SISTEMA INTEGRATO PER IL MONITORAGGIO E LA GESTIONE DELLE RISORSE IDRICHE IN TEMPO REALE

Risultato della ricerca:

L’acqua è un bene prezioso da gestire in maniera sostenibile se vogliamo garantirne la disponibilità per le generazioni future. I cambiamenti climatici, del territorio e dello stile di vita, stanno aumentando la pressione sulle riserve idriche fino a livelli mai sperimentati nel passato. Questi nuovi scenari richiedono nuovi sistemi per la gestione sostenibile delle risorse idriche per affiancare e migliorare le tecniche tradizionali.

Alla base della gestione sostenibile risiede la conoscenza della disponibilità della risorsa. Strumenti di misura automatici, tecniche di misura basati sulle osservazioni satellitari e modelli matematici, permettono di conoscere la disponibilità della risorsa idrica, di individuare condizioni di stress e di intervenire in maniera consapevole.

Il gruppo di ricerca ha sviluppato negli ultimi anni un sistema che permette di conoscere in tempo reale la disponibilità idrica di un territorio invasata nel suolo, nei corsi d’acqua e nei laghi (regolati o naturali) e nel sottosuolo. Il sistema è basato su un backend costituito da un modello idrologico distribuito (FEST) sviluppato al Politecnico di Milano che trasferisce le informazioni automaticamente ad un frontend che pubblica i risultati su una dashboard consultabile via internet. Il modello FEST viene alimentato in tempo reale dalle misure delle grandezze meteorologiche acquisite dalle reti di monitoraggio disponibili (precipitazione, temperatura, radiazione solare, umidità relativa, velocità del vento) e dalle mappe dei sensori remoti satellitari che permettono di controllare la qualità delle simulazioni del modello idrologico ed i suoi parametri. Sia il modello idrologico che l’interfaccia web sono altamente flessibili e completamente configurabili. È possibile così personalizzare il sistema, acquisendo misure da sensori appositamente installati (ad esempio sensori per la misura del livello piezometrico degli acquiferi) oppure ricevere previsioni da modelli di previsione meteorologica o stagionali, aggiungendo così, oltre alle informazioni riguardo la disponibilità attuale delle risorse idriche, una previsione della tendenza futura.

Il sistema permette diverse applicazioni nell’ambito della gestione delle risorse idriche fornendo informazioni sulla disponibilità sia ai gestori dei comprensori irrigui, che alle singole aziende di produzione agricola. Inoltre, le informazioni concernenti l’acqua invasata nei bacini idrici artificiali, e quella che defluisce nei corsi d’acqua, sono importanti per l’uso idropotabile o per la produzione di energia idroelettrica.

La tecnologia presentata è stata convalidata sia in laboratori (TRL4), sia in casi di studio reali (TRL6) nell’ambito di progetti di ricerca finanziati da bandi europei e regionali (ad esempio SEGUICI, SIM, SMARTIES). Il sistema è stato sviluppato sul presupposto che la conoscenza in tempo reale delle risorse idriche disponibili, permette di migliorarne la gestione, seguendo una nuova tendenza che si è dimostrata efficace dal punto di vista ecologico ed economico. Questo sistema è stato sviluppato e implementato per diversi casi studio ed in diversi contesti climatici nel nord e nel sud dell’Italia, oltre ad altri paesi mediterranei come la Spagna, la Tunisia, l’Egitto ed il Marocco. I risultati della ricerca possono essere utilizzati allo scopo di una strategia di gestione intelligente dell’acqua ad una scala più ampia.

I risultati della ricerca proposta afferiscono all’Area di Innovazione “Agroalimentare” ed in particolare alla Traiettoria Tecnologica della S3 Calabria denominata “Rafforzamento della competitività e sostenibilità delle filiere”. Infatti, la ricerca proposta prevede la conoscenza in tempo reale della disponibilità idrica di un territorio nel suolo, nei corsi d’acqua, nei laghi e nel sottosuolo, e consente di individuare eventuali condizioni di stress idrico, attraverso la modellazione matematica. Tutto questo rappresenta un notevole contributo nell’ambito della gestione e dell’ottimizzazione delle risorse idriche sia dal punto di vista agricolo che potabile, collocandosi nel campo della razionalizzazione degli impieghi dei corpi idrici che rientra appunto nella succitata Traiettoria Tecnologica. La tecnologia presentata è stata convalidata sia in laboratori (TRL4), sia in casi di studio reali (TRL6) nell’ambito di progetti di ricerca finanziati da bandi europei e regionali (ad esempio SEGUICI, SIM, SMARTIES). Il sistema è stato sviluppato sul presupposto che la conoscenza in tempo reale delle risorse idriche disponibili, permette di migliorarne la gestione, seguendo una nuova tendenza che si è dimostrata efficace dal punto di vista ecologico ed economico. Questo sistema è stato sviluppato e implementato per diversi casi studio ed in diversi contesti climatici nel nord e nel sud dell’Italia, oltre ad altri paesi mediterranei come la Spagna, la Tunisia, l’Egitto ed il Marocco. I risultati della ricerca possono essere utilizzati allo scopo di una strategia di gestione intelligente dell’acqua ad una scala più ampia.

