Upload
lydang
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Nuove tecnologie per la gestione della risorsa
idrica in agricoltura
Guido D’Urso
Dip. Ingegneria Agraria ed Agronomia del Territorio,
Università di Napoli Federico II
ACCADEMIA DEI GEORGOFILI
“ACQUA E PRODUZIONE ALIMENTARE”
7 giugno 2011
uso sostenibile del risorse ambientali
gestione delle risorse idriche
emergenze da cause naturali e antropiche
Quali strumenti ?
Key-words:
Le ricerche condotte in anni recenti hanno consentito la messa
a punto di metodologie, modelli e tecniche di misura per la
valutazione degli scambi di massa ed energia nel sistema
suolo-pianta-atmosfera
Caratterizzazione dettagliata e monitoraggio
… modelli idrologici …
( ) 87.52 /1
(1 / )
ns nl E ap
c a
R R G D rE
r r
y = 1.05x - 0.08
R2 = 0.90
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Eto * Kc (ASD)
ET
a
from doy 196 to doy 206 - Corn
Validazione – Mais
(eddy-covariance)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
178 179 180 181 182 183 184 185
DOY
mm
/h
ETp
ET
S
W
A
P
LAImax = 3.5
LAImin = 0.0
Condizione al contorno inf.:
a) Circolazione sotterranea
b) Percolazione
c) Strati impermeabili
Moto dell’acqua nel sistema
Suolo-Pianta-Atmosfera:
Equazione Richard’s
+
Modelli attingimento radicale
Condizione al contorno sup.:
Parametri vegetazione
+Evapotraspirazione massima
)dtνTEI(PΔWdzzθΔttz,θ dsee
z
0
Modelli dinamici – continuum S.P.A. e variabilità spaziale e temporale
SIMODIS (SImulation and Management
On-Demand Irrigation Systems)
INPUT
OUTPUT
1
2
4
3
METEO
SUOLO
COLTURE
SWAP
MODELLO BILANCIO
IDRICO DEL SUOLO
i,j,k, giorno d-1TOPOLOGIA
RETE
IRRIGUA
(z)
h(z)
Identificazione
delle parcelle
in condizioni di
stress
Calcolo dei
corrispondenti
volumi irrigui
CRITERI di
PROGRAMMA-
ZIONE IRRIGUA
Ii,j
Ii,j
Qi,j
I’i,j
I’i,j
VRES
I’’i,j
MODELLO
SIMULAZIONE
IDRAULICA
RETE
giorno d
I’’i,j
I’’i,j
GEOMETRIA e
CARATTER..
IDRAULICHE
RETE DI
DISTRIBUZIONE
Hi,j
(z)
h(z)
SWAP
MODELLO BILANCIO
IDRICO DEL SUOLO
i,j,k, giorno d
Hi,j
I’’’i,j
Hmin
I’’’i,j
CORREZIONE DISTRIBUZIONE per
QUOTA PIEZOMETRICA
INSUFFICIENTE ALLA CONSEGNA
Coda di distribuzione in base a:
- durata prevista applicazione
- diritti di priorità
CORREZIONE DISTRIBUZIONE per
VOLUME IRRIGUO
COMPLESSIVO ECCEDENTE LA
DISPONIBILITA’ DI RISORSA '
,i j RESI V d V chiusura reparti
CORREZIONE DISTRIBUZIONE
per ECCESSIVA RICHIESTA
D’ACQUA ALLA CONSEGNA
Riduzione di :
- numero di parcelle irrigate;
- volumi irrigui
VINCOLI GESTIONALI E DI SISTEMA
ir = frazione del deficit idrico nel suolo
utilizzata come volume irriguo specifico
Qi,j = portata del gruppo di consegna comiziale
VRES= volume giornaliero disponibile
Hmin= carico piezometrico minimo richiesto
OUTPUT
Ii,j = Volume irriguo alla consegna del settore
Δt = tempo di apertura nelle 24 h
Hi,j = carico piezometrico alla consegna
V(d)= volume totale richiesto nel giorno d
ValidazioneConfronto tra i prelievi simulati e quelli osservati
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
152 159 166 173 180 187 194 201 208 215 222 229 236 243 250 257 264
Giorno Giuliano 1994
I (m3/d) Rilievi contatori
Valori simulati con SIMODIS
