Nuove tecnologie per la gestione della risorsa

idrica in agricoltura

Guido D’Urso

Dip. Ingegneria Agraria ed Agronomia del Territorio,

Università di Napoli Federico II

ACCADEMIA DEI GEORGOFILI

“ACQUA E PRODUZIONE ALIMENTARE”

7 giugno 2011

uso sostenibile del risorse ambientali

gestione delle risorse idriche

emergenze da cause naturali e antropiche

Quali strumenti ?

Key-words:

Le ricerche condotte in anni recenti hanno consentito la messa

a punto di metodologie, modelli e tecniche di misura per la

valutazione degli scambi di massa ed energia nel sistema

suolo-pianta-atmosfera

Caratterizzazione dettagliata e monitoraggio

… modelli idrologici …

( ) 87.52 /1

(1 / )

ns nl E ap

c a

R R G D rE

r r

y = 1.05x - 0.08

R2 = 0.90

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Eto * Kc (ASD)

ET

a

from doy 196 to doy 206 - Corn

Validazione – Mais

(eddy-covariance)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

178 179 180 181 182 183 184 185

DOY

mm

/h

ETp

ET

S

W

A

P

LAImax = 3.5

LAImin = 0.0

Condizione al contorno inf.:

a) Circolazione sotterranea

b) Percolazione

c) Strati impermeabili

Moto dell’acqua nel sistema

Suolo-Pianta-Atmosfera:

Equazione Richard’s

+

Modelli attingimento radicale

Condizione al contorno sup.:

Parametri vegetazione

+Evapotraspirazione massima

)dtνTEI(PΔWdzzθΔttz,θ dsee

z

0

Modelli dinamici – continuum S.P.A. e variabilità spaziale e temporale

SIMODIS (SImulation and Management

On-Demand Irrigation Systems)

INPUT

OUTPUT

1

2

4

3

METEO

SUOLO

COLTURE

SWAP

MODELLO BILANCIO

IDRICO DEL SUOLO

i,j,k, giorno d-1TOPOLOGIA

RETE

IRRIGUA

(z)

h(z)

Identificazione

delle parcelle

in condizioni di

stress

Calcolo dei

corrispondenti

volumi irrigui

CRITERI di

PROGRAMMA-

ZIONE IRRIGUA

Ii,j

Ii,j

Qi,j

I’i,j

I’i,j

VRES

I’’i,j

MODELLO

SIMULAZIONE

IDRAULICA

RETE

giorno d

I’’i,j

I’’i,j

GEOMETRIA e

CARATTER..

IDRAULICHE

RETE DI

DISTRIBUZIONE

Hi,j

(z)

h(z)

SWAP

MODELLO BILANCIO

IDRICO DEL SUOLO

i,j,k, giorno d

Hi,j

I’’’i,j

Hmin

I’’’i,j

CORREZIONE DISTRIBUZIONE per

QUOTA PIEZOMETRICA

INSUFFICIENTE ALLA CONSEGNA

Coda di distribuzione in base a:

- durata prevista applicazione

- diritti di priorità

CORREZIONE DISTRIBUZIONE per

VOLUME IRRIGUO

COMPLESSIVO ECCEDENTE LA

DISPONIBILITA’ DI RISORSA '

,i j RESI V d V chiusura reparti

CORREZIONE DISTRIBUZIONE

per ECCESSIVA RICHIESTA

D’ACQUA ALLA CONSEGNA

Riduzione di :

- numero di parcelle irrigate;

- volumi irrigui

VINCOLI GESTIONALI E DI SISTEMA

ir = frazione del deficit idrico nel suolo

utilizzata come volume irriguo specifico

Qi,j = portata del gruppo di consegna comiziale

VRES= volume giornaliero disponibile

Hmin= carico piezometrico minimo richiesto

OUTPUT

Ii,j = Volume irriguo alla consegna del settore

Δt = tempo di apertura nelle 24 h

Hi,j = carico piezometrico alla consegna

V(d)= volume totale richiesto nel giorno d

ValidazioneConfronto tra i prelievi simulati e quelli osservati

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

152 159 166 173 180 187 194 201 208 215 222 229 236 243 250 257 264

Giorno Giuliano 1994

I (m3/d) Rilievi contatori

Valori simulati con SIMODIS

Uso sinergico di strumenti modellistici e

tecniche di monitoraggio

GIS

RS

RA

T0

m

RX T

C

TS (z,t)

v(x,y,t)

*

0

lnm

u zu z

k z

modelli+Osservazione della

Terra

+

Landsat 7 ETM+ => 30 m

SPOT5 => 10 m

Quick Bird => 2,8 m

Sviluppo tecnologico e sensori satellitari

Principali caratteristiche di sensori satellitari operanti nello

spettro visibile (VIS) e dell'infrarosso prossimo (NIR)

SATELLITE SENSORE Lancio RisSpaz Ciclo Risol VIS (nm) NIR (nm)

