idrografici con lo scopo di pianificare gli interventi di ingegneria idraulica e la gestione idrica integrata del territorio. Generalmente la modellazione delle interazioni dei flussi superficiali e sotterranei si esegue accoppiando il dominio delle acque superficiali e sotterranee, ma pochi studi hanno considerato un'analisi di dettaglio della modellazione numerica dello schema di accoppiamento su bacini idrografici complessi. Nel presente lavoro viene sviluppato un modello esistente allo scopo di renderlo robusto per una modellazione dei bacini idrografici. Il modello è testato e sviluppato su bacini idrografici sintetici semplici e, successivamente, applicato a casi di studio reali per verificarne le prestazioni. Il modello è analizzato per identificare, tracciare e ridurre gli errori del bilancio di massa associati allo schema di accoppiamento del modello. Una serie di indici adimensionali è stata considerata per descrivere il comportamento globale dei bacini idrografici e supportare l'analisi degli errori del bilancio di massa. La robustezza del modello numerico è ottenuta controllando gli errori sul bilancio di massa e l'intervallo di calcolo. Viene presentata una versione modificata dell'algoritmo di accoppiamento per le interazioni dei flussi idrici superficiali e sotterranei con la quale gli errori sul bilancio di massa risultano ridotti, in particolare durante il ramo di esaurimento dell'idrogramma di piena. La versione modificata del modello è calibrata e validata sul bacino idrografico del Fiume Panaro. I miglioramenti ottenuti posso essere particolarmente significativi, per esempio, nelle analisi di rischio associate ad eventi estremi, come siccità e piene. Infatti, in tale ambito l'adozione di una modellazione numerica robusta risulta fondamentale per non celare le variabilità della risposta idrologica dei bacini idrografici determinate dai cambiamenti climatici o cambiamenti di uso del suolo con il grado di incertezza del modello idrologico.
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Abstract
Several process-based numerical models of integrated surface-subsurface water flow have been developed in recent years for water engineering and management purposes to describe accurately the hydrological dynamics involved in drainage basins. The description of surface-subsurface flow interactions is generally performed by coupling the surface and subsurface domains, but few studies have considered a detailed analysis of numerical modeling of coupling scheme on complex drainage basins. A robust and reliable implementation of an existing numerical model is developed in order to be safely used in distributed time-continuous catchment modeling. The model is tested and developed on simple synthetic test cases and then applied to two real cases of study to verify its performance. The model is analyzed in order to identify, track, and reduce the water mass balance errors affiliated with the model's coupling scheme. A set of adimensional indices was also introduced to describe the global behavior of drainage basins in order to support the mass balance error analysis. The robustness of numerical model is achieved by controlling the mass balance errors and the time step size. A modified version of the coupling algorithm for the surface-subsurface flow interactions is presented. Errors are reduced, in particular during recession flood limbs. The modified version of the model is finally calibrated and validated on the Panaro River drainage basin. The improvements obtained will be fundamental to perform, for example, a risk analysis associated to extreme events (i.e., floods and droughts). In fact, a robust numerical modeling is necessary because the simulated hydrologic response of drainage basins due to the climate change or variations in land use can be concealed by mass balance errors given by the model.
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