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Elena Toth

Professoressa associata

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ICAR/02 COSTRUZIONI IDRAULICHE E MARITTIME E IDROLOGIA

Temi di ricerca

Parole chiave: preannuncio di piena reti neurali artificiali modelli afflussi-deflussi classificazione dei bacini idrografici scavo alle pile dei ponti stima delle domanda idropotabile

Aree di ricerca: 1) Modellazione afflussi-deflussi, attraverso modelli di tipo misto concettuale-fisicamente basato a parametri distribuiti, di tipo concettuale a parametri concentrati e di tipo 'data-driven'; 2) Metodi per la calibrazione di modelli afflussi-deflussi; 3) Previsione in tempo reale delle piene fluviali e sistemi di preannuncio di piena; 4) Stima e previsione a breve termine del campo di precipitazione in base a osservazioni da sensore remoto; 5) Tecniche di analisi delle serie temporali applicate a variabili idro-meteorologiche; 6) Classificazione dei bacini idrografici in regioni omogenee, in base a parametri di natura geo-morfo-climatica ed idrologica; 7) Stime dell'altezza di scavo alla base delle pile dei ponti; 8) Analisi idrologiche in bacini scarsamente o non strumentati; 9) Analisi dei consumi idropotabili in funzione di variabili climatiche e delle presenze turistiche.

 

ELENCO ATTIVITA' DI RICERCA

 

USO INTEGRATO DI TECNICHE STOCASTICHE E MODELLI DETERMINISTICI AFFLUSSI-DEFLUSSI PER LA PREVISIONE DI PIENA IN TEMPO REALE (PREVISIONE DELLA PRECIPITAZIONE E UPDATING DELLE PORTATE SIMULATE).

La ricerca ha considerato, accanto all'utilizzo di modelli lineari (processi stocastici di tipo autoregressivo a media mobile, stazionari e non-stazionari), quello di due metodologie non-lineari per la previsione di serie temporali: le reti neurali artificiali ed il metodo non-parametrico “nearest neighbour”. Tali tecniche sono state utilizzate, prima separatamente e poi in cascata, per una duplice finalità: la previsione delle altezze orarie di precipitazione futura e l'aggiornamento delle previsioni di portata in uscita da un modello idrologico deterministico.

 

CALIBRAZIONE E ANALISI DEL RUOLO DELLE VARIABILI DI INGRESSO NELLA MODELLISTICA AFFLUSSI-DEFLUSSI

Si sono analizzati aspetti fondamentali dell'applicazione pratica di modelli per la trasformazione afflussi-deflussi: i) le caratteristiche dell'insieme dei dati storici che permettono un'ottimale procedura di calibrazione dei parametri del modello; ii) l'influenza della metodologia di stima del campo di precipitazione e della scala temporale e spaziale delle variabili in ingresso; iii) l'uso di informazioni idrometriche disponibili in sezioni diverse del bacino.

Tali aspetti sono stati considerati relativamente all'utilizzo di modelli di natura profondamente diversa, e in particolare un modello di tipo misto concettuale-fisicamente basato a parametri distribuiti, modelli di tipo concettuale a parametri concentrati e modelli di tipo sistemico basati sull'utilizzo di reti neurali artificiali.

Si sono inoltre proposte metodologie per la calibrazione dei modelli afflussi-deflussi attraverso l’uso di funzioni di utilità, che quantificano le prestazioni in base alla specifica applicazione idrologica. In particolare, l’applicazione analizzata si riferisce al contesto del preannuncio di piena, in cui lo scopo del modello sia l’identificazione delle portate che superano un valore di soglia di allertamento assegnata. L’approccio proposto è stato confrontato, analizzandone le prestazioni prestazioni in termini di skill-score del corretto/mancato allarme, coi risultati ottenibili quando il modello sia calibrato con le funzioni obiettivo, mono e multiobiettivo, basate sulle somme degli errori.

 

STIMA E PREVISIONE A BREVE TERMINE DEL CAMPO DI PRECIPITAZIONE TRAMITE OSSERVAZIONI IN REMOTO

E' stata applicata una metodologia di stima del campo di pioggia basata sull'uso delle osservazioni nel canale infrarosso (IR) del satellite meteorologico geostazionario europeo Meteosat, analizzando le simulazioni dei deflussi ottenibili quando tali sollecitazioni meteoriche siano fornite in ingresso a un modello afflussi-deflussi di tipo distribuito.

Si sono inoltre proposte reti neurali artificiali per la previsione a breve termine (nowcasting) del campo di precipitazione con l'uso delle informazioni contenute nelle mappe radar.

 

DISAGGREGAZIONE TEMPORALE DI DATI PLUVIOMETRICI

Si è fatto uso di reti neurali artificiali per disaggregare serie continue di osservazioni pluviometriche giornaliere a scale temporali inferiori, così da estendere l'informazione esistente ai periodi in cui non si ha disponibilità di osservazioni sub-giornaliere o per colmare le frequenti lacune delle serie esistenti.