(m) (g) Spettr. 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050

LANDSAT 5-7 TM/+ETM 1982-2003 30 16 4

SPOT 1-5 * HRV 1986 20 26 3

JERS OPS 1992 21 44 3

IRS 1-c/d LISS III 1995 24 22 3

ERS-2 ATSR-2 1995 1000 35 3

ADEOS AVNIR 1996 16 46 4

IRS P3 MOS-B 1996 500 24 13

NOAA AVHRR/2 1996 1100/4000 11/0.5 2

SPOT 4 HRVIR 1998 20 26 3

SPOT 4 VEGETATION 1998 1100 1 4

IKONOS 1-2 IKONOS 1998 4 5 4

TERRA ASTER 1999 15 16 3

TERRA MODIS 1999 250 16 2

TERRA MODIS 1999 500 16 3

TERRA MODIS 1999 1000 16 12

TERRA MISR 1999 240/multiang 16 4

QUICKBIRD QUICKBIRD 2000 4 var. 4

ENVISAT MERIS 2002 250 35 16

ENVISAT AATSR 2002 500 35 3

NOAA K AVHRR/3 2002 1100 0.5 2

PROBA CHRIS 2001 25/multiang local.dip. 19

IRS PS LISS III-IV 2003 24 14 3

FORMOSAT-2 2004 8 1 4

ALOS AVNIR-2 2006 10 46 4

KOMPSAT-2 MSC 2008 1 14 4

Rapid-Eye * Jena SS 56 2008 6.5 2 5

* costellazione di satelliti; capacità di puntamento 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050

programmable up to 19 bands 2-10 nm - obs.nadir + 4 ang.

Principali caratteristiche di sensori satellitari operanti

nello spettro dell'infrarosso termico (TIR)

SATELLITE SENSORE Lancio Risoluz. Freq. num. TIR (nm)

(m) (g) bande 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000

LANDSAT +ETM 1998 60 16 1

ERS-2 ATSR-2 1995 1000 35 3

NOAA AVHRR/2 1996 1100/4000 11/0.5 2

TERRA ASTER 1999 90 16 5

TERRA MODIS 1999 1000 16 15

ENVISAT AATSR 2001 1000 35 3

NOAA K AVHRR/3 2001 1100 0.5 3

LSPIM PRISM 2006 50 3 3

MODIS (1000 m)

Landsat (60 m)aereo (4 m)

1. Classificazione dell’uso reale del suolo =>

VIS/NIR/MW

2. Determinazione di parametri della superficie:

albedo, copertura del suolo, Indice di area fogliare,

Coeff. Colturale Kc => VIS+NIR

3. Stima dei valori istantanei di variabili e termini del

bilancio idrologico: evapotraspirazione reale,

contenuto idrico dei suoli => TIR / MW

Applicazioni principali dei dati O.T.

nella gestione delle risorse idriche

1. Classificazione dell’uso reale del suolo

=> VIS/NIR/MW

12,230 km2

Altitudine: 870-1908 m.

(Nyeko, 2010)

Inventari colturali: esempio in Yemen

Scarsa disponibilità della risorsa: dove è possibile un

recupero attraverso il miglioramento dell’efficienza irrigua ?ì

Qat

Patata e

altre ortiveMais e

patata

(Soppe, 2008)

Le tecniche di classificazione dell’uso del suolo non sono

ideali per stimare i fabbisogni irrigui: troppe incertezze nella

determinazione dei coefficienti colturali Kc…

Papaya

Qat

Inventari colturali: esempio in Yemen

(Soppe, 2008)

2. Determinazione di parametri della

superficie: albedo, copertura del suolo,

Indice di area fogliare, Coeff. Colturale

Kc => VIS+NIR

Significato dell’NDVI

Osservazioni VIS – NIR

ANALISI D’IMMAGINE:

LAI + ALBEDO + Altezza colt.

ALBEDO

LAI

Hc

DATI AGRO-METEO+

r, hc, LAI

( , , , ; , , )p a cET f K T RH U r LAI h

Mappe ETp

OUTPUT

Progetto UE - DEMETER (2002-2005)

Sviluppo e validazione in Italia, Spagna e

Portogallo di due metodologie per la

determinazione dei fabbisogni irrigui massimi

1) Monitoraggio in tempo reale dello sviluppo delle

colture mediante dati satellitari multi-spettrali ad alta

risoluzione spaziale (5-20 m; SPOT)

2) Calcolo dei fabbisogni irrigui secondo la procedura

“1-step” F.A.O. con dati dalla rete agrometeorologica

3) Distribuzione del consiglio irriguo personalizzato

direttamente agli agricoltori

Schema metodologico :

36 h1) 2) 3)

MAIS

45 giorni 60 90 120

dalla semina

Distribuzione dei valori di Kc

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

90 147 188 320

Julian date (2002 Season)

