Calibrazione e validazione del modello Cathy in un bacino idrologico dell'Italia meridionale

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INTRODUZIONE: 
La maggior parte degli studi scientifici considera le reti fluviali oggetti statici, anche se 
caratterizzati da fluttuazioni idrologiche, causate da variazioni climatiche. Tali processi prendono in 
considerazione vari campi:  
• il campo idrologico;  
• il campo ecologico, che riguarda il fiume per gli ecosistemi presenti;  
• la funzione biochimica degli elementi presenti al loro interno. 
Il seguente lavoro di tesi rientra all’interno del progetto di ricerca DyNet (Dynamical River 
Networks: climatic controls and biogeochemical function - - Programma della UE Horizon 2020 - 
ERC - 2017 - CoG): con tale progetto si vogliono esplorare i fenomeni che determinano queste 
condizioni di dinamicità fluviale. Attraverso una serie di campionamenti settimanali e di raccolta 
dati, sono in atto investigazioni sui diversi processi fisici mirati a condurre, nel cambio di 
paradigma nella concezione del reticolo idrografico da statico a dinamico, all’approfondimento 
delle conoscenze nel campo idrologico, ecologico e biochimico. Si intende introdurre, perciò, una 
nuova visione dei reticoli idrografici, valorizzando ulteriormente la distinzione non solo tra corsi 
d’acqua temporanei e permanenti, ma, al loro interno, tra singole aste a deflusso continuo o 
intermittente. Tale differenziazione è ritenuta un punto chiave dalla comunità europea, in quanto la 
gestione dei fiumi e i protocolli di osservazione dei corsi d’acqua temporanei deve essere differente 
rispetto agli analoghi protocolli per i corsi d’acqua permanenti. 
 La seguente analisi prende in considerazione quattro bacini fluviali, posizionati lungo un gradiente 
latitudinale, caratterizzati da condizioni climatiche e geomorfologiche differenti: 
 
