Cosa preannunciano i sistemi di preannuncio - D. Biondi1 e P. Versace1 Giornate dell'Idrologia della Società Idrologica - WebGis CAMILab
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Giornate dell’Idrologia della Società Idrologica Italiana 2014 Arcavacata di Rende, 26-28 Novembre 2014 Cosa preannunciano i sistemi di preannuncio D. Biondi1 e P. Versace1 1Dipartimento di Ingegneria Informatica, Modellistica, Elettronica e Sistemistica
Schema generale di un sistema di allertamento Fase Di Fase di Fase Fase di Monitoraggio / gestione conoscitiva Previsione Sorveglianza dell’emergenza Previsione degli Verifica del livello di Messa in atto delle Volta a definire e effetti al suolo criticità in azioni di contrasto aggiornare gli indotti dalla essere/previsto: degli effetti, confronto misure elementi tecnico- situazione rilevate-soglie adottate contenimento danni e scientifici di base meteorologica e/o informazioni gestioni degli osservatori locali interventi prevista 1) Suddivisione del territorio in zone di allerta omogenee Emissione del Emissione del bollettino 2)definizione tipo Bollettino/Avviso di di aggiornamento sulla rischio criticità idrogeologica e situazione meteo- 3) Determinazione e idraulica idrometrica aggiornamento del sistema soglie
Fase conoscitiva: Definizione scenari di evento per rischio idrogeologico e idraulico Scenario Fenomeni meteo-idro Scenario d'evento - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. ScenarioGEO Fenomeni meteo-idro - Possibili cadute massi. - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale 0 Localizzati e intensi - Limitati fenomeni di alluvionamento nei tratti montani dei bacini a regime torrentizio 0 IDRO Localizzati e intensi - Repentini innalzamenti dei livelli idrometrici dei corsi d’acqua minori - Fenomeni di rigurgito dei sistemi di smaltimento delle acque meteoriche - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. GEO 1 1 Diffusi, non intensi, - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. Diffusi, non intensi, anche persistenti - Incrementi dei livelli dei corsi d’acqua generalmente contenuti all’interno dell’alveo. anche persistenti IDRO - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. 2 -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. Diffusi, intensi e/o persistenti - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO versante, in contesti geologici particolarmente critici. 2 Diffusi, intensi e/o Diffusi, molto intensi e - Possibili cadute massi in più punti del territorio. persistenti 3 - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e IDRO persistenti delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, trasporto solido e divagazione dell’alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO versante, anche di grandi dimensioni. Diffusi, molto intensi e - Possibili cadute massi in più punti del territorio. 3 persistenti -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di aree anche distanti dai corsi d'acqua. IDRO - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro.
Scenari di evento: rischio idrogeologico e idraulico Fenomeni meteo-idro Scenario d'evento - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. GEO - Possibili cadute massi. - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale Localizzati e intensi - Limitati fenomeni di alluvionamento nei tratti montani dei bacini a regime torrentizio IDRO - Repentini innalzamenti dei livelli idrometrici dei corsi d’acqua minori - Fenomeni di rigurgito dei sistemi di smaltimento delle acque meteoriche - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. GEO Diffusi, non intensi, - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. anche persistenti IDRO - Incrementi dei livelli dei corsi d’acqua generalmente contenuti all’interno dell’alveo. - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO versante, in contesti geologici particolarmente critici. Diffusi, intensi e/o - Possibili cadute massi in più punti del territorio. persistenti - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, IDRO trasporto solido e divagazione dell’alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO versante, anche di grandi dimensioni. Diffusi, molto intensi e - Possibili cadute massi in più punti del territorio. persistenti -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di aree anche distanti dai corsi d'acqua. 137 zone di allerta IDRO - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro.
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Criticità/Cod./Colore Fenomeni meteo-idro Scenario d'evento - Possibili isolati fenomeni di erosione, frane superficiali, colate rapide detritiche o di fango. GEO - Possibili cadute massi. Localizzati e intensi Ordinaria - Possibili isolati fenomeni di trasporto di materiale IDRO -… Ordinaria - Occasionali fenomeni franosi legati a condizioni idrogeologiche particolarmente fragili. Diffusi, non intensi, GEO - Condizioni di rischio residuo per saturazione dei suoli, anche in assenza di forzante meteo. anche persistenti IDRO - Incrementi dei livelli dei corsi d’acqua generalmente contenuti all’interno dell’alveo. - Condizioni di rischio residuo per il transito dei deflussi anche in assenza di forzante meteo. -Diffuse attivazioni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO Moderata versante, in contesti geologici particolarmente critici. Diffusi, intensi e/o - Possibili cadute massi in più punti del territorio. Moderata - Significativi innalzamenti dei livelli idrometricicon fenomeni di inondazione delle aree limitrofe e persistenti delle zone golenali, interessamento dei corpi arginali, diffusi fenomeni di erosione spondale, IDRO trasporto solido e divagazione dell’alveo. - Possibili occlusioni, parziali o totali, delle luci dei ponti. - Numerosi ed estesi fenomeni di frane superficiali e di colate rapide detritiche o di fango. - Possibilità di attivazione/riattivazione/accelerazione di fenomeni di instabilità anche profonda di GEO versante, anche di grandi dimensioni. Elevata Diffusi, molto intensi e - Possibili cadute massi in più punti del territorio. Elevata -Piene fluviali con intensi ed estesi fenomeni di erosione e alluvionamento, con coinvolgimento di persistenti aree anche distanti dai corsi d'acqua. IDRO - Possibili fenomeni di tracimazione, sifonamento o rottura delle opere arginali, sormonto delle opere di attraversamento, nonché salti di meandro.
