Stima volumi irrigui da modellistica idrologica

Given the increasing pressure on water resources, due to the constant increase in population and climate change, it is essential to quantify the volumes of water used for irrigation purposes, especially in parts of the world where no data are available. This research represents a fundamental step in improving the management and use of water used for irrigation, which is currently the sector in which most of the water available to man is used. This thesis aims at estimating irrigated volumes in three crop case studies, using two hydrological models. The crops analyzed were one of basil planted in a lysimeter in the laboratory of Politecnico di Milano, one of corn planted in a field in the province of Brescia and one of tomatoes in the province of Foggia. The estimation models used meteo and energy data inputs detected in the field by ground sensors and Eddy Covariance stations. The first model provides for the calculation of potential evapotranspiration and percolation and evaluates irrigation based on the deficit between falling rain and evapotranspiration occurred on a daily scale, without taking into account in the balance, the change in soil moisture. The second method of estimation is based on the hydrological and energy model FEST-EWB and also takes into account the soil moisture variation. This model has been reversed and it has been possible, from this, to estimate the volume of irrigation needed to close the budget. The hydrological parameters of the soil used as input have been defined by literature in the first model, while in the second model, have been calibrated on post-corp periods or subsequent years, along with energy parameters and resistance to evapotranspiration. The results of the simulations show that the irrigated volumes estimated with the first model tend to overestimate the result of 200% in the case of maize plantation and 97% in the Lisimetro case study. In the case study of tomato instead, the simulation with this model gave good results by overestimating the final irrigation volume of 16%. The first estimation model shows a better result in terms of irrigated volume in all three cases if percolation in the hydrological balance is not considered. Better estimates have been obtained from the second method thanks to the calibration of the hydraulic and energetic parameters of the soil which has allowed a good characterization of the domain of the problem. Advantages of this model concern the completeness of the hydrological balance, which also takes into account the time change in soil moisture. In this case the result is slightly overestimated, ranging from 14% of maize to 17% of lysimeter to 21% of tomatoes. These results, together with lower RMSE values compared to the first simulations, confirm the good performance of the inverted FEST_EWB model in the estimation of irrigation in all three study cases.

Data la crescente pressione sulla risorsa idrica, dovuta all’aumento costante della popolazione e al cambiamento climatico, diventa indispensabile quantificare i volumi di acqua utilizzati a fini irrigui, soprattutto in parti del mondo dove non si hanno a disposizione dati a riguardo. Questa ricerca rappresenta un passo fondamentale per migliorare la gestione e l’impiego di acqua utilizzata per l’irrigazione, che rappresenta ad oggi il settore in cui viene impiegata la maggior parte della risorsa idrica a disposizione dell’uomo. Questa tesi ha come obiettivo la stima di volumi irrigui in tre coltivazioni casi di studio, mediante l’applicazione di due modelli idrologici di diversa complessità nella descrizione dei processi del ciclo idrologico. Le coltivazioni analizzate sono state una di basilico piantata in un lisimetro nel laboratorio di idraulica del Politecnico di Milano, una di mais piantata in campo in provincia di Brescia ed una di Pomodori in provincia di Foggia. I modelli di stima hanno utilizzato in input dati meteo rilevati in campo mediante stazioni Eddy Covariance. Il primo modello prevede il calcolo dell’evapotraspirazione potenziale e della percolazione e valuta l’irrigazione in base al deficit tra la pioggia caduta e l’evapotraspirazione avvenuta a scala giornaliera, senza tenere in considerazione nel bilancio la variazione di umidità del terreno. Il secondo metodo di stima si basa sull’inversione del modello idrologico ed energetico FEST-EWB, utilizzando come informazione in input la variazione di umidità del terreno. In particolare, l’equazione di bilancio idrico è stata invertita ed è stato possibile, da questo effettuare una stima del volume irriguo necessario per chiudere il bilancio. I parametri idrologici del terreno usati come input sono stati definiti da letteratura nel primo modello partendo dalla tipologia di terreno nota mentre nel secondo modello, sono stati calibrati sui periodi post raccolta o su annate successive, assieme ai parametri di bilancio energetico e di resistenze all’evapotraspirazione. I risultati delle simulazioni effettuate mostrano che i volumi irrigui stimati con il primo modello tendono a sovrastimare il risultato del 200%, nel caso della piantagione di mais, e del 97% nel caso studio Lisimetro. Nel caso studio della piantagione di pomodori invece la simulazione con questo modello ha dato buoni risultati sovrastimando il volume irriguo finale del 16%. Il primo modello di stima mostra un risultato inferiore di volume irriguo in tutti e tre i casi se non si prende in considerazione la percolazione nel bilancio idrologico. Stime migliori rispetto ai volumi osservati sono state ricavate col secondo metodo, grazieall’utilizzo di un modello più complesso che meglio riproduce i processi del ciclo idrologico e alla calibrazione dei parametri idraulici ed energetici del terreno. Pregi di tale modello riguardano inoltre l’utilizzo dell’informazione della variazione nel tempo dell’umidità del terreno. I risultati ottenuti tendono leggermente a sovrastimare il dato osservato di volume irriguo, si va dal 14% del mais al 17% del Lisimetro al 21% dei pomodori. Tali risultati assieme a valori di RMSE minori rispetto alle prime simulazioni, confermano le buone performance del modello invertito FEST_EWB nella stima dei volumi irrigui in tutti e tre i casi studio.