ACQUA E SVILUPPO
Milano, 14 gennaio 2015
Por lo
demás,
todo lo que
atañe el
agua
es poético
y nunca
deja de
inquietarnos
da:
La jonction,
in:
Atlante,
Jorge Luis
Borges,
1984
Renzo Rosso, Politecnico di Milano - L’acqua come risorsa
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ACQUA E SVILUPPO
Renzo Rosso, Politecnico di Milano - L’acqua come risorsa
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Anshan qanat (Iran) seen from the air (estimated 1000 BC)
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water distribution in a sub-saharian oasis
khettara eco museum, morocco
Pietro Laureano
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water distribution
Sassi buildings, Matera
from: Pietro Laureano
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The Segovia Aqueduct (Spain) was erected in the 1st century AC
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The Cornalvo Dam (Spain) was erected in the 1st–2nd century AD
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impronta luminosa della notte in Europa
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luminosità e rete idrografica
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Ceola, S., Laio, F. and A. Montanari, Satellite
nighttime lights reveal increasing human
exposure to floods worldwide, Geophysical
Research Letters, 41(20), 7184–7190, 2014.
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acqua dolce
Sulla Terra ci sono circa 35 milioni di km3 di acqua dolce, distribuiti però in
modo assai disuniforme, la maggior parte in aree inaccassibili, poichè il 70% è
presente in forma di neve e ghiaccio o giace fossile nel sottosuolo profondo
Le riserve idriche sommano a circa 11 milioni di km3 di acqua dolce,
disponibili al consumo ma soggette a uno stress crescente, poichè l’uso umano
di questa acque è triplicato negli ultimi 50 anni
Oggi circa 700 milioni di persone in 43 paesi vivono scenari di scarsità idrica
L’acqua dolce è una risorsa rinnovabile: l’acqua “consumata” non è persa,
per il ciclo idrologico che ha un tempo caratteristico assai breve, 8 giorni, e
quindi la rende subito disponibile per il suo futuro uso,
nè, per gli stessi usi di valle
e il consumo irreversibile (evaporazione, traspirazione, assorbimento da flora
e fauna) ne impedisce l’utilizzo solo a breve termine
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stress e scarsità
stress idrico = disponibilità di acqua dolce < 1,700 m3/anno pro-capite
scarsità idrica = disponibilità di acqua dolce < 1,000 m3/anno pro-capite
scarsità idrica assoluta = ….. … ….. ..… < 500 m3/anno pro-capite
nel prossimo futuro stress e scarsità sarano sempre più diffusi nel mondo
SCARSITÀ
IDRICA
di tipo
FISICO
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Secondo Population Action
International, sulla base delle
proiezioni demografiche delle
Nazioni Unite, più di 2.8 miliardi
di persone 48 paesi dovranno
fare fronte a situazioni di
scarsità idrica già a partire
dall’anno 2025
40 di questi paesi sono nell’Asia
Occidentale, nel Nord Africa o
nell’Africa sub-sahariana
Nell’anno 2050, gli scenari di
scarsità idrica potrenno toccare
54 paesi, dove vivrà 40% della
popolazione mondiale
Vital Water Graphics, UNEP. http://www.unep.org/dewa/vitalwater/article141.html
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Il focus sulla disponibilità assoluta di risorse idriche è una fonte di distrazione
di massa, poichè ciò che conta è la distribuzione, non solo geografica, ma
anche sociale all’interno di ogni entità geografica
199.7
(2012)
La tendenza della popolazione mondiale a connettersi in rete amplifica la
coscienza di una distribuzione ingiusta delle risorse, creando una pressione al
suo superamento
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SCARSITA’ IDRICA
(fisica ed economica)
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acqua e cibo
acqua ed energia
acqua e clima
acqua e città
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acqua e cibo
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acqua e cibo
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Gran parte dell’uso di risorse idriche è legato all’agricoltura
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acqua e cibo
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Acqua virtuale :
Acqua utilizzata per la produzione di un bene (Allan, 1998)
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Globalizzazione dell’acqua
“flussi” di acqua virtuale associati con l’import-export di acqua virtuale
Net Exporters
Net Importers
Suweis et al., 2011; Carr et al., 2013
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IMPORTAZIONE NETTA DI ACQUA VIRTUALE (Giga m3 / anno)
ITALY: more than 2000 cu.meters/year per person
i.e. ITALY: 168 mm/year of rain over total country area
358 mm/year of rain over total arable country area
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acqua e cibo
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Risorse Idriche vs. Popolazione
……… demographic data
____ growth driven by virtual water
_ _ _ growth driven by local water
Suweis, S., A. Rinaldo, A. Maritan, and P. D’Odorico,
Water-controlled wealth of nations, Proc. Natnl Acad.
