Optimization of water basin regulation - the case study of Ceresio Lake

Lake level management has gained increasing importance in recent years due to the impacts of climate change and growing water demands from various sectors such as hydropower, navigation, and flood prevention. The complexity of lake ecosystems, influenced by climatic, hydrological, and anthropogenic factors, requires integrated and adaptive management strategies. This thesis focuses on Ceresio Lake, also known as Lugano Lake, a pre-Alpine glacial lake that presents significant regulatory and operational challenges. The study aims to analyse the variations in the lake's water level and their effects on water releases using a mathematical approach based on Discrete Dynamic Programming (DDP). This method allows for optimizing the release policy by balancing competing objectives such as flood prevention, water availability, and environmental sustainability. The research involves the analysis of historical hydrological and meteorological data collected from monitoring stations, including precipitation, temperature, evaporation, and inflow/outflow measurements. By applying the DDP model, different seasonal scenarios are explored to evaluate the impact of optimized regulation strategies. The results underscore the necessity of precise forecasting tools and real-time monitoring to enhance decision-making and mitigate risks associated with extreme hydrological events. Ultimately, this study provides a framework for improving water resource management in Lake Lugano, with potential applications to other regulated lake systems facing similar challenges.

La gestione del livello dei laghi ha acquisito un'importanza crescente negli ultimi anni a causa degli impatti del cambiamento climatico e dell'aumento della domanda d'acqua da parte di diversi settori, come l'idroelettrico, la navigazione e la prevenzione delle inondazioni. La complessità degli ecosistemi lacustri, influenzati da fattori climatici, idrologici e antropici, richiede strategie di gestione integrate e adattive. Questa tesi si concentra sul Lago di Ceresio, noto anche come Lago di Lugano, un lago glaciale prealpino che presenta significative sfide normative e operative. Lo studio si propone di analizzare le variazioni del livello idrico del lago e i loro effetti sui rilasci d'acqua attraverso un approccio matematico basato sulla Programmazione Dinamica Discreta (DDP). Questo metodo consente di ottimizzare la politica di rilascio bilanciando obiettivi contrastanti, come la prevenzione delle inondazioni, la disponibilità d'acqua e la sostenibilità ambientale. La ricerca prevede l'analisi di dati idrologici e meteorologici storici raccolti dalle stazioni di monitoraggio, tra cui precipitazioni, temperatura, evaporazione e misurazioni degli afflussi e deflussi. Applicando il modello DDP, vengono esplorati diversi scenari stagionali per valutare l'impatto delle strategie di regolazione ottimizzate. I risultati evidenziano la necessità di strumenti di previsione accurati e di un monitoraggio in tempo reale per migliorare il processo decisionale e mitigare i rischi associati a eventi idrologici estremi. In definitiva, questo studio fornisce un quadro di riferimento per migliorare la gestione delle risorse idriche del Lago di Lugano, con potenziali applicazioni ad altri sistemi lacustri regolati che affrontano sfide simili.