 

PARAMETRIZZAZIONE REGIONALE DI MODELLI AFFLUSSI-DEFLUSSI PER BACINI NON O SCARSAMENTE STRUMENTATI

Una tecnica innovativa per la stima dei parametri di modelli concettuali, basata sull'approssimazione della funzione di massima verosimiglianza gaussiana nel dominio spettrale, è stata utilizzata in applicazioni caratterizzate da scarsità o assenza di osservazioni idrometriche.

Ai fini di regionalizzazione dei parametri, è stato proposto anche un approccio basato sulla riproduzione delle principali caratteristiche delle serie idrometriche, in particolare per la simulazione dei deflussi di morbida e di magra.

 

MODELLAZIONE MODULARE PER LA PREVISIONE DELLE PORTATE FLUVIALI

Accoppiamento di metodi di classificazione (delle condizioni di precipitazione e dei rami dell'idrogramma) e di modellistica afflussi-deflussi modulare per la diversificazione dei modelli di previsione di portata in base ai differenti tipi di comportamento idrologico, mettendo a punto un insieme di modelli distinti (o moduli), da applicare a seconda della situazione idro-meteorologica che corrisponde ad ogni particolare istante di previsione.

 

STIMA DELL'EROSIONE ALLA BASE DELLE PILE DEI PONTI

Uso di modelli a reti neurali in alternativa all'uso di formule empiriche per il calcolo della profondità dello scavo localizzato alla base delle pile dei ponti, analizzando il ruolo delle variabili in ingresso, valutando le differenze nell'applicazione a dati di laboratorio e a dati di campagna ed esaminando, in particolare, le prestazioni ottenibili considerando la diversa modalità di trasporto al fondo (clear-water o live-bed).

Si è inoltre proposto un metodo di parametrizzazione dei modelli per la stima della profondità di scavo basato su una funzione di errore di tipo asimmetrico, che penalizza maggiormente gli errori di sottostima (che hanno impatti molto più importanti in termini di sicurezza e di costi) rispetto a quelli di sovrastima.

 

SURVEY/REVIEW SCIENTIFICA METODOLOGIE IDRO-INFORMATICHE IN IDROLOGIA

Identificazione – in base all'analisi del panorama bibliografico internazionale - dei più recenti sviluppi e delle tematiche di ricerca emergenti nell'ambito delle applicazioni di tecniche idro-informatiche (e in particolare delle metodologie basate sull'uso di reti neurali artificiali) e di modelli idrologici di tipo 'data-driven' in campo idrologico.

Un altro studio ha poi riguardato, in particolare, le potenzialità offerte da metodologie di tipo data-mining e dalla modellistica di tipo ‘data-driven’, per l’avanzamento nello sviluppo di modelli socio-idrologici, recentemente proposti in letteratura al fine di analizzare le complesse relazioni e l’interdipendenza tra variabili idrologiche e variabili sociali ed economiche.

 

CLASSIFICAZIONE DEI BACINI IDROLOGICI IN REGIONI OMOGENEE

Per la classificazione dei bacini idrologici si sono utilizzate reti neurali non supervisionate, del tipo Self-Organising Mapping, che organizzano i dati in base alla loro similarità. In particolare la tecnica è stata applicata considerando attributi di natura geomorfoclimatica, derivabili anche per bacini non strumentati.

E' stata inoltre proposta una metodologia innovativa per la classificazione dei bacini, anche in condizioni non strumentate, basata sulla caratterizzazione della risposta idrologica dei bacini in funzione delle proprietà dinamiche (e in particolare la variabilità e la struttura di correlazione del processo a scala temporale fine) delle serie temporali idrometriche e pluviometriche che rappresentano rispettivamente la risposta e la forzante dei bacini.

 

STIMA DELLE SOGLIE IDROMETRICHE DI ALLERTAMENTO IN BACINI NON STRUMENTATI

Al fine di ridurre mancati allarmi, le cui conseguenze sono più severe rispetto a quelle dei falsi allarmi, si è proposto l’utilizzo di funzioni di costo asimmetriche nella stima multiregressiva delle soglie di allertamento (ottenute come quantili di portata di piena di assegnato tempo di ritorno, stimati in funzione di variabili di tipo geo-morfoclimatico, disponibili anche per sezioni non strumentate).

 

ANALISI DEI CONSUMI IDROPOTABILI IN FUNZIONE DI VARIABILI CLIMATICHE E DELLE PRESENZE TURISTICHE.

Sono state analizzate le forzanti che guidano le oscillazioni stagionali (mensili) sull’andamento dei consumi idrici urbani nei comuni costieri romagnoli. Oltre ai fattori climatici, in molti comuni italiani, rivieraschi ma non solo, un fattore determinante sui consumi idrici urbani è certamente il turismo, finora trascurato nelle analisi della domanda idrica. L'influenza di tali fattori sulla domanda idropotabile viene studiata attraverso un’analisi di correlazione e di significatività delle variabili in ingresso e sviluppando modelli, sia lineari che non lineari, per rappresentare la relazione ingresso/uscita tra tali variabili e i consumi.