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Probabilità si verifichi il fenomeno Ordinaria Ordinaria Moderata Gravità ed Moderata estensione dei fenomeni Precursore del fenomeno Elevata Elevata OFF - probabilità di accadimento nulla o trascurabile ON - probabilità di accadimento non trascurabile
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Criticità = Scenario d’evento Come si decide? Cosa si fa?
Sistemi di preannuncio delle piene e delle frane indotte da pioggia Radar Meteorologico Sistema di RILEVAMENTO Sensori Satellitari Rete di Monitoraggio al suolo Pluviometri Idrometri Inclinometri Altri strumenti Previsione delle Piogge Sistema di Trasformazione Propagazione PREVISIONE Afflussi - Deflussi Onda di Piena Innesco Frane indotte Propagazione da pioggia della frana Assente Criticità Ordinaria DECISORE Moderata Elevata
Modelli previsionali PQPF QPF Altri input
Modelli previsionali
Soglie pluviometriche Periodo di ritorno Equilibrio MA-FA Criticità Elevata Soluzioni di modellazione inversa Criticità Moderata Criticità Ordinaria Criticità Elevata Criticità Moderata Criticità Ordinaria Numero superamenti tollerabile Eventi del passato
Soglie idrometriche franco Sezioni critiche P[Qeff>Qcr] Portata critica = portata di guardia
Tempi di preannuncio vs tempi di intervento Nowcasting Tempo di risposta Tempo evoluzione del fenomeno Previsione del Occorrenza del Innesco di precursore Impatto precursore Piene/Shallow landslides tempo di intervento Nowcasting Tempo di risposta Tempo evoluzione del fenomeno Previsione del Occorrenza del Innesco di precursore precursore Impatto Piene/Shallow landslides
Prevedibilità degli eventi, precursori e incertezza Evoluzione temporale del fenomeno Dimensioni piccole Dimensioni medie Dimensioni grandi Previsioni meteorologiche Precipitazione/Pluviometri Livello idrometrico/idrometri (PQPFs/radar/satellite) Incertezza
Possibile alternativa: attribuire ad ogni scenario/criticità una classe di probabilità Scenario d'evento Fenomeni meteo-idro 0 Localizzati e intensi 1 Diffusi, non intensi, anche persistenti 2 Diffusi, intensi e/o persistenti Diffusi, molto intensi e Es. Classi di probabilità 3 persistenti Nulla < 1% 1%
NOTHING BE TAKE BE AWARE SPECIAL PREPARED ACTION Da Casagli, Landslides Monitoring, Geological and Hydraulic Safety along Motorways and Railways, Cosenza 25-26 novembre 2014
Un metodo per la valutazione dell’incertezza: il BFS (Bayesian Forecasting System) Precipitazione Altri input Modello Idrologico deterministico Precipitation Hydrologic Uncertainty Uncertainty Processor Processor (HUP) (PUP) Integratore (INT) Ψn ( yn | y0 ) Incertezza predittiva
Valutazione dell’incertezza idrologica Incertezza idrologica: Precipitazione Altri input - Struttura del modello - Stima dei parametri - Stima altri ingressi -… Modello Idrologico deterministico Precipitazione non affetta da errori P Modello a Hydrologic Uncertainty t0 t1 t2 t3 priori Processor (HUP) y0 y1 ? y2 ? y3 ? t0 s1 s2 s3 y =portata effettiva; s=portata prevista dal modello;
Valutazione dell’incertezza idrologica Anticipo di 1 ora Qcr Qcr Qcr Piove poco Piove poco Piove poco Piove molto Piove molto Piove molto Distribuzione a priori Distribuzione a posteriori Distribuzione a posteriori (basata solo su y0) (basata su y0 e previsione (basata su y0 e previsione modello s1=2 m3/s) modello s1=15 m3/s) (Biondi et al., 2010)
Valutazione dell’incertezza associata alla previsione della precipitazione Probabilistic Quantitative Precipitation Forecast (PQPF) Precipitazione Altri input prevista P Modello Idrologico t0 t1 t2 deterministico y0 y1 ? y2 ? Precipitation Uncertainty Processor t0 s1 s2 (PUP) y =portata effettiva; s=portata prevista dal modello; Ipotesi di modello idrologico perfetto