Uso sinergico di strumenti modellistici e
tecniche di monitoraggio
GIS
RS
RA
T0
m
RX T
C
TS (z,t)
v(x,y,t)
*
0
lnm
u zu z
k z
modelli+Osservazione della
Terra
+
Landsat 7 ETM+ => 30 m
SPOT5 => 10 m
Quick Bird => 2,8 m
Sviluppo tecnologico e sensori satellitari
Principali caratteristiche di sensori satellitari operanti nello
spettro visibile (VIS) e dell'infrarosso prossimo (NIR)
SATELLITE SENSORE Lancio RisSpaz Ciclo Risol VIS (nm) NIR (nm)
(m) (g) Spettr. 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
LANDSAT 5-7 TM/+ETM 1982-2003 30 16 4
SPOT 1-5 * HRV 1986 20 26 3
JERS OPS 1992 21 44 3
IRS 1-c/d LISS III 1995 24 22 3
ERS-2 ATSR-2 1995 1000 35 3
ADEOS AVNIR 1996 16 46 4
IRS P3 MOS-B 1996 500 24 13
NOAA AVHRR/2 1996 1100/4000 11/0.5 2
SPOT 4 HRVIR 1998 20 26 3
SPOT 4 VEGETATION 1998 1100 1 4
IKONOS 1-2 IKONOS 1998 4 5 4
TERRA ASTER 1999 15 16 3
TERRA MODIS 1999 250 16 2
TERRA MODIS 1999 500 16 3
TERRA MODIS 1999 1000 16 12
TERRA MISR 1999 240/multiang 16 4
QUICKBIRD QUICKBIRD 2000 4 var. 4
ENVISAT MERIS 2002 250 35 16
ENVISAT AATSR 2002 500 35 3
NOAA K AVHRR/3 2002 1100 0.5 2
PROBA CHRIS 2001 25/multiang local.dip. 19
IRS PS LISS III-IV 2003 24 14 3
FORMOSAT-2 2004 8 1 4
ALOS AVNIR-2 2006 10 46 4
KOMPSAT-2 MSC 2008 1 14 4
Rapid-Eye * Jena SS 56 2008 6.5 2 5
* costellazione di satelliti; capacità di puntamento 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
programmable up to 19 bands 2-10 nm - obs.nadir + 4 ang.
Principali caratteristiche di sensori satellitari operanti
nello spettro dell'infrarosso termico (TIR)
SATELLITE SENSORE Lancio Risoluz. Freq. num. TIR (nm)
(m) (g) bande 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
LANDSAT +ETM 1998 60 16 1
ERS-2 ATSR-2 1995 1000 35 3
NOAA AVHRR/2 1996 1100/4000 11/0.5 2
TERRA ASTER 1999 90 16 5
TERRA MODIS 1999 1000 16 15
ENVISAT AATSR 2001 1000 35 3
NOAA K AVHRR/3 2001 1100 0.5 3
LSPIM PRISM 2006 50 3 3
MODIS (1000 m)
Landsat (60 m)aereo (4 m)
1. Classificazione dell’uso reale del suolo =>
VIS/NIR/MW
2. Determinazione di parametri della superficie:
albedo, copertura del suolo, Indice di area fogliare,
Coeff. Colturale Kc => VIS+NIR
3. Stima dei valori istantanei di variabili e termini del
bilancio idrologico: evapotraspirazione reale,
contenuto idrico dei suoli => TIR / MW
Applicazioni principali dei dati O.T.
nella gestione delle risorse idriche
1. Classificazione dell’uso reale del suolo
=> VIS/NIR/MW
12,230 km2
Altitudine: 870-1908 m.
(Nyeko, 2010)
Inventari colturali: esempio in Yemen
Scarsa disponibilità della risorsa: dove è possibile un
recupero attraverso il miglioramento dell’efficienza irrigua ?ì
Qat
Patata e
altre ortiveMais e
patata
(Soppe, 2008)
Le tecniche di classificazione dell’uso del suolo non sono
ideali per stimare i fabbisogni irrigui: troppe incertezze nella
determinazione dei coefficienti colturali Kc…
Papaya
Qat
Inventari colturali: esempio in Yemen
(Soppe, 2008)
2. Determinazione di parametri della
superficie: albedo, copertura del suolo,
Indice di area fogliare, Coeff. Colturale
Kc => VIS+NIR
Significato dell’NDVI
Osservazioni VIS – NIR
ANALISI D’IMMAGINE:
LAI + ALBEDO + Altezza colt.