1. il fiume Rietholzbach nel bacino del Thur in Svizzera,  
2. il fiume Biois nel nord Italia,  
3. il rio Torbido, un affluente del Tevere, 
4.  il fiume Turbolo, un affluente del fiume Crati nel sud Italia;
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In tale progetto di ricerca, perciò, l’Università di Padova, punto di riferimento del progetto, sta 
collaborando con l’Università della Tuscia, della Calabria e l’Istituto Eawag di Zurigo. 
La conoscenza dei processi e dei fenomeni idrologici nel bacino, punto di base per sviluppi futuri, è 
stata portata avanti attraverso la modellazione idrologica con il modello “CATHY” (Catchment 
Hydrology), ovvero un modello idrologico distribuito ed accoppiato, che mette in relazione il flusso 
delle acque sotterranee con il movimento delle acque superficiali. Il flusso sotterraneo è descritto 
dall’equazione di Richards, definita per mezzi porosi con grado di saturazione variabile e risolta con 
un metodo agli elementi finiti. La parte superficiale, invece, è risolta attraverso l’equazione 
monodimensionale di De Saint Venant, equazione dell’onda diffusiva, risolta alle differenze finite. 
Essa prende in input solamente la topografia del terreno e, a partire da leggi di carattere idraulico, 
va a simulare il flusso all’interno del versante. Il modello perciò, rappresenta uno dei pochi modelli 
distribuiti presenti, ma è capace di accoppiare in modo dinamico i due fenomeni, sotterraneo e 
superficiale.  
L’utilizzo del modello CATHY è stato fondamentale per definire e comprendere le dinamiche 
idrologiche del bacino del Turbolo, caratterizzato da una geomorfologia molto complessa. 
L’obiettivo principale è stato quello di calibrare e validare il set di parametri caratterizzanti il 
modulo superficiale e sotterraneo, in modo tale da avere una stretta correlazione tra i deflussi reali 
ed i deflussi simulati. Il confronto ha dato modo in particolare di approfondire la modellazione dei 
fenomeni di infiltrazione ed exfiltrazione dal suolo.  
La tesi è suddivisa in cinque capitoli. Il primo capitolo tratta, essenzialmente, dell’influenza dei 
cambiamenti climatici sul ciclo idrologico, argomento di grande attualità; il secondo si sofferma 
sulle caratteristiche principali dei modelli idrologici distribuiti, attraverso un approfondimento del 
modello Cathy; il terzo è rivolto principalmente alle caratteristiche del bacino del Turbolo, punto di 
partenza per le fasi di calibrazione e validazione del modello, ampiamente approfonditi nei 
successivi ultimi due capitoli.
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1 CAPITOLO: IL CICLO IDROLOGICO E GLI EFFETTI DEI CAMBIAMENTI 
CLIMATICI 
1.1. IL CICLO IDROLOGICO   
Il ciclo idrologico rappresenta l’insieme dei processi di flusso dell’acqua all’interno dell’idrosfera 
terrestre, elemento che contiene la totalità di riserva idrica del nostro pianeta. All’interno di esso  
l’acqua, attraverso atmosfera, terra, acque superficiali ed acque sotterranee, modifica il suo stato 
fisico ( liquido, gassoso e solido). I fenomeni fisici che sono inglobati all’interno del ciclo sono: 
• evaporazione,  
• condensazione, 
•  precipitazione, 
•  infiltrazione,  
• accumulo,  
• scorrimento e flusso sotterraneo.  
Il ciclo (Fig.1), vista la sua complessità, non segue uno schema ben definito: l’acqua, evaporando 
dagli oceani, condensa in atmosfera formando le nuvole, per poi tornare sulla terra e scorrere verso i 
mari e gli oceani. Può succedere che, prima di raggiungere di nuovo l’oceano e ricominciare il 
ciclo, l’acqua possa essere soggetta ai continui fenomeni di evaporazione, precipitazione e 
scorrimento superficiale. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1- Fasi del ciclo idrologico [Il ciclo dell’acqua, Pasculli Sergio]
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1.2. BILANCIO DEL CICLO IDROLOGICO  
Da un punto di vista quantitativo la massa di acqua, all’interno dei vari elementi presenti nel ciclo 
idrologico, rimane costante. L’equazione che regge il bilancio idrologico, in forma semplificata, è la 
seguente: 
P = E + R + I             1) 
dove: 
P= Precipitazione; E=Evapotraspirazione; R=Deflusso superficiale, I=Infiltrazione.  
Andando a specificare i vari termini presenti nella equazione, si ha: 
• La precipitazione rappresenta la quantità di acqua che viene rilasciata dall’atmosfera, grazie 
alle nuvole, verso la Terra. Essa cade sotto forma di pioggia, neve o grandine. La sua 
distribuzione, nello spazio e nel tempo, è variabile. Infatti può accadere che due punti 
diversi, posti a poca distanza, siano caratterizzati da due intensità diverse di precipitazione. 
Tuttavia però, quest’ultima cresce con l’altitudine e decresce con la distanza dalla costa. 
• L’evapotraspirazione è la quantità di acqua che transita dal suolo verso l’atmosfera grazie 
all’evaporazione di tutte le masse d’acqua presenti sulla Terra (laghi, fiumi, ecc..) e alla 
traspirazione delle piante attraverso le foglie. Da un punto di vista quantitativo, nel bilancio 
idrologico rappresenta uno dei termini più difficili da analizzare, vista la complessità del 
fenomeno. Infatti bisogna distinguere due tipologie di evapotraspirazione: 
1. Potenziale: si fa riferimento ad una condizione standard in cui i fattori che influenzano tale 
processo (radiazione solare, temperatura, contenuto d’acqua) si trovano nella condizione 
ottimale per farlo realizzare. 
2. Effettiva: rappresenta la condizione reale di tale fenomeno, in cui soprattutto il contenuto 
d’acqua rappresenta un fattore limitante per lo svolgimento di tale processo.  
• Il deflusso superficiale è il fenomeno per il quale l’acqua caduta sotto forma di 
precipitazione, grazie alle caratteristiche topografiche del suolo, viene incanalata verso i 
canali idrici principali dando luogo a tale evento. E’ importante sottolineare che non tutta la 
precipitazione da luogo al deflusso. Infatti il suolo, con le sue proprietà idrogeologiche (es.
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la permeabilità), riesce a farsi attraversare dall’acqua ed immagazzinarla, dando luogo al 
fenomeno dell’infiltrazione sotterranea. 
I flussi d’acqua globali medi, (Tabella 1), che si riscontrano sono i seguenti: 
Flussi d’acqua Media (10³km³/anno) 
Precipitazioni sulla Terra 107 
Precipitazioni sugli oceani 398 
Evaporazione dalla Terra 71 
Evaporazione dagli Oceani 434 
 