Sci., USA, PNAS, 110(11), 4230-4233, 2013.
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acqua e cibo
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ACQUA E SVILUPPO
Virtual water imports and exports
(tonne grain / year).
Relative amount of WT from each
node: size of the nodes.
The associated numbers show the
average VW imported or exported
each year. The edge colour and
thickness indicates
the relative volume of VW flow
between nodes.
The largest flows are between
Spain and Italy, locally within
Egypt, from south-eastern Italy
to western Italy and along the
Aegean coast of Turkey. Rome is
by far the largest importer of
VW, followed by Alexandria and
Memphis in Egypt, Ephesus on
the west coast of Turkey,
Antioch in south-eastern Turkey
and Corinth in Greece
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imported
exported
Dermody, B.J., R. P. H. van Beek, , E. Meeks, , K. Klein Goldewijk, , W. Scheidel, Y. van der Velde, M. F. P. Bierkens, M. J. Wassen, and
S. C. Dekker, A virtual water network of the Roman world, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 5025–5040, 2014.
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acqua e cibo
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The stability of yields over time
The map shows in how many years the total annual yield in each cell remains within 10% of the
average yield for the same cell calculated over 52 years of climate forcing. In the Nile Valley,
yields remain within 10% of the average yield in all years, meaning that yields are exceptionally
stable. Regions of northern Spain and northern France are relatively unstable with yields
dropping below 10% in at least 40 out of 52 years.
Dermody, B.J., R. P. H. van Beek, , E. Meeks, , K. Klein Goldewijk, , W. Scheidel, Y. van der Velde, M. F. P. Bierkens, M. J. Wassen, and
S. C. Dekker, A virtual water network of the Roman world, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 5025–5040, 2014.
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Il Commercio dell’Acqua Virtuale (VWT) è stato uno dei più
importanti fattori di stabilità dell’Impero Romano per
centinaia di anni, sviluppando una rete di scambio di
acqua virtuale in grado di rispondere alla variabilità interannuale del clima di questa area geografica
Gli avanzati Metodi Irrigui e una rete flessibile di
Commercio dell’Acqua Virtuale sono stati fattori chiave di
resilienza dell’Impero
Per contro, l’urbanizzazione che il VWT ha facilitato e
promosso ha spinto l’Impero sempre più vicino ai limiti di
utilizzo delle proprie risorse idriche, producendo un
aumento dei costi di importazione ed erodendo cos la
resilienza climatica sul lungo periodo
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Source: Adapted from - Suweis et al. PNAS 2013
Hunger vs. Water Resources
Source: Adapted from – 2013
Global Hunger Index Report
Global Hunger Index
by Severity
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acqua e cibo
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2006
Popolazione: 6.5 miliardi
2050
Incremento Popolazione: 3 miliardi
Malnutrizione: 800 millioni
Eliminazione Malnutrizione
Uso delle risorse idriche per la
produzione di cibo:
4500 km3 y-1
Incremento delle risorse idriche per
la produzione di cibo:
+4200 km3 y-1
Falkenmark, M. and J. Rockstrom, The New Blue and Green Water Paradigm: Breaking New Ground for Water
Resources Planning and Management, J. Wat. Res. Plan. Man., 132, 129-132, 2006
Queste stime non tengono però conto delle politiche energetiche e
dei cambiamenti di alimentazione !!!