Kc C

rop

Co

eff

icen

t

Lan

dSat

07/

07/

2002

Lan

dSat

13/

02/

2002

Lan

dSat

27/

05/

2002

Kc J=188

Viticoltura irrigua, Trapani

Parcella ID: 229870/00136

Volume irriguo consigliato,

settimana 28: 213 m3

Durata applicazione: 5.5 h

Livello (A): consulenza irrigua personalizzata

- scala aziendale -

Farm: Maione

crop: maize

ETP and water supply

2005

0

10

20

30

40

50

60

70

801/6

8/6

15/6

22/6

29/6

6/7

13/7

20/7

27/7

days

ET

P,

wate

r su

pp

ly

(m

m/d

ay)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Cu

mu

lati

ve

(cu

bic

mete

r /

ha)

supply

ETP

supplycumulative

ETPcumulative

3/06 21/0

6

28/06 7/07 17/07 28/07 satellite

acquisition

2005

Farm: Mellone

crop: orchard

ETP and water supply

2005

0

10

20

30

40

50

60

70

801

/6

8/6

15

/6

22

/6

29

/6

6/7

13

/7

20

/7

27

/7

days

ET

P,

wa

ter

su

pp

ly

(m

m/d

ay

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Cu

mu

lati

ve

(cu

bic

me

ter

/ h

a)

supply

ETP

supplycumulative

ETPcumulative

3/06 21/0

6

28/06 7/07 17/07 28/07satellite

acquisition

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

1 C

AS

TR

UL

LO

NU

OV

O

2 B

OS

CA

RIE

LL

O

3 Z

.B.E

1 S

EZ

.SE

LE

4 C

AN

AL

I P

EL

O

LIB

ER

O

5 C

AN

AL

I P

EL

O

LIB

ER

O

6 F

AS

CIA

LIT

OR

AN

EA

7 C

AN

AL

I P

EL

O

LIB

ER

O

8 C

AN

AL

I P

EL

O

LIB

ER

O

9 C

AN

AL

I P

EL

O

LIB

ER

O

106m3

To

tal m

on

thly

Cro

p W

ate

r R

eq

uir

em

en

t

June July August September

Livello (B): informazione a scala di comprensorio irriguo

Esempi di applicazioni del

telerilevamento a grande scala nei

Paesi in via di sviluppo

Famine Early Warning Systems

Network (FEWS NET) - USAID

Analisi di indici di vegetazione

(Budde, Rowland et al., 2010)

3. Stima dei valori istantanei di variabili e

termini del bilancio idrologico: => TIR

Bilancio energetico superficiale

– stima annuale ETa da MODIS

Annual ET (July 2004 - June 2005)

[mm]

1500

0

(Bastiaanssen, 2006)

Early warning Water Balance Monitoring System

(Oroda)

Indice WRSI (water requirement satisfaction index) e

Bilancio Energetico Superficiale

(Verdin e Klaver, 2002)

ITA-FAO Nile

Rafforzamento delle capacità per la

gestione delle risorse idriche del Nilo

http://www.fao.org/nr/water/faonile/

Integrazione fra modelli idrologici a grande scala e

prodotti avanzati da dati di Osservazione della Terra

www.ceop-aegis.org

Progetto CEOP-AEGIS (Coord.: M.Menenti; 2008-2012); EU-VII FP

WP8: Monitoraggio della produzione di deflussi superficiali nel Tibet

Precipitazioni sensore TRMM 3B42 test – anno 2000

Evapotraspirazione reale (ETlook-WaterWatch, da

dati MODIS) 2000

Immagazzinamento d’acqua nel suolo

(modello+GRACE+SAR)

Mappa della produzione dei Deflussi superficiali

2000

Portate – principali fiumi

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

01/01/2000

01/02/2000

01/03/2000

01/04/2000

01/05/2000

01/06/2000

01/07/2000

01/08/2000

01/09/2000

01/10/2000

01/11/2000

01/12/2000

m3 /

s

Indus

Brahmaputra

Salween

Mekong

Yangtze

Yellow

(Immerzeel, 2010)

Conclusioni 1/4

• Le nuove tecnologie basate sull’analisi di

dati di Osservazione della Terra e sulla

descrizione dei processi idrologici

consentono di valutare la domanda d’acqua

per uso irriguo in relazione alla disponibilità

delle risorse idriche (water accounting)

conclusioni 2/4

• Nei prossimi 3-4 anni le principali agenzie

spaziali (NASA, ESA) distribuiranno

gratuitamente ed in tempo reale dati

satellitari multispettrali ad alta risoluzione

spaziale (10-20 m, i.e. Landsat 8 &

Sentinel), come già oggi avviene con quelli

a media risoluzione (300-1000 m)

conclusioni 3/4

• Internet ed i moderni mezzi di

comunicazione facilitano enormemente

l’acquisizione e la distribuzione di dati ed

informazioni, che possono essere resi

disponibili in tempo quasi reale agli utenti

finali

conclusioni 4/4

• L’accesso comune a queste informazioni da

parte di Enti gestori trans-nazionali

consente una gestione partecipata e

condivisa delle risorse, limitando così

l’insorgenza di crisi e di conflitti