previsione idrologica per la produzione idroelettrica

XXXIII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

Brescia 10 – 15 settembre 2012

PREVISIONE IDROLOGICA PER LA

PRODUZIONE IDROELETTRICA

(*) Scuola di Ingegneria, Università degli Studi della Basilicata,

e-mail: [email protected]

(†) Dipartimento Ambiente e Sviluppo Sostenibile, Ricerca sul Sistema Energetico S.p.A.

e-mail: [email protected]

Salvatore Manfreda (*)

, Luciano Funicelli (*)

, Leonardo Mancusi (†)

mailto:[email protected]




16/05/2013 16/05/2013

OBIETTIVO DEL LAVORO

STRUMENTO IN GRADO DI FORNIRE E MIGLIORARE I SISTEMI DI PREVISIONE DELLE PORTATE PER

OTTIMIZZARE LA PRODUZIONE DI ENERGIA IDROELETTRICA PER IL SUO COLLOCAMENTO NELLA

BORSA ELETTRICA.

PREVISIONI DI PORTATA AI FINI DELLA PRODUZIONE POTENZIALE DI ENERGIA ELETTRICA A 24-48-72 ORE

MODELLO IDROLOGICO

AD2

MODELLO DI PREVISIONE METEREOLOGICA

COSMO LAMI

16/05/2013 16/05/2013

0

10

20

30

40

50

6019

13

1924

1928

1932

1936

1940

1944

1948

1952

1956

1960

1964

1968

1972

1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

TWh

Anni

PRODUZIONE IDROELETTRICA TOTALE

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%19

22

1925

1928

1931

1934

1937

194

0

194

3

194

6

194

9

1952

1955

1958

196

1

196

4

196

7

1970

1973

1976

1979

198

2

198

5

198

8

199

1

199

4

199

7

200

0

200

3

200

6

200

9

RAPPORTO PRODUZ. IDROELETTRICO/PRODUZ. TOTALE

QUADRO

ENERGETICO

0

50

100

150

200

250

300

350

1926

1930

1934

1938

194

2

194

6

1950

1954

1958

196

2

196

6

1970

1974

1978

198

2

198

6

199

0

199

4

199

8

200

2

200

6

TWh

Anni

CONSUMI DI ENERGIA PRIMARIA

Totale

Petrolio

Produzione Energetica

~ 300 TWh

~80% termoelettrico

~18% da idroelettrico

~2% eolico - fotovoltaico

IDROELETTRICO IN

ITALIA

20 TWh ~ 90%

(1930-1950)

> 50 TWh ~ 15-20%

(1970-2010)

Rapporto Terna (2009)

16/05/2013 16/05/2013

BACINO IDROGRAFICO

DELL’ANIENE

DENOMINAZIONE STRUMENTAZIONE QUOTA

Arsoli Pluviometro/Termometro 365

Filettino Pluviometro/Termometro 1060

Licenza Pluviometro/Termometro 490

Marano Equo Pluviometro/Idrometro 330

Roviano Pluviometro/Termometro 717

Subiaco Pluviometro/Idrometro 376

Subiaco S. Scolastica Pluviometro/Termometro 534

Tivoli Pluviometro/Termometro 257

Trevi nel Lazio Pluviometro/Termometro 773

Periodo analizzato: 1 Gennaio 2006 – 31 Dicembre 2010

AREA DI STUDIO

• 690 Km2

• 213 - 2156 m s.l.m.

• Portata min. 10 m3/s

• Portata max. 725 m3/s

• 5 Dighe

• 300 GWh/anno

• 9 Stazioni di monitoraggio

16/05/2013 16/05/2013

DESCRIZIONE DEL LAVORO

1 - MIGLIORAMENTO MODELLO IDROLOGICO AD2

3 - VALIDAZIONE MODELLO

2 - CALIBRAZIONE MODELLO

4 - PREVISIONE

16/05/2013 16/05/2013

MODELLO AD2

A PARAMETRI CONCENTRATI

FISICAMENTE BASATI

Parametr

o

Unità di

misura

Descrizione Nota

C (-) Coefficiente di deflusso Funzione del tipo di suolo

Sc (mm) Contenuto d’acqua alla

capacità di campo

Funzione del tipo di suolo

Smax (mm) Capacità di

immagazzinamento del

suolo


c (h-1) Coefficiente empirico

funzione della velocità del

flusso sub-superficiale


Ks (mm/h) Permeabilità a saturazione Funzione del tipo di suolo

β (-) Esponente adimensionale Funzione del tipo di suolo

αs (h-1) Costante di esaurimento

del deflusso superficiale

Funzione della dimensione

del bacino

αsub (h-1) Costante di esaurimento

deflusso sub-superficiale

Funzione della dimensione

del bacino

1. Infiltrazione

2. Deflusso superficiale

3. Ruscellamento sub-

superficiale

4. Percolazione

profonda

5. Evapotraspirazione


(Fiorentino & Manfreda,2004)