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Popolazione
mondiale
Competizione per
la risorsa idrica
fra utilizzo per la
produzione di
cibo ed energia?
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problemi emergenti
• necessità di produrre più cibo in
valore assoluto
• necessità di accesso diretto al cibo
nei paesi che soddisfano le proprie
necessità sulle importazioni
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Crisi del
2008-2011
dovute a:
• Siccità
• Politiche
energetiche
(incentivi sui
biocarburanti)
• Prezzo del
petrolio
• Speculazioni
Source: FAO 2013
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Il principale uso delle risorse idriche d’acqua dolce è
quello alimentare
25-:-360
1
600-:-800
(Units: m3/person/yr)
data from
Falkenmark & Rockstrom, 2005
Siamo in procinto di esaurire le risorse
idriche per la produzione di cibo?
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Soluzioni (1/4)
Aumentare la resa colturale: yield gap closure ove possibile
Mueller, N.D., Gerber,
J.S., Johnston, M., Ray,
D.K., Ramankutty, N. &
Foley, J.A., Closing
yield gaps through
nutrient and water
management, Nature,
490, 254-257, 2012
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Soluzioni 2/3
aumentare le aree coltivate a spese di altri ecosistemi
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Soluzioni 3/3
Acquisizioni su larga scala di terreni da destinare all’agricoltura
Rulli, M.C., Saviori, A. & P. D’Odorico, Global land and water grabbing, Proc.
Natnl Acad. Sci., USA, PNAS, 110(3), 892-897, 2013.
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• L’acqua è il principale fattore che limita la
produzione di cibo
• Alcuni paesi sono già oggi in condizioni di
deficit idrico cronico
• In futuro ci sarà necessità di produrre più cibo
• Necessità di accesso diretto al cibo per paesi
che basano attualmente il proprio
approvvigionamento sulle importazioni
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• Il commercio di acqua virtuale non risolve i
problemi a lungo termine:
sia gli importatori che gli esportatori fanno affidamento sulle
stesse risorse per la propria crescita
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• Accesso diretto al cibo 
controllo diretto della risorsa 
controllo diretto delle risorse attraverso le
acquisizione di terreno su larga scala
Chiusura del gap di resa colturale 
trasferimento tecnologico
necessità di regolamentazione affinchè i diritti
delle popolazioni locali vengano salvaguardati al fine
di un uso equo della risorsa
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acqua e cibo
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acqua ed energia
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acqua ed energia 43
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cresce la domanda di energia
L’International Energy Outlook 2013 prevede un 2.2% di crescita annua
dell’energia elettrica (all’utenza) fino all’anno 2040
Se questa forte tendenza si verificherà per davvero, la capacità di
produrre energia a costi economicamente accettabili e in modo
sostenibile per l’ambiente è un fattore essenziale di benessere e di
progesso
Poichè la maggior parte delle fonti di energia richiede grandi quantità
d’acqua, ciò implica che le attuali fonti di approvvigionamento idrico
saranno soggette a uno stress ancora maggiore di quanto non lo siano
già oggi, tenuto anche conto dell’aumento della ppopolazione e della
crescita di domanda irrigua
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cresce la domanda di energia, 2
Si valuta che tra il 78% e il 90% degli impianti termici nel mondo
utilizzino l’acqua per trasformarla in vapore per alimentare le turbine
Inoltre, l’acqua è il liquido primario di raffreddamento nelle centrali
termiche, sia che utilizzino le tradizionali caldaie a carbone, sia che
impieghino reattori nucleari
e l’acqua alimenta l’idroelettrico
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cresce la domanda di energia, 3
non solo la generazione elettrica in-sito ha bisogno dell’acqua, ma
anche l’estrazione e la raffinazione dei combustibili fossili
metodi minerari di profondità come il fracking idraulico sono assai
“idrovori” e usano miliardi di metri cubi d’acqua ogni anno
il 38% dei depositi di shale gas nel mondo è in aree dove il rifornimento
idrico è problematico e, tra queste, il 40% delle riserve più importanti
ha severi limiti di approvvigionamento di acqua dolce
(Financial Times, September 2014)
perfino la produzione di pannelli fotovoltaici è “idrovora” poichè
un’azienda media impiega più di mille m3 d’acqua al giorno
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acqua ed energia 46
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scarsità idrica ed energia
la scarsità ha un effetto diretto sulla sicurezza energetica.
