HYDRO-GIS: un software idraulico integrato nel GIS

Libreria python Anuga

HYDRO-GIS contiene un modulo idraulico integrato nel software a livello nativo. Tale modulo si appoggia alla libreria python ANUGA per simulare eventi di piena fluviale e torrentizia utilizzando il metodo ai volumi finiti. Sono supportati due modelli: un modello a fondo fisso e un modello a fondo mobile, disaccoppiato (non adatto perciò a simulare eventi ad alto trasporto solido, come le colate detritiche).

ANUGA è stato creato in collaborazione da Geoscience Australia e dal mathematical Sciences Institute presso l’Australian National University. Attualmente è sviluppato e mantenuto da una comunità di volontari.

Una grande capacità di ANUGA è di modellare il processo di wetting and drying quando l’acqua entra in un’area oppure la lascia. Questo significa che è adatta per simulare il flusso dell’acqua su un terreno asciutto oppure intorno a strutture come edifici. ANUGA è anche in grado di modellare bruschi dislivelli (hydraulic jumps) grazie alla capacità del metodo ai volumi finiti di modellare discontinuità nella soluzione e nel letto.

ANUGA, in generale, è uno strumento di modellazione idrodinamica che consente agli utenti di modellare problemi di flusso realistici in geometrie 2D complesse. Esempi includono la rottura di dighe o gli effetti di calamità naturali come inondazioni fluviali, mareggiate e tsunami. Ad oggi, il presente software fornisce un’interfaccia di alto livello per operare con ANUGA al fine di simulare esclusivamente onde di piena (non è quindi possibile simulare tsunami).

ANUGA utilizza un mesh non strutturata caratterizzata da una maglia di celle triangolari. Questo consente di avere un controllo estremamente preciso sulla dimensione della mesh in ogni punto del dominio e facilita l’inserimento di strutture, barriere, ingressi di portata, culverts e riverwalls.

La maggior parte dei componenti di ANUGA sono scritti nel linguaggio di programmazione orientato agli oggetti Python, anche se i componenti computazionalmente intensivi sono scritti in linguaggio C per essere più efficienti dal punto di vista computazionale. ANUGA supporta inoltre il calcolo parallelo, sfruttando i diversi ’cores’ dei computer moderni.

ANUGA è stata pensata originariamente come modello a fondo fisso, ma nel corso degli anni sono stati sviluppati numerosi operatori per la modellazione del trasporto solido. Il presente software non usa nessuno di questi, ma ne utilizza uno implementato da noi, basato sulla formula di Meyer-Peter & Müller (o Smart & Yaggy) e la teoria di Shields, che in maniera simile ad altri operatori utilizza la funzione gradiente di Anuga per calcolare la divergenza della capacità di trasporto solido in ogni cella.

Integrato nel GIS

Il modulo idraulico è integrato in un software GIS e questo rappresenta per gli utenti un vantaggio pratico incredibile. Infatti, per effettuare la modellazione di un’onda di piena c’è bisogno del GIS sia per preparare le mappe di input e sia per visualizzare i risultati di output.

Il software HYDRO-GIS consente quindi all’utilizzatore di effettuare le tre fasi (preparazione input – simulazione numerica – visualizzazione ed elaborazione output) con un unico software, permettendo un risparmio di tempo, di stress e di denaro derivanti dall’utilizzo di più software diversi.

Infatti, utilizzare più software può dare problemi di compatibilità (essendo stati scritti da persone diverse, in diversi contesti geografici e con conoscenze differenti), comporta un numero di licenze maggiore da acquistare e obbliga l’utente a perdere tempo trasferendo i dati e le mappe da un software all’altro.

Il software HYDRO-GIS consente di avere un controllo estremamente preciso sulla dimensione della mesh in ogni punto del dominio di calcolo permettendo di applicare una maggiore precisione all’alveo, sponde e zone esondabili senza per questo rallentare di troppo la simulazione.

Inoltre, è possibile modellare scenari complessi utilizzando gli operatori offerti dalla libreria python Anuga. In particolare gli operatori sono i seguenti:

• Riverwalls: sono muri verticali. Hanno il pregio di adattare la forma della mesh e quindi di non rimpicciolirla (cosa che rallenterebbe la simulazione per condizione di CFL). Con i Riverwalls è possibili simulare muri di sponda, barriere, pile di ponti, strutture, abitazioni. I riverwalls inoltre supportano la “rottura” o la “costruzione” istantanee ad un certo istante durante la simulazione, permettendo di modellare l’effetto di un nuro di sponda che collassa o di un ponte che va in occlusione.

• Interiors: Gli interiors sono buchi nel dominio di calcolo. HYDRO-GIS applica di default la condizione al contorno riflessiva e quindi gli interiors possono essere usati per simulare abitazioni, strutture o barriere

• Inlets: Sono ingressi di portata interni al dominio. Utili per esempio per modellare affluenti secondari o fenomeni carsici di “comparizione” di portata

• Culverts: Sono canali coperti che trasportano acqua da un punto del dominio ad un altro. Utili per esempio per modellare il trasporto dell’acqua sotto strade o ferrovie.

Outputs delle simulazioni idrauliche

Il software HYDRO-GIS consente di visualizzare tutti i classici outputs:

• Tiranti:
• Modulo velocità (e velocità in x e in y)
• Frecce di flusso
• Scavi e depositi

In aggiunta, consente di estrarre “al volo” delle sezioni fluviali e di osservarne l’evoluzione dei tiranti e degli scavi e depositi. Inoltre, consente anche la visualizzazione tridimensionale dei tiranti in una porzione di alveo.

Oltre a ciò consente di personalizzare in maniera avanzata la visualizzazione, modificando le colormaps, limitando superiormente o inferiormente sia il range di colori che il range di valori ad essi associati. Consente di nascondere i valori nulli per una rappresentazione più ad effetto con mappe di base come sfondo, e così via…

Ancora, consente di estrarre alcune informazioni importanti con un semplice click, come la mappa raster dei massimi tiranti, dei massimi scavi e depositi, della velocità massima, ecc… Queste mappe possono essere per esempio elaborate mediante il calcolatore raster (sezione GIS) per creare le mappe di pericolosità alluvionale.

Link al sito di HYDRO-GIS: https://www.hydro-gis.com