Applicazione ad un evento 30 95% observed 95% observed b) 30 discharge a) discharge 75% 75% 25 25 50% 50% 25% 25% 20 20 Distribuzione a 5% 5% Incertezza priori m3/s precipitazione m3/s 15 15 (basata solo su y0) 10 UD 10 PD 5 5 0 0 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 30 95% observed 30 95% observed c) discharge d) discharge 75% 75% 25 25 50% 50% 25% 25% 20 20 5% 5% Incertezza Incertezza m3/s m3/s idrologica 15 15 Totale HD 10 10 TD 5 5 0 0 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 18.20 18:40 19.00 19:20 19.40 20:00 20.20 20:40 21.00 21:20 21.40 22:00 22.20 22:40 (Biondi & De Luca, 2012)
Sintesi di più eventi Anticipo n = 1 ora Box-plot ampiezza della fascia di previsione (Biondi & De Luca, 2012)
b) 35 a) 35 Inside Interquartile Inside Interquartile PD Outside Interquartile UD Outside Interquartile 30 30 Accuratezza nella previsione degli 25 25 50% quantile (m3/s) 50% quantile (m3/s) 20 20 15 15 eventi osservati 10 10 40% 18% 5 5 RMSE=6.2 RMSE=7.7 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 c) Observed discharge (m3/s) Observed discharge (m3/s) 35 d) 35 TD Inside Interquartile Inside Interquartile HD Outside Interquartile Outside Interquartile 30 30 25 25 50% quantile (m3/s) 50% quantile (m3/s) 20 20 15 15 10 10 44% 51% 5 5 RMSE=5.2 RMSE=5.4 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 Observed discharge (m3/s) Observed discharge (m3/s) (Biondi & De Luca, 2013)
Valutazione e riduzione dell’incertezza (parametrica) in bacini non strumentati • Necessità di utilizzare tutta l’informazione disponibile; • Legame con studi statistici regionali; • Utilizzo di “firme” della risposta idrologica. Bacini con sezioni a idrometri rischio idraulico R4
Valutazione e riduzione dell’incertezza (parametrica) in bacini non strumentati Firme idrologiche utilizzate S = L-momenti massimi annuali di portata al colmo ( Q , Lcv, Lca) Eq. di regressione regionali in funzione di descrittori geomorfologici POR Calabria 2000-2006 (Claps e Laio, 2008) “Lotto 7: Stima delle massime portate al colmo di piena” ln Qind = −491 + 32.7 ln Ybar + 3.43 ln LCV 6 + 0.887 ln A − 0.562 ln H m LCV = 3.34 ⋅10 −1 − 4.823 ⋅10 −2 ⋅ LC _ 4 + 3.079 ⋅10 −2 ⋅ LC _ 1 − 1.259 ⋅10 −4 ⋅ IPSO _ INTERQ + 1.46 ⋅10 −2 ⋅ SLDP LCA = 1.179 − 2.679 ⋅ n − 8.473 ⋅10 −2 ⋅ LC _ 4 + 3.125 ⋅10 −3 ⋅ PERM _ BA & MOBA + 0.0358 ⋅ SLDP Distribuzione a posteriori dei parametri θ del modello Bacini utilizzati Incertezza della stima nell’analisi regionale p(θ | S *) ∝ L( Sθ | S *) p0 (θ ) (Biondi & De Luca, 2014)
Distribuzione marginale a posteriori dei parametri Distribuzione- Post-Reg A priori Stime regionali S Regionale Media- L1 27 Lcv 0.369 Lca 0.402 σ Regionale Media – L1 16.3 Lcv 0.106 Lca 0.197
Distribuzione marginale a posteriori dei parametri Distribuzione- Post-Sample S Empirica Stime empiriche Media- L1 27 Lcv 0.248 Lca 0.283 σ Empirica Media – L1 4.1 Lcv 0.084 Lca 0.234
Curva di frequenza delle piene – simulazione idrologica di serie sintetiche di precipitazione A priori- uniforme Post-Reg Post-Sample 80% Monte Carlo TCEV-Reg Intervalli di conf. TCEV- Sample 50% Monte Carlo Valore medio Valore mediano 500 anni di pioggia sintetica con ∆t=20 min Intervalli di conf. 1000 set di parametri
Valutazione e riduzione dell’incertezza (parametrica) in bacini non strumentati Bacino Turbolo - Evento 18 Dicembre 2008 Distribuzione a priori uniforme Distribuzione Post-Reg EQc = 86.8 (%) EQc = 25.9 (%)
Verifica del modello rispetto a “dati non convenzionali” Periodo in cui si è verificato l’evento
Grazie per l’attenzione
Scenari di criticità idrogeologica e idraulica Bollettino di Vigilanza Meteorologica Nazionale Bollettino di Criticità Nazionale per il Rischio Scala Comunale idrogeologico e idraulico Soglie anche complesse, catena di modelli di previsione, valutazione di esperti, monitoraggio strumenti, presidi territoriali
Allertamento, Monitoraggio, diffusione e analisi e previsione gestione dell’emergenza
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