16/05/2013 16/05/2013

SCHEMATIZZAZIONE DEL MANTO NEVOSO

ATTRAVERSO L’EQUIVALENTE IN ACQUA

CURVA IPSOMETRICA

• z = quota generica del bacino

• l = parametro caratteristico della

funzione = 2,6

• fc (t) = la porzione di bacino al di

sotto di z

• zmin = quota minima del bacino

• zmax = quota massima del bacino

))(1(1

)(

minmax

min

tfl

tf

zz

zz

c

c

lrTTzz bSS /)(0

• z0 = quota di riferimento

• zs = quota della stazione di

monitoraggio

• Ts = temperatura rilevata

• Tb = temperatura di riferimento

• lr = gradiente termico (-6,5°/Km)

MODULO NEVE


(Strahler, 1952; Allamano et al., 2009)

16/05/2013 16/05/2013

L’APPROCCIO SEGUITO È STATO QUELLO DI SCOMPORRE

L’IDROGRAMMA NELLE SUE COMPONENTI RAPPRESENTATIVE DEI

PROCESSI IDROLOGICI AGENTI ALL’INTERNO DEL BACINO

IDROGRAFICO DI RIFERIMENTO


TEMPO

m3/s

DEFLUSSO SUPERFICIALE

SCIOGLIMENTO NIVALE

DEFLUSSO DI BASE

16/05/2013 16/05/2013 2 - CALIBRAZIONE MODELLO

Le portate di base sono stimate tramite

interpolazione, mediante spline di

cubiche, effettuata sulla serie dei valori

minimi registrati ed identificati mediante

la funzione “findpeaks” di Matlab

applicata ai valori registrati di portate

inferiori alla media più la deviazione

standard.

m3/s

t

16/05/2013 16/05/2013

IMMAGINI MODIS – AQUA – 36 bande Algoritmo di Solomonson e Appel (2004)

64

64

bb

bbNDSI

NDSI = Normalized Difference Snow Index

•b4 = banda 4 (0,555 µm)

•b6 = banda 6 (1,640 µm)

STIMA DELLA COPERTURA NEVOSA DA IMMAGINI SATELLITARI

ELABORAZIONI N.A.S.A.


National Snow and Ice Data Center (http://nsidc.org/index.html)

16/05/2013 16/05/2013

Mf = Fattore di

scioglimento =

0.15 mm/°C*h

Mfr = Fattore di

congelamento =

0.01 mm/°C*h

Tb = Temperatura

di soglia = 0.5 °C

CA

LIB

RA

ZIO

NE

PA

RA

ME

TR

I

MODULO NEVE


16/05/2013 16/05/2013

MODULO NEVE CONFRONTO IMMAGINI SATELLITARI

NEL VISIBILE


16/05/2013 16/05/2013

Cm = Coefficiente di deflusso superficiale = 0.1

Ks0 = Permeabilità idraulica del suolo in condizioni

di saturazione = 45 mm/h

Smax = Contenuto d’acqua a saturazione = 200 mm

csoil = Indice caratteristico della dimensione e

distribuzione dei pori nel suolo = 9

DEFLUSSO

SUPERFICIALE

Periodo di validazione Periodo di calibrazione


m3/s

t

16/05/2013 16/05/2013

MODELLO AD2 INDICI DI EFFICIENZA DELLE

SIMULAZIONI

n

QQRMSE

n

i isio

1

2,. )(

n

i iois QQn

MAE1 ,.

