Advanced techniques for solving groundwater and surface water problems in the context of inverse methods and climate change

La tesi si sviluppa su diverse tematiche idrologiche relative alle acque sotterranee e superficiali nell’ambito dei problemi inversi e del cambiamento climatico. I metodi basati sul filtro di Kalman, con particolare attenzione al metodo Ensemble Smoother with Multiple Data Assimilation (ES-MDA), sono analizzati e migliorati per la soluzione di diversi tipi di problemi inversi. In particolare, una delle novità è l'applicazione di tali metodi per l'identificazione di serie temporali. Uno degli obiettivi della tesi è lo sviluppo di un pacchetto software scritto in linguaggio Python per l'applicazione della metodologia presentata. Il software è progettato in modo da poter essere facilmente adattato a diverse varianti del filtro di Kalman e da poter essere applicato per la soluzione di differenti tipi di problemi. Sono forniti diversi strumenti che consentono di impostare una configurazione dell'algoritmo che meglio si adatta al caso specifico in esame. La prima applicazione del metodo ES-MDA riguarda la determinazione\ dell’idrogramma delle portate in ingresso ad un sistema idraulico, sulla base di informazioni disponibili a valle (reverse flow routing) e un dato modello in avanti. Al fine di accertare le capacità del metodo sono stati sviluppati preliminarmente due esempi sintetici, per i quali viene valutata anche l’influenza delle dimensioni dell’ ”ensemble” e l'applicazione di alcune modifiche all’algoritmo, come la localizzazione e le tecniche di “inflation”. Infine, ES-MDA è applicato a un caso studio reale. I risultati mostrano la capacità del metodo proposto di risolvere questo tipo di problema; le prestazioni di ES-MDA migliorano, soprattutto per “ensemble” di piccole dimensioni, quando vengono applicate le tecniche di localizzazione e “inflation”. La seconda applicazione, nell'ambito delle acque superficiali, riguarda la calibrazione di un modello idrologico-idraulico che simula i meccanismi di formazione di eventi di piena a partire da sollecitazioni idrometeorologiche e la successiva propagazione. ES-MDA e il modello numerico sono accoppiati per la stima dei coefficienti di scabrezza e infiltrazione sulla base di un idrogramma delle portate noto in una sezione del dominio. I risultati di due test sintetici e un caso di studio reale dimostrano la capacità del metodo proposto di calibrare il modello idrologico-idraulico con un tempo di calcolo accettabile. Nel campo delle acque sotterranee, ES-MDA viene applicato per la prima volta per identificare simultaneamente la posizione della sorgente e la storia di rilascio di un inquinante in una falda acquifera, noti alcuni dati di concentrazione rilevati in diversi punti del dominio. Numerosi test sono stati eseguiti per valutare l’influenza della distribuzione spaziale e temporale dei dati di concentrazione, la numerosità dell' ”ensemble” e l'uso delle tecniche di localizzazione e “inflation”; inoltre, viene presentata una nuova procedura per eseguire una localizzazione iterativa spazio-temporale. La metodologia è validata mediante un esempio analitico e un caso di studio per il quale sono utilizzati dati ottenuti in laboratorio mediante una sandbox. ES-MDA porta ad una buona ricostruzione dei parametri investigati; una rete di monitoraggio ben progettata e l'applicazione delle modifiche sull’algoritmo (localizzazione e “inflation”) migliorano le prestazioni del metodo e aiutano a mitigare il possibile problema della non univocità della soluzione. Una parte della tesi riguarda lo studio dell'impatto del cambiamento climatico sulla disponibilità idrica delle falde acquifere. A tale scopo, viene sviluppato un modello surrogato capace di descrive la risposta dei livelli di falda alle variabili meteorologiche fino al 2100. Si tratta di un semplice approccio statistico basato sulle correlazioni tra i livelli di falda e due indici di siccità che dipendono dai dati di precipitazioni e temperatura. Il metodo viene utilizzato per valutare l'impatto del cambiamento climatico sulle risorse idriche sotterranee in un'area di studio situata in Nord Italia, utilizzando i dati di serie storiche ed estratti da modelli climatici regionali. I risultati denotano un progressivo aumento della siccità delle acque sotterranee nell’area di studio.