in molte aree del pianeta la mancanza d’acqua impedisce di produrre e
distribuire l’energia in modo affidabile, stabile e sostenibile
peggiora la situazione l’assoluta indipendenza delle decisoni prese in
materia idrica ed energetica, l’una e l’altra spesso basate su ipotesi
sorpassate sulla disponibilità e sulla domanda dell’altra o dell’una.
In queste aree le politiche energetiche devono tenere conto che gli
impianti dovranno fare fronte a forme di scarsità idrica: se il loro ciclo di
vita è di 20-:-40 anni, la pianificazione e la progettazione dell’impianto
devono mettere in conto la variabile acqua proiettata su tale orizzonte.
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la pianificazione mancata
oggi la produzione di energia fa sì che si derivi sempre più acqua dai
fiumi e se ne estragga sempre di più dalle falde, a un tasso maggiore di
quello del loro naturale ricambio,
così che la componente idrologica degli ecosistemi locali fa sempre più
fatica a compensare e adattarsi,
e, poichè il tempo di ricambio di un aquifero può arrivare anche a cento
o mille anni, una volta che l’estrazione supera il tasso di ricambio si va
verso l’esaurimento della riserva idrica
poichè, nelle regioni a scarsità idrica, la produzione di energia elettrica
compete con altri usi dell’acqua (potabile, irriguo) che hanno un’ovvia
priorità, in casi estremi gli impianti devono diminuire la produzione con
significativi impatti sociali ed economici
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la pianificazione mancata, 2
Siccità 2006 in Europa e in Italia, soprattutto nel bacino padano:
perdite di produzione energetica da fonti
• idroelettrica (per la necessità di sostenere la secca fluviale)
• termoelettrica (per caduta dei livelli di alimentazione)
• nucleare in Francia e Germania
Siccità 2011 in Texas, la peggiore della storia:
rovina del cotone ed eliminazione del bestiame
e forti perdite di produzione termoelettrica
Siccità 2013-2014 in Brasile, secondo produttore idroelettrico mondiale:
• ridotta capacità di produzione idroelettrica
• drammatico aumento dei prezzi
• impulso all’energia eolica
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acqua ed energia 49
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la pianificazione mancata, 3
Le contraddizioni legate alla scarsità idrica sono
enormi: in India gli agricoltori hanno cercato
disperatamente di coltivare le terre fertili anche senza
l’acqua necessaria, facendo ricorso a enormi quantità
di energia per pompare l’acqua dalle falde profonde,
ossia dalle falde fossili, aumentando i consumi
energetici del 25%,
tutta energia che proviene da impianti termoelettrici,
che a loro volta hanno dovuto usare sempre più acqua
per funzionare generando un devastante effetto di
retroazione positiva
Intanto l’India ha approvato un piano idroelettrico che
prevede la costruzione di impianti per nuovi 50
acqua ed energia 50
TeraWatt
nei prossimi 10 anni.
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come risorsa
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che fare?
disaccoppiare il problema
per iniziare un percorso che separi i destini concorernti di acqua ed
energia, ossia la loro tendenza a crescere con un effetto di retroazione
positivo, ricercatori e decisori politici dovrebbero lavorare a
• migliorare l’efficienza idrica nella produzione energetica,
• migliorare l’efficienza energetica nell’approvvigionamento idrico,
• promuovere lo sviluppo consapevole delle infrastrutture energetiche
e
• incoraggiare le buone pratiche per lo sviluppo di sistemi energetici
water-smart
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acqua ed energia 51
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che fare?