1

n

iio

iois

Q

QQ

nMAPE

1,

,.1100

100)(

)(1

2,

2,,

mio

isio

QQ

QQNS

• Qo,i = è la i-esima portata osservata

• Qs,i = è la i-esima portata simulata

• Qm = è la media dei deflussi registrati

Root Mean Square Error

Mean Absolute Error

Mean Absolute Percentual Error

Nash & Sutcliffe

RMSE 4.41

MAPE 1.81

MAE 17.78

NS 89.67


16/05/2013 16/05/2013

MODELLO

COSMO-LAMI

MODELLO DI PREVISIONE

METEREOLOGICA AD AREA LIMITATA

MODELLO AD2

+

MODELLO

COSMO-LAMI

LE PRESTAZIONI DEL MODELLO IN PREVISIONE RESTANO

ALTAMENTE AFFIDABILI AD 1 GIORNO MENTRE A 2 E 3 GIORNI

AUMENTA L’INCERTEZZA

Indice Piogge

osservate

Prevision

e a 1

giorno

Previsione

a 2 giorni

Previsione a

3 giorni

RMSE

[m3/s] 4.41 4.92 6.20 6.35

MAPE [%] 17.78 18.80 23.12 25.44

MAE [m3/s] 1.81 1.90 2.48 2.71

NS [%] 89.67 86.04 77.82 76.67

4 - PREVISIONE

PREVISIONI A 24-48-72 ORE

16/05/2013 16/05/2013

Esempio di previsione della piena del 3-5 febbraio 2009:

previsione eseguita con 3, 2 ed 1 giorno di anticipo a partire dalle

previsioni giornaliere di precipitazione del COSMO-LAMI

4 - PREVISIONE

16/05/2013 16/05/2013

4 - PREVISIONE

Previsione analogica

Il calcolo della previsione

analogica si basa

sull’osservazione che nel

regime regolato specifici

“pattern” di portata

tendono a ripetersi per un

certo numero di giorni

consecutivi. Di

conseguenza, all’istante di

previsione, l’idrogramma

per le 67 ore seguenti può

essere ricostruito

“replicando” il pattern

osservato nelle ultime 24

ore.

Castelletti e Pianosi, (2012) Dip elettronica, PoliMI

EFFETTI DI REGOLAZIONE

16/05/2013 16/05/2013

• I RISULTATI OTTENUTI MOSTRANO UN BUON LIVELLO DI ATTENDIBILITÀ

DELLE PREVISIONI AD 1 GIORNO, MENTRE L’INCERTEZZA AUMENTA NELLE

PREVISIONI CON 2 O 3 GIORNI DI PREAVVISO. QUESTO E’ DOVUTO AL

FATTO CHE LE PREVISIONI DEL MODELLO LAM AD 1 GIORNO SONO PIU’

AFFIDABILI RISPETTO ALLE PREVISIONI A 2 E 3 GIORNI.

• LE ANALISI MOSTRANO LE POTENZIALITÀ CHE QUESTI STRUMENTI

FORNISCONO E ANCHE LE CRITICITÀ IN TERMINI DI INCERTEZZA CHE LE

PREVISIONI PORTANO.

• LA VERSATILITÀ E LA CONSISTENZA FISICA DELLA PROCEDURA DI

CALIBRAZIONE ADOTTATA CONSENTIREBBE L’APPLICAZIONE AGEVOLE

DELLA STESSA PROCEDURA IN CONTESTI FISICI DIFFERENTI.

• LA FINALITA’ DEL PRESENTE LAVORO E’ QUELLA DI DOTARE GLI

OPERATORI DEL SETTORE IDROELETTRICO DI UNO STRUMENTO IN GRADO

DI MIGLIORARE LE LORO PREVISIONI DI PRODUZIONE ENERGETICHE PER

POTER ESSERE MAGGIORMENTE COMPETITIVI ALL’INTERNO DEL

MERCATO ENERGETICO NAZIONALE.

CONCLUSIONI

16/05/2013 16/05/2013

Grazie per l’attenzione

16/05/2013 16/05/2013

Lavori collegati

Manfreda, S., Mancusi, L., Previsione idrologica per la produzione idroelettrica, L’Acqua, 2013.

Manfreda S. and M. Fiorentino, Flood Volume Estimation and Flood Mitigation: Adige river basin, in "Mountains: Sources of Water, Sources of Knowledge", Series: Advances in Global Change Research , Vol. 31 Ed. by Ellen Wiegandt, pp. 243-264, 2008 (ISBN:978-1-4020-6747-1).

Fiorentino M., S. Manfreda, V. Iacobellis, Peak Runoff Contributing Area as Hydrological Signature of the Probability Distribution of Floods, Advances in Water Resources, 30(10), 2123-2134, (doi:10.1016/j.advwatres.2006.11.017), 2007.

Rosano R., S. Manfreda, M. Fiorentino, A. Sole, Sviluppo ed ingegnerizzazione di un applicativo software per la modellazione idrologica a scala di bacino, 29° Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, 2008.

previsione idrologica per la produzione idroelettrica

Documents