Tabella 1- Flussi   Idrici Globali [Wikipedia] 
 
Dai dati, si possono riscontrare due informazioni importanti: 
• Sugli oceani l’evaporazione è predominante rispetto alla precipitazione, mentre sulla Terra 
si verifica il fenomeno opposto. 
 
• In ogni caso, la differenza globale tra precipitazione ed evaporazione dà luogo al deflusso 
superficiale. Tale fenomeno, dell’ordine di 36 
3
km³/anno, riequilibra il bilancio idrologico 
globale. 
 
 
L’idrosfera ha una riserva d’acqua pari a 1.390.000.000 km
3
, frammentata in serbatoi con capacità 
diversa (Tabella 2) Queste grandi riserve d’acqua hanno un importante ruolo regolatore all’interno 
del globo terrestre: fisico, idrodinamico, chimico e biologico.
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Grandi Serbatoi  
VOLUMI IDRICI IMMAGAZZINATI 
km
3
 % 
OCEANI 1340000000 96,4% 
GHIACCI 24000000 1,72 
ACQUE SOTTERRANEE 60000000 1,72 
ACQUE SUPERFICIALI 180000 0,15 
GLOBO IDROSFERA 1390000000 100% 
 
Tabella 2- Volumi idrici immagazzinati [Wikipedia] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2- Flusso medio annuo
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Per definire in modo più dettagliato i flussi (Fig.2) che entrano in gioco all’interno del bilancio 
idrologico, è necessario definire un volume di controllo ed applicare il principio di conservazione 
della massa: 
����
����
= �� − ��                                 2) 
dove: 
I= Flusso entrante nel volume di controllo 
O= Flusso uscente nel volume di controllo 
t =tempo  
Il volume di controllo all’interno del bilancio idrologico è rappresentato dal bacino idrografico. 
Esso è definito come “l’area topografica (solitamente identificabile in una valle o in una pianura) 
delimitata da uno spartiacque topografico (orografico o superficiale) di raccolta delle acque che 
scorrono sulla superficie del suolo, confluenti verso un determinato corpo idrico recettore  (fiume, 
lago o mare interno)”.[Wikipedia] 
In aggiunta al bacino idrologico, un altro sistema è il bacino idrogeologico. Esso è definito come 
“la frazione di bacino idrografico posta nel sottosuolo, delimitata da uno spartiacque  freatico (o 
sotterraneo).[Wikipedia] Questi due sistemi, spesso, non vanno a coincidere. 
Da qui l’equazione di bilancio idrologico, nel soddisfacimento del principio di conservazione della 
massa, diventa: 
P=ET+Q+I+V+ΔV                3) 
Dove:  
• P= Precipitazione;  
• ET= Evapotraspirazione; 
•  Q= Deflusso superficiale; 
• I=Infiltrazione nel sottosuolo; 
• V= Intercettazione dalla copertura vegetale;
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• ΔV= immagazzinamento di acqua all’interno del bacino  
 