riformare le attuali politiche su acqua ed energia
nel pianificare nuove infrastrutture, gli scenari di localizzazione degli
impianti di produzione devono tenere conto in modo esplicito del
vincolo legato alle risorse idriche
molte regioni del mondo sofforno le conseguenze di mancate politiche
energetiche e idriche, con pesanti effetti di retroazione
per esempio, la Cina sta aumentando in modo notevle la capacità
produttiva degli impianti a carbone per supportare l’espansione
industriale, ma così facendo si rende assai vulnerabile, poichè la metà
dei nuovi impianti si localizza in aree dove le risorse idriche sono già in
una situazione di forte stress
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che fare?
enfatizzare il valore economico dell’acqua
bisogna valorizzare l’acqua nelle valutazioni economiche dei sistemi
energetici, in modo esplicito
non basta più considerare i costi tradizionali (combustibili, capitali,
trasporto,…) ma bisogna includere nei modelli decisionali tutti i costi
diretti e indiretti legati alla disponibilità idrica
SE VIENE A ESAURIRSI LA FONTE DI APPROVVIGIONAMENTO IDRICO, LA
PRODUZIONE DI ENERGIA DIVENTA IRRILEVANTE
AA.VV., The Water-Energy Nexus: Strategic Considerations for Energy Policy-Makers, World Economic Forum, May 2014.
questo concetto non contraddice il principio che l’acqua è un bene
comune e quindi pubblico, ma ne esplicita il vincolo che la sua
disponibilità per tutti pone a ogni componente dello sviluppo
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acqua ed energia 53
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che fare?
soddisfare il bisogno di innovazione
tecnologie di riduzione della domanda idrica degli impianti
termoelettrici (p.es. l’utilizzo di acque di ricircolo o l’air cooling possono
ridurre fino al 90% i prelievi di acqua dolce da fonti superficiali o
sotterranee nelle centrali a carbone; l’uso di sodio liquido ha molti
vantaggi rispetto all’aqcua come liquido di raffreddamento e di
trasferimento nei reattori nucleari; …)
anche le fonti alternative di energia pssono diminuire la propia impronta
idrica presnado una maggiore attenzione a questo aspetto
i procedimenti di desalinizzazione possono essere molto migliorati sotto
l’aspetto energetico
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acqua e clima
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acqua e clima
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acqua e clima
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CARESER
GLACIER,
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acqua e clima
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retrieved from: C. Casarotto, Lo stato dei ghiacciai del Trentino, 2010
CARESER
GLACIER,
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acqua e clima
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retrieved from:
C. Casarotto, Lo stato dei
ghiacciai del Trentino, 2010
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acqua e clima
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acqua e clima
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the Karakorum anomaly
Kaab, A., Berthier, E., Nuth, C., Gardelle, J., & Y. Arnaud, Contrasting patterns of early 21st century glacier mass change in the Himalaya, Nature,
488, 495-498, 2012.
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acqua e clima
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Streamflow will increase during the warm season, as sustained by
ice melt, especially during July and August, but with a potential shift
of high flows towards Spring months
Soncini, A., D. Bocchiola, G. Confortola, A. Bianchi, R. Rosso, C. Mayer, A. Lambrecht, E. Palazzi, C. Smiraglia & G. Diolaiuti, Future Hydrological
Regimes in the Upper Indus Basin: A Case Study from a High-Altitude Glacierized Catchment, J. Hydrometeorology, in print, 2014.