ALBEDO
LAI
Hc
DATI AGRO-METEO+
r, hc, LAI
( , , , ; , , )p a cET f K T RH U r LAI h
Mappe ETp
OUTPUT
Progetto UE - DEMETER (2002-2005)
Sviluppo e validazione in Italia, Spagna e
Portogallo di due metodologie per la
determinazione dei fabbisogni irrigui massimi
1) Monitoraggio in tempo reale dello sviluppo delle
colture mediante dati satellitari multi-spettrali ad alta
risoluzione spaziale (5-20 m; SPOT)
2) Calcolo dei fabbisogni irrigui secondo la procedura
“1-step” F.A.O. con dati dalla rete agrometeorologica
3) Distribuzione del consiglio irriguo personalizzato
direttamente agli agricoltori
Schema metodologico :
36 h1) 2) 3)
MAIS
45 giorni 60 90 120
dalla semina
Distribuzione dei valori di Kc
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
90 147 188 320
Julian date (2002 Season)
Kc C
rop
Co
eff
icen
t
Lan
dSat
07/
07/
2002
Lan
dSat
13/
02/
2002
Lan
dSat
27/
05/
2002
Kc J=188
Viticoltura irrigua, Trapani
Parcella ID: 229870/00136
Volume irriguo consigliato,
settimana 28: 213 m3
Durata applicazione: 5.5 h
Livello (A): consulenza irrigua personalizzata
- scala aziendale -
Farm: Maione
crop: maize
ETP and water supply
2005
0
10
20
30
40
50
60
70
801/6
8/6
15/6
22/6
29/6
6/7
13/7
20/7
27/7
days
ET
P,
wate
r su
pp
ly
(m
m/d
ay)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Cu
mu
lati
ve
(cu
bic
mete
r /
ha)
supply
ETP
supplycumulative
ETPcumulative
3/06 21/0
6
28/06 7/07 17/07 28/07 satellite
acquisition
2005
Farm: Mellone
crop: orchard
ETP and water supply
2005
0
10
20
30
40
50
60
70
801
/6
8/6
15
/6
22
/6
29
/6
6/7
13
/7
20
/7
27
/7
days
ET
P,
wa
ter
su
pp
ly
(m
m/d
ay
)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Cu
mu
lati
ve
(cu
bic
me
ter
/ h
a)
supply
ETP
supplycumulative
ETPcumulative
3/06 21/0
6
28/06 7/07 17/07 28/07satellite
acquisition
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
1 C
AS
TR
UL
LO
NU
OV
O
2 B
OS
CA
RIE
LL
O
3 Z
.B.E
1 S
EZ
.SE
LE
4 C
AN
AL
I P
EL
O
LIB
ER
O
5 C
AN
AL
I P
EL
O
LIB
ER
O
6 F
AS
CIA
LIT
OR
AN
EA
7 C
AN
AL
I P
EL
O
LIB
ER
O
8 C
AN
AL
I P
EL
O
LIB
ER
O
9 C
AN
AL
I P
EL
O
LIB
ER
O
106m3
To
tal m
on
thly
Cro
p W
ate
r R
eq
uir
em
en
t
June July August September
Livello (B): informazione a scala di comprensorio irriguo
Esempi di applicazioni del
telerilevamento a grande scala nei
Paesi in via di sviluppo
Famine Early Warning Systems
Network (FEWS NET) - USAID
Analisi di indici di vegetazione
(Budde, Rowland et al., 2010)
3. Stima dei valori istantanei di variabili e
termini del bilancio idrologico: => TIR
Bilancio energetico superficiale
– stima annuale ETa da MODIS
Annual ET (July 2004 - June 2005)
[mm]
1500
0
(Bastiaanssen, 2006)
Early warning Water Balance Monitoring System
(Oroda)
Indice WRSI (water requirement satisfaction index) e
Bilancio Energetico Superficiale
(Verdin e Klaver, 2002)
ITA-FAO Nile
Rafforzamento delle capacità per la
gestione delle risorse idriche del Nilo
http://www.fao.org/nr/water/faonile/
Integrazione fra modelli idrologici a grande scala e
prodotti avanzati da dati di Osservazione della Terra
www.ceop-aegis.org
Progetto CEOP-AEGIS (Coord.: M.Menenti; 2008-2012); EU-VII FP
WP8: Monitoraggio della produzione di deflussi superficiali nel Tibet
Precipitazioni sensore TRMM 3B42 test – anno 2000
Evapotraspirazione reale (ETlook-WaterWatch, da
dati MODIS) 2000
Immagazzinamento d’acqua nel suolo
(modello+GRACE+SAR)
Mappa della produzione dei Deflussi superficiali
2000
Portate – principali fiumi
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
01/01/2000
01/02/2000
01/03/2000
01/04/2000
01/05/2000
01/06/2000
01/07/2000
01/08/2000
01/09/2000
01/10/2000
01/11/2000
01/12/2000
m3 /
s
Indus
Brahmaputra
Salween
Mekong
Yangtze
Yellow
(Immerzeel, 2010)
Conclusioni 1/4
• Le nuove tecnologie basate sull’analisi di
dati di Osservazione della Terra e sulla
descrizione dei processi idrologici
consentono di valutare la domanda d’acqua
per uso irriguo in relazione alla disponibilità
delle risorse idriche (water accounting)
conclusioni 2/4
• Nei prossimi 3-4 anni le principali agenzie
spaziali (NASA, ESA) distribuiranno
gratuitamente ed in tempo reale dati
satellitari multispettrali ad alta risoluzione
spaziale (10-20 m, i.e. Landsat 8 &
Sentinel), come già oggi avviene con quelli
a media risoluzione (300-1000 m)
conclusioni 3/4
• Internet ed i moderni mezzi di
comunicazione facilitano enormemente
l’acquisizione e la distribuzione di dati ed
informazioni, che possono essere resi
disponibili in tempo quasi reale agli utenti
finali
conclusioni 4/4
• L’accesso comune a queste informazioni da
parte di Enti gestori trans-nazionali
consente una gestione partecipata e
condivisa delle risorse, limitando così
l’insorgenza di crisi e di conflitti