1.3. CICLO IDROLOGICO NELL’AREA MEDITTERRANEA 
Il ciclo idrologico nell’area Mediterranea (Figura 3) è regolato da due sistemi: dalla  cella di Hadley 
locale e dall’anticiclone delle Azzorre.  Questa posizione rende il clima idrologico  sensibile alla 
variazione dei due sistemi atmosferici. Infatti  quest’area è circondata a nord dal regime piovoso 
caratterizzante l’Europa Centrale, mentre a sud dal clima arido proveniente dai deserti.  Per tale 
motivo il ciclo stagionale è contraddistinto da inverni relativamente freddi e piovosi e da estati 
calde ed asciutte. Durante la stagione invernale (Dicembre-Febbraio) cadono 500-700 mm sul 
bacino, 700-1000 mm sulle catene montuose. In estate, con il prevalere dell’anticiclone 
dell’Azzorre, si ha una notevole riduzione delle precipitazioni: i valori vanno da 200 mm ad un 
massimo di 700 mm. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3- Bacino del Mar Mediterraneo [Daniel Dalet, maps]
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1.4. EFFETTI DEI CAMBIAMENTI CLIMATICI A SCALA DI BACINO 
La comunità scientifica, nella definizione dei futuri scenari climatici, ha previsto una notevole 
variazione delle caratteristiche e delle grandezze che entrano in gioco nei bilanci terrestri. Quelle di 
maggiore interesse sono quelle che entrano in gioco all’interno del bilancio idrologico. Tra le 
variazioni a lungo termine (IPCC WGI,2013-14) si è registrato una diminuzione dei valori medi di 
precipitazione con aumento della sua intensità. Inoltre, unitamente a tali fenomeni, è previsto un 
aumento dell’evaporazione che porterà ad una diminuzione dell’umidità del suolo. Il progressivo 
aumento del deficit tra evaporazione e precipitazione porterà quindi, nel corso degli anni, a 
fenomeni di siccità più frequenti e più intensi (IPCC WGII, 2013-14; Lehner et al., 2005). Inoltre, 
data la presenza di fenomeni meteorologici più intensi dovuti alla maggiore energia presente 
all’interno dell’atmosfera, si sono registrati volumi di piena maggiori nei regimi idrici. Quest’ultimo 
fattore è dovuto non solo a cause di natura naturale ma anche ad attività antropiche, come 
l’urbanizzazione e l’alterazione degli ecosistemi naturali. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4- Serie delle anomalie di temperatura media globale sulla terraferma ed in Italia, 
rispetto ai valori climatologici normali 1880-2014. Fonte NCDC/NOAA
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Figura5-Serie delle anomalie di temperatura media globale sulla terraferma ed in Italia, rispetto 
ai valori climatologici normali 1951-1980 
Le principali conseguenze possono essere riassunte in quattro punti: 
• Variazione dell’equilibrio termico, dovuto alla presenza dei gas serra che non consentono di 
disperdere l’eccesso di calore prodotto dalla superficie terrestre (Figura 4,5); 
• Incremento dei volumi di evaporazione; 
• Variazione del contenuto idrico prodotto dalle alterazioni della precipitazione ed 
evaporazione. 
• Variazione dei regimi idrici all’interno dei corpi idrici, con diminuzione delle risorse idriche 
utili. 
• Variazione dei regimi idrologici dei corpi idrici con aumento dei volumi di piena e fenomeni 
di esondazione.  
Questa situazione di non stazionarietà e di dinamicità climatica ed idrologica necessita di strumenti 
e di modelli capaci di definire dettagliatamente i flussi idrici presenti, al fine di dare una risposta
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quantitativa a tutte le grandezze in gioco all’interno del sistema e pianificare al meglio gli scenari 
futuri.  Per tale motivo, il seguente lavoro si incentra sull’ applicazione di un modello idrologico 
distribuito accoppiato che possa fornire in modo dettagliato tutti i fenomeni ed i flussi idrologici 
presenti a scala di bacino. Inoltre, all’utilizzo del   modello, sono stati affiancati i Sistemi 
Informativi Geografici (GIS) per esplicitare al meglio i dati spazialmente distribuiti dando una 
risposta concreta ai futuri scenari idrologici causati dal cambiamento climatico.  
 
Fig. 6-  Proiezioni di cambiamento medio del ciclo idrologico nella regione Euro-Mediterranea nel 
periodo 2070-2099 rispetto alle medie del periodo 1950-2000 (mm/giorno). Si mostrano le anomalie medie 
per la stagione secca (pannelli di sinistra) e per quella delle pioggie (a destra); precipitazione (P; pannelli 
a,b), evaporazione (E; pannelli c,d) ed il loro bilancio (P-E; pannelli e,f). [Da Mariotti et al., 2008] 
 
a b
c
e f
d