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Baltor
Campaign,
Field
Experiment
2011-2012
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XVII
century
1950
2050
1985
1970
2000
2010
1900
…such an interchange would not only require a clear
delineation of the interface between hydrology and
climatology but would probably also call for a clearer
understanding of the relationship between theory and
practice in each of the two areas
(James D.I. Dooge)
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acqua e clima
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Milano, 14 gennaio 2015
acqua e città
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acqua e città
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ACQUA DOLCE
(mc per persona)
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one order
of size
one order
of size
POPOLAZIONE URBANA (totale)
http://www.gapminder.org
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acqua e città
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acqua e città
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VALENS
AQUEDUCT
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acqua e città
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Kirkcesme water supply systems (1555-:- 1564)
Süleyman, Sultan, and Sinan, engineer and architect-in-chief
Uzunkemer
Aqueduct
Egrikemer
Aqueduct
Maglova
Aqueduct
Kovuk Aqueduct
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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14
POPULATION
12
10
8
6
1
4
2
12
00
14
77
18
17
18
85
18
97
19
14
19
35
19
45
19
55
19
65
19
75
19
85
20
00
20
10
71
5
53
0
33
0
0
JULIAN YEAR
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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Il territorio milanese ha
una struttura
idrografica
caratterizzata da una
fitta rete di corsi
d’acqua, principali e
secondari, d’origine
naturale o artificiale,
alimentati da bacini
extraterritoriali, da
corpi idrici a monte
dell’area urbana o
direttamente dalla rete
fognaria della città.
La rete, frutto di alcuni
secoli di antropizzazione
(a partire dal secolo X e
XI) comprende anche il
sistema dei Navigli
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L'acqua è la
componente di gran
lunga più importante
nel bilancio di massa
della città
450 x 106 m3
47% prelievi da falda
53% precipitazioni dirette
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acqua e città
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Milano, 14 gennaio 2015
Bonvesin della Riva riporta la
notizia che già nel 1200 ci fossero
6.000 pozzi di “acqua viva” nel
territorio di Milano
Oggi l'acquedotto cittadino conta
su una rete di 550 pozzi nel raggio
di una decina di chilometri
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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acqua e città
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congetture
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expansion of process variables
Modern hydrology is an observational science
originated after the late XVII century confutation of
current theories on springs and river origin. The
basic understanding was
1. that one must consider a
combination of physical
processes – i.e. precipitation,
infiltration, transpiration,
evaporation, and diversion, not
only flow – to explain runoff and
its variability at a river site
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Milano, 14 gennaio 2015
extension of the spatial scale of analysis
Modern hydrology is an observational science
originated after the late XVII century confutation of
current theories on springs and river origin. The
basic understanding was
2. that one must consider a
much larger spatial scale – i.e.
the drainage basin instead of a
river cross-section – to explain
runoff and its variability at a
river site
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ACQUA E SVILUPPO
Milano, 14 gennaio 2015
understanding of process interactions over a
wide range of space-time scales
Modern hydrology is an observational science originated after the
late XVII century confutation of current theories on springs and
river origin. The basic understanding was
3. that one must consider process
interactions – i .e. precipitation,
infiltration, transpiration, evaporation,
impounding and diversion – over a wide
range of spatial and temporal scales – i.e.
from a plot or a river transect to a creek
and the watershed to explain runoff and
its variability at a river site
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Milano, 14 gennaio 2015
Einstein’s son (Hans Albert) was once asked by his father:
“How does rain fall?”
“In drops”, was the young boy’s reply.
“That is very important as you will see”,
his father advised.
The discrete nature of rainfall may have inspired Einstein to introduce
the idea of wave–particle duality to explain blackbody radiation as a
particle noise added to the wave noise
(Kostinski and Shaw, 2009)
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Milano, 14 gennaio 2015
a large scale system can differ from the
sum of its individual components:
a forest is not just a collection of trees
( Fred I. Morton )
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Milano, 14 gennaio 2015
nobody accepts the model as true,
except
who built the model
everyone accepts the data as true,
except
who collected the data
( Gaylon S. Campbell )
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Milano, 14 gennaio 2015
In practice,
hydrology is
regarded mostly as a
Hydrology has
developed slowly technological
discipline rather
because it has
been considered than a science; this
an appendage of attitude is
responsible for
hydraulic
much bad science in
engineering
hydrology which, in
rather than a
natural science. turn, has led to
much bad
Vujica Yevievich technology in
1968 applied disciplines.
Some one is
going to…end
up with an
understanding
of the relation
of the physical
basis for
statistical
variability in
time and space.
David R. Dawdy
2008
Vito Klemes
1988
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grazie a
Maria Cristina Rulli
Daniele Bocchiola
Hubert H.G. Savenije
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grazie per l’attenzione
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