La presente ricerca è frutto di precedenti collaborazioni, nate sempre nell’ambito di progetti di ricerca, ma ancora in essere. Nello specifico, il CNR-ISAFOM e il Politecnico di Milano possono vantare una collaborazione pluriennale nata nell’ambito del PRIN 2015 4WX5NA dal titolo “Reconciling Precipitation with Runoff: the role of undertstated measurement biases in the modeling of hydrological processes” e proseguita con il progetto ERA-NET COFUND WATERWORKS 2015 – Innovative Options for Integrated Water Resources Management in the Mediterranean (INNOMED). Tale collaborazione è fondamentale per il proseguo e la valorizzazione della ricerca proposta in quanto mette insieme diverse competenze complementari tra di loro, come lo studio dei processi che determinano il funzionamento e la dinamica degli agro-ecosistemi negli ambienti a clima mediterraneo e la modellistica idrologica a scala di bacino.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Il risultato della ricerca è stato sviluppato in progetti di ricerca che hanno ricevuto finanziamenti per lo sviluppo e la validazione di un sistema informatico per fornire informazioni in tempo reale utili alla gestione dell’acqua.

SEGUICI Smart tecnologie per la Gestione delle risorse idriche ad Uso Irriguo e Civile (2013-2015), finanziato da Regione Lombardia.

SIM Smart Irrigation Modelling (2013-2019) (http://www.sim.polimi.it/), bando WaterWorks2014.

SMARTIES Real Time Smart Irrigation Management at multiple Stakeholder’s levels (2020-2022) (http://www.smarties.polimi.it/), finanziato dal programma PRIMA.

Il modello idrologico è stato impiegato nel recente progetto INNOMED, Innovative options for water resources management in the Mediterranean (http://innomed.csic.es/), bando Waterworks 2015, con il quale è stato possibile valutare gli effetti dei cambiamenti climatici sulla produzione di biomassa del bacino sperimentale del torrente Bonis, nel Parco Nazionale della Sila.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Rispetto a quanto viene normalmente applicato nella pratica per l’ottimizzazione delle risorse idriche, nella presente proposta di ricerca viene presentata un’importante innovazione consistente nell’applicazione della modellistica idrologica a scala di bacino che costituisce uno step aggiuntivo al classico monitoraggio effettuato mediante apposita sensoristica. Infatti, l’applicazione del modello idrologico distribuito denominato FEST, sviluppato presso il Politecnico di Milano ed applicato con successo in altri casi di studio, partendo dalle misure in tempo reale delle grandezze meteorologiche acquisite dalle reti di monitoraggio disponibili ed integrando tali misure puntuali con le mappe ricavate dai sensori remoti satellitari, permette di ottenere una visione a scala di bacino della disponibilità delle risorse idriche, non limitata quindi ai soli punti monitorati. Inoltre, l’output del modello è facilmente consultabile attraverso un’interfaccia web, e quindi consente agli utenti interessati una migliore gestione e ottimizzazione delle risorse idriche a scala di bacino, sia dal punto di vista agricolo che potabile. Infine, il possibile utilizzo di previsioni meteorologiche o stagionali consente non solo di avere informazioni riguardo la disponibilità attuale delle risorse idriche ma anche una previsione della tendenza futura.

Titoli di proprietà intellettuale:

