L’interazione dinamica tra flussi superficiali e sotterranei nella modellistica idrologica distribuita

1. Scopo della tesi
La caratterizzazione delle interazioni tra atmosfera, suolo superficiale e sottosuolo è sempre più rivelante nel campo idrologico, nelle attività di gestione delle risorse idriche, nelle previsioni delle piene, nello studio degli effetti dei cambiamenti climatici e nella salvaguardia della qualità dell’acqua e degli ecosistemi naturali.
Esistono già alcuni studi che provano a rispondere a queste necessità, ma ne sono necessari ancora molti, soprattutto utilizzando modelli distribuiti sempre più realistici e che realizzino un corretto accoppiamento tra il flusso superficiale e quello sotterraneo.
In particolare la dissertazione realizzata si è prefissa lo scopo di studiare la complessità e la versatilità di un modello idrologico distribuito, efficiente su applicazioni a piccole scale, adatto a rappresentare in un modo coerente con la realtà tutte le possibili dinamiche ed i processi di scambio idrico tra suolo e sottosuolo.

2. Metodi di indagine
In questo elaborato è stato possibile approfondire la teoria su cui si basa il modello idrologico distribuito CATHY (CATchment HYdrology), composto da tre moduli di analisi:
1. Modulo superficiale: attraverso una soluzione alle differenze finite del secondo ordine dell’equazione dell’onda diffusiva, vengono trattati i flussi di scorrimento superficiale generati dalla forzante atmosferica o provenienti da un’exfiltrazione dal sottosuolo, allo scopo di calcolare l’altezza della lama d’acqua superficiale che determina la condizione atmosferica al contorno (rispettivamente di Dirichlet o Neumann), per impostare la successiva analisi sotterranea. Il tutto è integrato da un processo di analisi dei dati territoriali digitalizzati, al fine di realizzare una precisa delineazione del reticolo di drenaggio. La determinazione della rete idrografica risulta di fondamentale importanza, in quanto definisce dove è presente il deflusso canalizzato e dove si verifica quello di versante;
2. Modulo sotterraneo: qui si applica una soluzione agli elementi finiti dell’equazione tridimensionale di Richards, per poter modellare nel modo più reale possibile il comportamento dei flussi nel sottosuolo in un mezzo poroso parzialmente saturo. La risoluzione numerica dell’equazione di Richards è realizzata con una discretizzazione spaziale agli elementi finiti di Galerkin, che utilizza elementi tetraedrici e funzioni a base lineare, unita ad una discretizzazione temporale ponderata alle differenze finite di secondo livello, come esplicitato da Crank-Nicolson. Il metodo di linearizzazione adottato è l’iterazione di Picard, o alternativamente quella di Newton; 3. Modulo di accoppiamento superficie-sottosuolo: calcola i flussi di interscambio tra i due moduli di analisi, ripartendo la componente del flusso potenziale (atmosferico) tra flussi effettivi attraverso la superficie del suolo (scorrimento, infiltrazione/exfiltrazione ed evaporazione e flusso di ritorno), e cambiamenti nel grado di saturazione del suolo.
In particolare quest’ultima parte del modello risulta innovativa, dal momento che realizza l’accoppiamento tra flussi superficiale e flussi sotterranei senza dover aggiungere nuove variabili da calcolare, ma considerando il grado di saturazione di ciascun nodo dell’interfaccia suolo-sottosuolo, ed inserendo queste informazioni come condizioni al contorno di input per il modulo sotterraneo, classificandole volta per volta come condizioni secondo Neumann (dominate dall’atmosfera, cioè a flussi costanti) o Dirichlet (dominate dal tipo di suolo, cioè a carichi di pressione costanti).
Successivamente si è passati ad analizzare nel concreto come interagiscono fra loro i flussi superficiali e sotterranei di un bacino idrologico.

3. Risultati ottenuti
Grazie a questo studio di approccio alla modellistica idrologica distribuita, si sono meglio comprese le dinamiche reali che intercorrono nei flussi idrici di scorrimento superficiale e di infiltrazione/exfiltrazione nel sottosuolo. Conoscendo e modellando queste dinamiche nel dettaglio, si possono quindi studiare e prevedere meglio alcune problematiche ambientali, tra cui le ondate di piena, la diffusione ed il trasporto di soluti (che possono contenere matrici inquinanti) e le variazioni dei livelli di falda correlate ai cambiamenti nell’intensità, durata e frequenza delle precipitazioni atmosferiche, tra i più importanti effetti dei cambiamenti climatici.