Calibrazione di un modello idrologico distribuito con l'algoritmo PSO (Particle Swarm Optimization)

The purpose of this study was to carry out the automatic calibration using the hydroPSO algorithm, interfacing it with the spatially distributed hydrological model FEST-EWB and then comparing it with the manual calibration, highlighting the advantages and limits. The case study is the experimental basin of the Bonis stream, located in the Sila National Park, in Calabria. In particular, three infiltration models were compared: SCS-Curve Number, Green-Ampt and Philip. To determine, for each of them, the most influential parameters we proceeded in a preliminary phase with a sensitivity analysis. Obtained the three sets of parameters, the manual calibration was carried out, for which, arbitrarily, the parameters were modified, respecting the ranges of variability, until obtaining a combination that would return a minimum difference in volume between simulation and observation. Before performing the automatic calibration, it was considered appropriate to proceed with a parameterization of hydroPSO, modifying the dimensionality of the problem (ie the number of particles n) and the goodness-of-fit function (GoF). This was done by working in ideal conditions, to determine which of the different configurations returned a simulation closest to the optimum results, without neglecting the calculation times used. Based on the results obtained, we proceeded with the automatic calibration and subsequent validation. The work showed a good efficiency of the Green-Ampt and Philip models with regard to manual calibration, while for the automatic one the SCS-Curve Number model was better adapted to the observed values. Finally, comparing the two procedures a good validity of the automatic calibration was found, which satisfactorily simulated the flood events by excluding the subjectivity of the operator, reducing computational burdens and calculation times.

Lo scopo di tale operato è stato quello di effettuare la calibrazione automatica tramite l’algoritmo hydroPSO interfacciandolo al modello idrologico spazialmente distribuito FEST-EWB per poi confrontarlo con la calibrazione manuale, evidenziandone vantaggi e limiti. Il caso studio è il bacino sperimentale del torrente Bonis, situato nel Parco Nazionale della Sila, in Calabria. In particolare, si sono messi a confronto tre modelli di infiltrazione: il modello SCS-Curve Number, Green-Ampt e Philip. Per determinare per ognuno di essi quali fossero i parametri maggiormente influenzanti, si è proceduto in fase preliminare con un’analisi di sensitività. Ottenuti i tre set di parametri si è effettuata la calibrazione manuale, per la quale, arbitrariamente, sono stati modificati i parametri, rispettando i range di variabilità, fino ad ottenere una combinazione che restituisse una differenza in volume, tra la simulata e l’osservata, minima. Prima di effettuare la calibrazione automatica, si è ritenuto opportuno procedere con una parametrizzazione di hydroPSO, modificando la dimensionalità del problema (ovvero il numero di particelle n) e la funzione di buon adattamento (GoF). Tutto ciò è stato fatto lavorando in condizioni ideali, per determinare quale tra le diverse configurazioni restituisse una simulazione quanto più vicina all’ottimo possibile, non trascurando, però, i tempi di calcolo impiegati. Sulla base dei risultati ottenuti, si è proceduto con la calibrazione automatica e successiva validazione. Dal lavoro svolto si è riscontrata una buona efficienza dei modelli di Green-Ampt e Philip per quanto riguarda la calibrazione manuale, mentre per quella automatica il modello SCS-Curve Number si è adattato meglio ai valori osservati. Confrontando, infine, le due procedure si è riscontrata una buona validità della calibrazione automatica, la quale ha simulato in modo soddisfacente gli eventi di piena escludendo la soggettività dell’operatore, riducendo oneri computazionali e tempi di calcolo.