Modellizzazione stocastica e piene

La mia ricerca si concentra sull’approfondimento della comprensione dei processi idrologici attraverso approcci teorici e stocastici, con particolare attenzione alla generazione del deflusso, alle dinamiche dell’umidità del suolo e all’analisi della frequenza delle piene.

Il lavoro fa da ponte tra l’idrologia basata sui processi e la modellazione probabilistica, fornendo strumenti analitici per descrivere le complesse dinamiche su scala di bacino e supportare applicazioni nella gestione del rischio di alluvioni, nell’ecoidrologia e nella progettazione idraulica.

1. Meccanismi di generazione del deflusso e soglie

Una delle principali linee di ricerca indaga i meccanismi fisici che controllano la generazione del deflusso, sottolineando il ruolo dei processi di soglia.

Lo sviluppo di distribuzioni di frequenza delle piene derivate teoricamente ha permesso un’interpretazione più approfondita degli eventi estremi incorporando esplicitamente molteplici meccanismi di deflusso. In particolare, è stato introdotto un quadro probabilistico a due componenti per tenere conto delle diverse risposte idrologiche all’interno di un bacino (Gioia et al., 2008).

Questo approccio evidenzia che: Questi risultati forniscono una spiegazione basata sui processi delle statistiche sulle inondazioni e stabiliscono un collegamento tra le dinamiche del deflusso e il clima, il suolo e la geomorfologia (Gioia et al., 2008).

• Le inondazioni ordinarie sono tipicamente generate da un eccesso di infiltrazione in aree di contribuzione limitate
• Le inondazioni estreme si verificano quando le soglie di stoccaggio vengono superate in ampie porzioni del bacino, producendo distribuzioni altamente asimmetriche

2. Modellizzazione stocastica dell’umidità del suolo e del bilancio idrico

Un altro contributo fondamentale è lo sviluppo di modelli stocastici analitici che descrivono le dinamiche dell’umidità del suolo su scala di bacino.

Il bilancio idrico del suolo è formulato come una equazione differenziale stocastica, in cui le precipitazioni sono modellate come una forzante casuale. Questo quadro teorico consente di ricavare le funzioni di densità di probabilità (PDF) di variabili su scala di bacino quali la saturazione relativa e le aree di contribuzione (Manfreda & Fiorentino, 2008).

I risultati chiave mostrano che: Questo approccio fornisce una descrizione probabilistica rigorosa delle dinamiche del bacino e sottolinea l’importanza dell’eterogeneità spaziale nei processi idrologici (Manfreda & Fiorentino, 2008). 

• La variabilità dell’umidità del suolo è fortemente controllata dalla capacità massima di stoccaggio
• La distribuzione spaziale della capacità di stoccaggio determina l’estensione e la variabilità delle aree sature

3. Concetto di area di origine variabile e dinamiche del deflusso

La ricerca sviluppa la teoria dell’area di origine variabile, in particolare per i bacini fluviali umidi.

La generazione del deflusso è descritta attraverso meccanismi di eccesso di saturazione, in cui solo una frazione del bacino contribuisce al deflusso in un dato momento. Questa frazione si evolve dinamicamente a seconda delle condizioni di umidità del suolo (Manfreda, 2008).

Il quadro analitico sviluppato consente: Questi risultati forniscono una base quantitativa per comprendere la connettività idrologica e la risposta del deflusso nei bacini naturali (Manfreda, 2008). 

• Modellizzazione dell’evoluzione temporale delle aree saturate
• Derivazione della distribuzione di probabilità della produzione di deflusso
• Identificazione del ruolo dell’umidità antecedente e dell’eterogeneità del bacino

4. Distribuzioni di probabilità teoriche in idrologia

Una caratteristica distintiva di questa ricerca è l’uso di distribuzioni di probabilità derivate teoricamente (TDD) per descrivere i processi idrologici e idraulici.

Questi approcci estendono i metodi statistici classici incorporando la comprensione dei processi fisici nei modelli probabilistici. Le applicazioni includono: Ad esempio, è stata sviluppata una distribuzione teoricamente derivata dell’erosione collegando le statistiche sulle piene con le variabili idrauliche, offrendo un nuovo quadro per la valutazione del rischio delle infrastrutture (Manfreda et al., 2018).

• Analisi della frequenza delle inondazioni
• Produzione di deflusso
• Processi idraulici come l’erosione dei ponti

5. Impatto degli interventi umani sui regimi di piena

Ricerche recenti si sono concentrate sugli effetti degli interventi umani, come i bacini di ritenzione, sulle dinamiche delle inondazioni.

È stato sviluppato un quadro teorico per quantificare come queste strutture modificano la distribuzione di probabilità dei picchi di piena, utilizzando relazioni analitiche tra i processi di afflusso e deflusso (Manfreda et al., 2021).

Il modello mostra che: Questi risultati supportano una migliore progettazione e gestione dei sistemi di mitigazione delle inondazioni in condizioni ambientali mutevoli (Manfreda et al., 2021). 

• L’attenuazione delle inondazioni dipende dalla capacità di stoccaggio e dalla durata dell’evento
• Le opere idrauliche alterano significativamente la frequenza e l’entità degli eventi estremi

6. Regionalizzazione e firme idrologiche

La ricerca affronta anche la sfida della previsione nei bacini non misurati attraverso l’identificazione di firme idrologiche.

I parametri del modello sono stati collegati a descrittori del bacino fisicamente significativi, consentendo la regionalizzazione e la trasferibilità dei modelli (Gioia et al., 2014).

In particolare: Questo approccio fornisce un percorso verso la stima dei parametri basata sulla fisica e una migliore capacità predittiva nelle regioni con scarsa disponibilità di dati (Gioia et al., 2014) . 

• La perdita d’acqua dal suolo è influenzata dalla copertura vegetale
• I parametri di distribuzione dello stoccaggio sono controllati dalla topografia

Considerazioni conclusive

Questo lavoro contribuisce all’idrologia integrando: Il quadro risultante migliora la nostra capacità di interpretare e prevedere il comportamento idrologico su diverse scale, supportando applicazioni nella valutazione del rischio di alluvione, nell’ecoidrologia e nella gestione delle risorse idriche.

• Modellizzazione stocastica e comprensione dei processi fisici
• Distribuzioni di probabilità analitiche e dinamiche ambientali
• Processi naturali e interventi umani

Riferimenti

• Gioia, A., Iacobellis, V., Manfreda, S., & Fiorentino, M. (2008). Soglie di deflusso nelle distribuzioni di frequenza delle inondazioni derivate. Hydrology and Earth System Sciences.
• Manfreda, S., & Fiorentino, M. (2008). Un approccio stocastico per la descrizione delle dinamiche del bilancio idrico in un bacino fluviale. Hydrology and Earth System Sciences.
• Manfreda, S. (2008). Dinamiche di generazione del deflusso all’interno di un bacino fluviale umido. Natural Hazards and Earth System Sciences.
• Gioia, A., Manfreda, S., Iacobellis, V., & Fiorentino, M. (2014). Prestazioni di un modello teorico per la descrizione del bilancio idrico e delle dinamiche di deflusso. Journal of Hydrologic Engineering.
• Manfreda, S., Link, O., & Pizarro, A. (2018). Una distribuzione di probabilità dell’erosione derivata teoricamente. Water.
• Manfreda, S., Miglino, D., & Albertini, C. (2021). Impatto delle dighe di ritenuta sulla distribuzione di probabilità delle piene. Hydrology and Earth System Sciences.