Riassunto analitico
Gli eventi climatici che si stanno verificando negli ultimi anni confermano le previsioni più pessimistiche tra quelle ipotizzate all’inizio del secolo dall’IPCC (Intergovernemental Panel on Climate Change): è dimostrato che la stazionarietà delle variabili climatiche e idrologiche, cioè l’ipotesi che, nel tempo, queste variabili (temperatura, precipitazioni, evapotraspirazione, deflusso superficiale, ricarica degli acquiferi, etc.) oscillino entro un intervallo di valori limitato, non può più essere considerata alla base della gestione delle risorse naturali, in particolare della risorsa idrica. È necessario, quindi, mettere a punto strumenti adatti alla valutazione degli effetti della non-stazionarietà, indotta dalle attività umane, dei fenomeni naturali. All’interno di un approccio multidisciplinare, i modelli idrologici di simulazione a scala di bacino rivestono un ruolo fondamentale nella protezione idraulica del territorio, quando sono in grado di dare informazioni ad alta risoluzione spaziale e temporale sulla risposta dei sistemi idrici a input atmosferici non stazionari e ai cambiamenti di uso del suolo. In tale ottica, la ricerca svolta ha riguardato: la messa a punto di un modello idrologico dettagliato con il quale comprendere le dinamiche di ricarica della falda freatica, in uno scenario di variabilità climatica, e la verifica dell’applicabilità di tale modello anche a diverse scale. Sono stati considerati due casi di studio reali, diversi sia dal punto di vista geografico e climatico, sia dal punto di vista geologico e geomorfologico. Il primo è un bacino di piccole dimensioni (100 km2), situato in Brasile; il secondo è rappresentato dalla parte montana e collinare del bacino del torrente Enza (500 km2), che divide le province di Reggio Emilia e Parma. Il modello idrologico distribuito CATHY (CATchment HYdrology) è il principale strumento applicato. CATHY permette la descrizione dettagliata dei flussi idrici sotterranei e superficiali e della loro interazione. Nel modulo sotterraneo viene risolta l’equazione di Richards in tre dimensioni, mentre il modulo superficiale è governato da un’equazione monodimensionale dell’onda diffusiva. L’accoppiamento dinamico delle due componenti è ottenuto mediante un algoritmo che, ad ogni livello temporale, seleziona automaticamente, per ognuno dei nodi superficiali, il tipo di condizione al contorno (di carico assegnato o di flusso assegnato), determinando quindi le variabili di scambio tra i due moduli e con l’atmosfera. Nel caso del Rio Toledo in Brasile, è stata effettuata un’analisi quantitativa della risorsa idrica in risposta a scenari climatici futuri, costruiti a partire da serie storiche di dati meteorologici e da studi di letteratura condotti nella zona. Nello scenario più plausibile si è ottenuto un notevole abbassamento della falda freatica, che interessa con più intensità le aree del bacino a quota più elevata. Nel caso dell’Enza, più complicato date le dimensioni maggiori e la topografia complessa, un’analisi analoga è stata necessariamente preceduta da uno studio preliminare di messa a punto del modello. Già in questa fase sono risultate evidenti le potenzialità di un modello come CATHY, in grado di rappresentare i flussi idrici in mezzi a grado di saturazione variabile e in combinazione con i deflussi superficiali, rispetto ad altri tipi di modelli che considerano invece la sola zona satura del sottosuolo. La descrizione tridimensionale delle correnti sotterranee e all’interfaccia ha permesso, tra i risultati ottenuti, la restituzione di una distribuzione eterogenea, all’interno del dominio, della variazione del livello della falda, rivelando quindi la necessità di utilizzare modelli dettagliati dei flussi idrici laterali al fine di prevedere le risorse idriche disponibili in diversi scenari meteo-climatici.
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Abstract
In the last years, climatic events confirm the most pessimistic scenarios forecast by IPCC (Intergovernemental Panel on Climate Change) at the beginning of the century. It has been recently demonstrated that stationarity of climatic and hydrological variables (temperature, rainfall, evapotranspiration, runoff, aquifer recharge, etc.), i. e. the idea that such variables fluctuate within a limited and constant range of values, could no longer serve as a central assumption in managing natural resources, specially water resource. Hence, it is necessary to develop suitable instruments for evaluating the effects of non-stationarity of natural phenomena, introduced by human activities. Within a multidisciplinary approach, hydrological models play a fundamental role in water-risk management, showing information at high resolution (in terms of space and time) about the behavior of hydrological systems in response to non-stationary atmospheric input and land use change. To this specific aim, this work concerned the implementation and the verification of the applicability of a detailed hydrological model in order to understand water table dynamics under climate variability, at different scales. Two real case studies have been considered: a small catchment (100 km2), located in Brazil, and the mountain part of Enza river basin (500 km2), located in Italy between the provinces of Reggio Emilia and Parma; the distributed hydrological model named CATHY (CATchment Hydrology) has been used to perform catchment-scale simulations. CATHY couples a subsurface module, described by a three-dimensional Richards’ equation, with a surface module, led by a one-dimensional diffusion wave equation. Dynamical coupling is achieved at each time level in all superficial nodes, by means of a boundary-condition switching algorithm. In both cases, a quantitative analysis of water resource has been carried out under future scenarios built from historical series of observed and estimated meteorological data and literature studies regarding the area of interest. In the Rio Toledo catchment in Brazil, a noticeable lowering of the water table has been obtained under the most plausible climate scenario, being more intense in the upland area, suggesting the choice of suitable cultures across the basin as a possible adaptation measure . The case of the Enza basin was found to be more complicated because of the bigger size and the complex topography: a preliminary study with synthetic atmospheric input was necessary to adjust the model. This first phase already underlined the potential of a model describing variably-saturated flow in combination with surface runoff, in comparison with saturated-flow groundwater models, normally used for this kind of application. The three-dimensional description of groundwater fluxes allowed, in both cases, to obtain a heterogeneous distribution of the variation of water table level, showing thus the need of detailed models of lateral fluxes, in order to predict the availability of water resource in different basin areas, under different climate scenarios.
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