I risultati della ricerca non sono oggetto di titoli di proprietà industriale.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il sistema proposto permette all’utente di conoscere in tempo reale la risorsa idrica disponibile nel suolo, negli acquiferi e nei corpi idrici superficiali (fiumi e laghi naturali o regolati), tramite una dashboard consultabile via web. Il sistema di calcolo è basato su un modello idrologico spazialmente distribuito fisicamente basato. La tipologia del sistema e la sua flessibilità consentono numerose applicazioni nell’ambito della gestione delle risorse idriche. Il contenuto d’acqua del suolo è una variabile fondamentale per l’irrigazione delle colture, che consente di ottimizzare la quantità e la qualità del raccolto. Infatti, se da un lato condizioni di stress idrico eccessivo e prolungato possono portare ad una perdita parziale o totale del raccolto, l’eccesso di umidità del suolo può inficiarne la qualità. L’impostazione del modello idrologico consente di conoscere l’umidità del suolo a scala di bacino, ma anche scendere al dettaglio del campo, fornendo quindi informazioni fondamentali sia al gestore del comprensorio, che alle singole aziende. Il gestore può inoltre usufruire di altre informazioni rilevanti per il suo operato quali l’acqua invasata nei bacini idrici artificiali, e quella che defluisce nei corsi d’acqua. Queste informazioni hanno una molteplice valenza nel caso di serbatoi ad uso plurimo sui quali insistono gli interessi di diversi gestori per l’uso dell’acqua a scopo irriguo, idropotabile o per la produzione di energia idroelettrica. In questi casi, per facilitare ulteriormente la gestione degli invasi, è possibile integrare nel sistema le previsioni dei modelli meteorologici che permettono di fornire le traiettorie future degli afflussi ai laghi e del volume d’acqua disponibile.

Il principale mercato di riferimento è senza dubbio rappresentato dalle aziende agricole della Calabria impegnate nelle coltivazioni tipiche della regione, come ad esempio agrumi, olivo o vite. Tale aziende sono, infatti, tra i principali utilizzatori delle risorse idriche naturali e possono trarre notevoli vantaggi da una gestione oculata di queste risorse sia da un punto di vista produttivo che economico.

Parallelamente alle singole aziende, la presente proposta ha come mercato di riferimento i Gruppi di Azione Locale (GAL) sparsi sul territorio regionale che hanno come obiettivo quello di programmare, favorire e incentivare lo sviluppo nei territori rurali, obiettivo che può essere raggiunto mediante una maggiore diffusione delle pratiche agricole a salvaguardia della risorsa idrica, anche al fine di contribuire all’adattamento ai cambiamenti climatici, con effetti positivi anche sulla biodiversità.

Un altro mercato di riferimento sono i Consorzi di Bonifica che si occupano della tutela e valorizzazione delle attività agricole, del patrimonio idrico, anche con riferimento alla provvista e all’utilizzazione delle acque a prevalente uso irriguo, nonché dell’ambiente e delle sue risorse naturali.

Infine, un ulteriore mercato di riferimento è rappresentato dai gestori degli impianti idroelettrici, in quanto utilizzatori e gestori delle risorse idriche naturali presenti nei bacini idrografici tenuti anche a garantire i quantitativi d’acqua necessari ad uso potabile e agricolo.

Le principali criticità riscontrabili nel proporre la presente ricerca riguardano la difficile comunicazione tra mondo della ricerca e mondo imprenditoriale. Infatti spesso capita che, sebbene vi siano informazioni ampiamente disponibili circa l’offerta di conoscenze e competenze da parte degli organismi di ricerca, le imprese non sappiano dove trovarle. Al contempo, vi sono ostacoli esterni sia agli organismi di ricerca che alle imprese inerenti le regole dei bandi per la ricerca competitiva, laddove prevedano la partnership tra organismi di ricerca e imprese. In particolare, spesso si riscontra la farraginosità, disomogeneità e contraddittorietà della regolazione nazionale degli organismi di ricerca proprio rispetto alle possibilità di sviluppare ricerche in partnership con soggetti esterni.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Il sistema proposto è stato adottato in precedenza dagli utenti finali nell’ambito di progetti di ricerca finanziati a fini scientifici. Per una valorizzazione delle soluzioni sviluppate, è necessario implementarle in ambienti operativi reali laddove vi sia necessità di razionalizzare l’uso dell’acqua tra i diversi comparti (TRL7).

L’implementazione di strumenti intelligenti per la gestione delle risorse idriche viene solitamente condotta su piccola scala, a livello della singola azienda agricola. L’utilizzo di questi sistemi per monitorare in tempo reale lo stato dell’acqua, non solo a livello di aziende agricole ma anche a livello di bacino, consentono una migliore gestione di questa risorsa. Il sistema proposto consente di monitorare via web in tempo reale diversi indicatori relativi alle acque sotterranee, ai fabbisogni idrici delle piante, ai dati meteorologici e allo stato idrico del suolo. Passare dalla ricerca all’applicazione reale di tali sistemi è un passo importante che consentirà di valorizzare i risultati della ricerca e aiuterà a dimostrare che il sistema è completo e qualificato (TRL8). Nei casi studio nei quali è stato utilizzato, questo strumento si è rivelato efficace consentendo guadagni non solo in termini ambientali ma anche economici.

L’implementazione di questo sistema su una scala reale, più ampia consentirà di dimostrare la sua efficacia e validità in un ambiente operativo reale (TRL9).