Il modello cinematico di deflusso ed erosione KINEROS 2 è un modello
fisicamente basato che descrive i processi di intercettazione, infiltrazione,
deflusso superficiale ed erosione da piccoli bacini agricoli e urbani. Il
bacino idrografico viene rappresentato da una cascata di piani e di canali e
le equazioni alle derivate parziali utilizzate dal programma che descrivono
il flusso di terra, il flusso dei canali, l’erosione e il trasporto di sedimenti,
vengono risolte con tecniche alle differenze finite. Questo modello può
essere quindi utilizzato per determinare gli effetti dei diversi elementi
artificiali, come gli sviluppi urbani, piccoli serbatoi di detenzione, o canali
rivestiti per alluvioni e la resa dei sedimenti.
Matteo Giubertoni 728104
Un’interfaccia a disposizione dell’utente, il sistema informativo geografico
(GIS), l'Automated Geospatial Watershed Assessment (AGWA), è stata
introdotta nel 2002 per facilitare la parametrizzazione e la calibrazione del
modello, dato che permette l’utilizzo di un set di dati territoriali disponibili
a livello internazionale per delineare il bacino idrografico, suddividerlo in
elementi del modello, e derivare tutti gli ingressi dei parametri necessari
per ogni elemento. AGWA permette anche la visualizzazione spaziale ed il
confronto dei risultati, e consente quindi la valutazione degli impatti
idrologici connessi al cambiamento del paesaggio.
KINEROS2 prende origine presso il Dipartimento dell'Agricoltura
statunitense (USDA), Agricultural Research Service (ARS) Southwest
Watershed Research Center (SWRC) nella fine del 1960 come un modello
(KINGEN) indirizzato allo studio del deflusso dai pendii delle colline. E’
stato poi successivamente modificato per includere l'erosione e il trasporto
dei sedimenti e una serie di ulteriori miglioramenti, ed è stato pubblicato
nuovamente nel 1990 nella sua versione KINEROS. Ricerche successive
hanno portato a ulteriori miglioramenti del modello e a una struttura più
robusta, che sono stati incorporati nella versione più recente: KINEROS2
(K2). K2 è un software pen source ed è distribuito gratuitamente via
Internet, insieme con la documentazione associata.
KINEROS usa equazioni di cinematica unidimensionale per simulare il flusso
su piani rettangolari e trapezoidali attraverso canali aperti, condotte circolari e
stagni di detenzione di piccole dimensioni.
Le perdite di trasmissione dei canali sono già incluse e l’algoritmo di
infiltrazione è dinamico, interagendo sia con le piogge che con le acque
superficiali in transito.
In KINEROS2, il modello concettuale è una matrice di elementi spazialmente
distribuiti, che configura in modo efficace il bacino idrografico in un insieme di
forme geometriche semplici (piani di scorrimento superficiale rettangolari, canali
trapezoidali prismatici aperti, ecc), orientate in modo che il flusso monodimensionale possa essere assunto. Una suddivisione tipica, dalla topografia di
elementi del modello, di un piccolo bacino nella Noce USDA-ARS Guch
sperimentale è illustrato nella figura sottostante.
Bisogna quindi suddividere il
bacino idrografico in scorrimento
superficiale ed elementi a canale
aperto, in genere utilizzando una
mappa topografica come quella
sopra riportata, partendo dal
determinare la portata della rete dei
canali da modellare, il che permette
anche di determinare il numero
minimo di elementi di scorrimento
superficiale. Possono quindi essere
ulteriormente
suddivise
per
riflettere variazioni sostanziali nei
terreni la pendenza, la vegetazione
e l’uso del suolo. Ogni elemento
viene poi assegnato ad adeguati
valori di parametri che descrivono
la sua geometria, l’idraulica, e le
caratteristiche di infiltrazione ed
erosive, così come i suoi legami
con gli elementi vicini.
Inoltre, la suddivisione definita dall'utente, può essere fatta per isolare porzioni
distinte del bacino idrologico, se desiderato (ad esempio, vaste aree impervie,
bruschi cambiamenti di pendenza, tipo di suolo, o rugosità idrauliche, etc.) .
I processi idrologici che possono essere rappresentati con KINEROS2 sono
molteplici: ad esempio l’intercettazione, che riduce l’intensità delle precipitazioni a
simulare una parziale copertura della vegetazione, l’umidità del suolo, che
approssima la distribuzione dell’acqua del suolo durante una pausa delle
precipitazioni, l’infiltrazione durante le piogge, ecc.
Il modello tiene in conto di diverse componenti:
• Flusso via terra: la comparsa di acqua libera stagnante sulla superficie del suolo,
dà luogo a deflusso in direzione della pendenza locale. Le piogge sono in grado di
produrre ristagni in base a due meccanismi: il primo meccanismo prevede un tasso
di precipitazioni che supera la infiltrabilità del suolo in superficie, mentre il secondo
meccanismo si verifica quando uno strato di terra più profondo nel suolo limita il
flusso verso il basso e lo strato superficiale riempie la sua porosità disponibile.
Visto su scala molto piccola, lo scorrimento superficiale è un processo
tridimensionale estremamente complesso. A più vasta scala tuttavia, può essere visto
come un processo di flusso mono-dimensionale.
• Canali: il flusso di superficie libera in canali è rappresentata dall’approssimazione
cinematica per le equazioni del moto vario. Varia nel tempo l’afflusso laterale da
elementi terrestri di portata su uno o entrambi i lati del canale, da uno o due canali al
confine a monte, o da una zona al confine a monte. Le dimensioni delle unità di
scorrimento superficiale vengono scelte per coprire completamente il bacino, in modo
che le precipitazioni sul canale non vengano considerate direttamente.
• L’infiltrazione del suolo: KINEROS2 contiene un nuovo modello di infiltrazione
nel suolo che consente una specificazione più dettagliata del profilo del terreno per
ogni elemento idrologico, compresa la specificazione delle caratteristiche del letto di
un canale infiltrante. La nuova formulazione consente una nuova approssimazione
fisicamente basata per la redistribuzione delle acque nel suolo, compreso il recupero
della capacità di infiltrazione nel corso di un periodo di pausa, e un metodo più
accurato che determina il tasso di infiltrazione a seguito di una pausa. Il modello di
infiltrazione nel suolo è un'estensione del modello utilizzato in KINEROS, che
descrive la capacità d’infiltrazione in funzione della profondità infiltrata.
• Erosione e trasporto di sedimenti: KINEROS è anche in grado di simulare il
movimento del suolo eroso insieme al movimento delle acque di superficie. Vengono
fatti i conti separati sia per l'erosione causata dall’energia della goccia di pioggia che
per l'erosione causata dall’acqua che scorre, e continua la simulazione attraverso
il canale e gli elementi di stagno.
• Pioggia: i dati di pioggia sono inseriti come profondità accumulata nel tempo oppure
come intensità nel tempo. Una coppia tempo-profondità definisce semplicemente la
pioggia totale accumulata fino a quel momento mentre una coppia tempo-intensità
definisce il tasso di precipitazioni fino alla coppia di dati successiva. La piovosità è
modellata come spazialmente uniforme su ogni elemento, ma varia tra gli elementi se vi
è più di un calibro di pioggia. La variabilità spaziale e temporale delle precipitazioni è
espressa per interpolazione.
KINEROS2 è un modello molto diffuso e utilizzato grazie alla sua semplicità nella
previsione del deflusso e del trasporto dei sedimenti.
MATTEO GIUBERTONI