A systematic approach for calibrating and validating the agro-hydrological SWAT model for policy support and decision making in large European River Basins

Questa tesi descrive l’attività di ricerca svolta durante i tre anni di dottorato (2013-2015) in Scienze dell’ Ingegneria, nel ramo di studio di Ingegneria Civile e Ambientale. Il lavoro di ricerca si è focalizzato sullo sviluppo di un approccio modellistico sistematico per calibrare e validare (C/V; Calibrazione/Validazione) il modello agro-idrologico SWAT per simulare realisticamente tutti i processi di quantità e qualità delle acque in grandi bacini idrografici in Europa (ovvero deflusso superficiale, flusso laterale, baseflow, erosione e sedimentazione, la crescita delle piante, ciclo dei nutrienti/destino/trasporto, denitrificazione e fenomeni carsici). Questa ricerca nasce dalla necessità di fornire robuste valutazioni ai fini di una corretta gestione e per il supporto alle decisioni politiche e normative. Molte innovazioni sono state introdotte nell’approccio modellistico sia per migliorare la struttura che la procedura di calibrazione. Prima di tutto, sono state fatte modifiche al modello SWAT per produrre nuovi e utili outputs per la calibrazione ed interpretazione di specifici processi. Nuovi algoritmi per il calcolo del parametro lunghezza di versante e del fattore LS sono stati testati e validati, cosi come modifiche alla equazione MUSLE. Inoltre, i processi carsici sono stati rappresentati usando il modello KSWAT (qui sviluppato), una combinazione del modello SWAT con un modello di flusso carsico. Per quanto riguarda la calibrazione/validazione, un approccio basato sui processi è stato sviluppato utilizzando sia “hard data” (lunghe serie temporali di dati in molteplici punti di monitoraggio) che “soft data” (informazioni da letteratura di uno specifico processo all’interno del bilancio idrologico, dei sedimenti o dei nutrienti che possono non essere direttamente misurate nell’area di studio, per esempio stima della media annuale di denitrificazione) per un triplice obiettivo: simulare bene le osservazioni, capire i processi all’interno di un bacino e fornire accurate analisi di scenario di costi-benefici per raggiungere gli obiettivi delle principali Direttive Europee. L’approccio modellistico sistematico qui proposto coinvolge diversi aspetti: una strategia di calibrazione e validazione che considera i processi sia relativi alla quantità (portata e sue componenti) che alla qualità (sedimenti e nutrienti); studio di dettaglio per rappresentare i processi idrologici in differenti zone climatiche, cosi come in aree con morfologie carsiche dominanti; validazione delle componenti del bilancio idrologico usando l’approccio di Budyko; la definizione di un setup di modello basato su un'analisi di sensibilità degli attributi topografici derivati da Modelli Digitali del Terreno (DEMs) con diverse risoluzioni; una inter-comparazione dei risultati di diversi modelli (approccio di 2 benchmarking) e la definizione di misure economicamente efficaci per le implementazioni delle migliori pratiche di gestione. Cinque casi studio, e dunque 5 modelli SWAT, che ricoprono circa il 55% d’Europa, sono stati realizzati per spiegare questi argomenti. La Penisola Iberica (556,000 km2) e la Scandinavia (1,000,000 km2) sono state scelte per testare la metodologia di C/V in differenti aree climatiche, mentre il Bacino del Danubio (800,000 km2), cosi come l’Upper Danubio (132,000 km2), sono stati considerati come strategiche, estese-socioeconomiche and eterogenee aree per studiare i principali temi della procedura attraverso la valutazione idrologica e qualitativa. L’isola di Creta invece è stata selezionata per rappresentare fenomeni carsici dal momento che ne è ricoperta piu’del 40%. L’analisi di queste applicazioni modellistiche con SWAT ha mostrato che la metodologica di C/V permette di ottenere buone performance statistiche e buone conoscenze di ogni processo idrologico attraverso l’analisi delle variazioni temporali e spaziali della portata calibrata in regioni diverse ed estese, caratterizzate da eterogenee caratteristiche quali topografia, uso del suolo, tipi di suoli e diversi regimi climatici. Inoltre, l’analisi delle principali componenti del bilancio idrologico (evapotraspirazione e deflusso di base) utilizzando l’approccio Budyko ha messo in evidenza le difficoltà del modello SWAT di predire correttamente il deflusso di base in bacini montuosi regolati, sottolineando la dipendenza della procedura di calibrazione dal numero e dalla distribuzione spaziale delle stazioni di monitoraggio e dall’impatto antropogenico di stoccaggio dell’acqua e diversioni. Si è osservato inoltre che la portata a grande scala non è influenzata né dalla risoluzione del DEM (sia di 25 m e di 100 m) né dagli attributi topografici derivati (per esempio pendenza e lunghezza di versante). Al contrario, le componenti della portata (superficiale, subsuperficiale e sotterranea) sono influenzate dal calcolato del parametro lunghezza di versante basato sul DEM, sottolineando la necessità di migliorare l’attuale algoritmo di SWAT per una migliore rappresentazione delle componenti della portata, cosi come i sedimenti tramite l’equazione “Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE)”. Questa equazione è stata modificata per ridurre la sensibilità dei sedimenti dalle dimensioni della Unità di Risposta Idrologica (HRU) e dal fattore pendenza –lunghezza (LS) ottenerlo robuste simulazioni di concentrazioni e carichi di sedimenti, come anche robusti bilanci in grandi bacini fluviali. E’stato inoltre dimostrato che se opportunamente adattato SWAT è in grado di simulare i processi carsici e le sue intrinseche caratteristiche (per esempio la veloce di infiltrazione nell’acquifero profondo, il movimento dell’acqua nei condotti carsici attraverso sottobacini non ideologicamente connessi in superfici, e il ritorno di flusso nei canali tramite sorgenti 3 carsiche, incrementando così la robustezza del bilancio idrologico in numerosi bacini fluviali in Europa influenzati dalle risorse di acqua carsiche. Per quanto riguarda la qualità delle acque (sedimenti e nutrienti), è stato dimostrato che solo pochi parametri erano sensibili alla calibrazione, aumentando così la difficoltà di rappresentare la variazione spaziale di alcuni processi a grande scala, come la denitrificazione e il trasporto di sedimenti nei fiumi. Comunque, la variazione mensile dell’azoto e fosforo totale sono stati ben simulati in molteplici stazioni di monitoraggio dando un controllo sostanziale dell’inquinamento come direttamente richiesto dalle Direttive Europee (come per esempio la Direttiva Acque Potabili, 98/83/EC). L’inter-comparazione dei carichi dei nutrienti tra diversi modelli ha inoltre confermato l’abilità di SWAT di simulare comparabili carichi di nutrienti in grandi bacini fluviali, sebbene si è evidenziata la necessità di incrementare le osservazioni. Infine, lo strumento di ottimizzazione multi-obiettivo per la gestione delle migliori pratiche di gestione (BMPs) è stato riconosciuto come un valido strumento per identificare efficienti scenari, per esempio correlati alla riduzione di fertilizzanti minerali e al miglioramento di efficienza di depurazione dei depuratori (WWTPs), fornendo una significativa riduzione delle concentrazioni con il miglior costo-beneficio. Questi risultati possono essere viste anche come utili raccomandazioni per i utenti/modellisti che usano SWAT. In conclusione, l’approccio sistematico proposto per la calibrazione/validazione del modello SWAT ha mostrato di essere pedagogico e un potente strumento per scienziati, per politici e anche stakeholders, e può essere esteso ad altri modelli quali-quantitativi che hanno una struttura simile a quella di SWAT.