Il modello BIGBANG per il bilancio idrologico a scala nazionale

Il bilancio idrologico, inteso come valutazione quantitativa dei flussi e degli stock naturali nelle diverse forme (liquida, solida, gassosa) in cui si manifesta l’acqua nel suo ciclo sulla terra sia in superficie sia al di sotto di essa, costituisce lo strumento conoscitivo indispensabile all’attività di pianificazione delle risorse idriche.

Gli aspetti quantitativi della risorsa idrica sono complementari a quelli qualitativi, che pure sono di fondamentale importanza per la gestione della risorsa, ed entrambi rilevanti al fine dell’implementazione della Direttiva Quadro Acque 2000/60/CE. Negli ultimi anni il problema di un'efficace, efficiente, equa e sostenibile allocazione della risorsa, che tenga conto molto più che in passato anche delle esigenze ambientali degli ecosistemi a essa legati, ha assunto importanza alla scala globale. Ciò si è tradotto in strategie e indicatori specifici di sostenibilità, considerato che a un’aumentata domanda corrisponde una graduale riduzione della disponibilità e della fruibilità della risorsa, anche per effetto dei cambiamenti climatici.

L'ISPRA, nell'ambito delle sue attività istituzionali relative all'idrologia operativa, ha sviluppato un modello in ambiente GIS, denominata BIGBANG–Bilancio Idrologico GIS BAsed a scala Nazionale su Griglia regolare (Braca et al., 2023, 2022a,b, 2021, 2019, 2018, 2015a,b; Braca e Ducci, 2018; Braca, 2017a) per la stima delle componenti del bilancio idrologico a scala mensile e per il territorio nazionale sulla base dell'equazione:

 P – E =  R + G + ΔV,

che rappresenta le variabili idrologiche "precipitazione totale" (P), "evapotraspirazione reale" (E), "ruscellamento superficiale" (R), "ricarica degli acquiferi" (G) e "immagazzinamento di volumi idrici nel suolo e nella copertura nivale" (ΔV) valutate su un grigliato con risoluzione spaziale di 1 km (Figura 1), nel DATUM ETRS89 proiezione Lambert Azimuthal Equal Area (LAEA). Il grigliato è quello definito dall'EEA–European Environmental Agency (ReferenceGrid2; Figura 2).

Le valutazioni del bilancio idrologico nazionale, attraverso il modello BIGBANG, sono attualmente disponibili e aggiornate per il periodo 1951–2023.

Figura 1. Valutazione su grigliato delle variabili idrologiche.

Figura 2. Grigliato dell'EEA utilizzato per il bilancio idrologico con BIGBANG.

Il modello BIGBANG è stato sviluppato secondo i seguenti criteri informatori: 

1. automazione in ambiente GIS per sfruttarne le potenzialità grafiche e di analisi;

2. valutazione distribuita dei termini del bilancio idrologico su grigliato;

3. implementazione di schemi consolidati nella letteratura tecnico-scientifica;

4. utilizzo di dati disponibili e facilmente reperibili anche tramite il WEB;

5. aggiornamento facile e continuo in funzione della disponibilità di nuovi dati, di dati aggiornati o del miglioramento delle tecniche di stima, ecc.;

6. possibilità di "ritagliare" su qualunque ambito territoriale (> 100 km²) di riferimento o "unità di bilancio" e "aggregare" a qualunque scala temporale multipla del mese (trimestrale, stagionale, semestrale, annuale, Long-term annual average – LTAA).

Poiché gli schemi di calcolo e i dati di base possono essere modificati, le valutazioni sul bilancio effettuate con BIGBANG sono caratterizzate da un indicatore di versione, attualmente BIGBANG 8.0 (aggiornamento delle stime al 2023), e un metadato. BIGBANG, sfruttando le capacità del GIS, calcola su base mensile l'equazione di bilancio direttamente sul grigliato (Figura 3).

Figura 3. Valutazione su grigliato di ciascuna componente del bilancio idrologico.

L'evapotraspirazione reale è stimata mediante un bilancio del suolo secondo lo schema di Thornthwaite e Mather (1955) in cui si tiene conto del grado di impermeabilizzazione dei suoli aggregando alla scala di 1 km (Figura 4) l'informazione ad alta risoluzione fornita della carta di soil sealing prodotta da ISPRA (Munafò et al., 2013) sulla base dell'Imperviousness layer prodotto dalCopernicus Land Monitoring Service del Programma EU Copernicus di Osservazione della Terra.

Figura 4. Mappa del grado di impermeabilizzazione dei suoli. Elaborazione ISPRA sulla base dell'Imperviousness layer dell'EU Copernicus Land Monitoring Service, aggregata su grigliato a 1 km. 

In Figura 5, Figura 6, Figura 7, Figura 8 e Figura 9 sono riportate alcune delle recenti stime delle componenti del bilancio idrologico ottenute mediante il BIGBANG 8.0, relativamente al territorio nazionale, a scala annuale e a scala mensile. Le stime coprono il periodo 1951–2023, con un focus sugli ultimi 10 anni (2014–2023). Nei grafici a scala annuale sono anche riportata le medie su lungo periodo (LTAA) delle componenti del bilancio. In Figura 10 è riportata la mappa a scala nazionale della precipitazione annua media per il periodo 1951–2023 vs. la mappa relativa al 2022 (anno in cui si è registrato il record negativo di precipitazione) e quella relativa al 2023 (ultimo anno completo disponibile). Le mappe di precipitazione, che sono alla base delle valutazioni del BIGBANG, sono calcolate sulla base dei dati ufficiali dei servizi idrologici regionali e delle provincie autonome, resposanbili per norma del monitoraggio idro-meteorologico, e dei dati ufficiali storici del soppresso Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN). Inolte, Figura 11 riporta la serie temporale della precipitazione annua su scala nazionale, con l'indicazione della precipitazione annua media sul lungo periodo (1951–2023) e la linea di tendenza, Figura 12 riporta le precipitazioni mensile medie sul lungo periodo, mentra la Figura 13 riporta la precipitazione annua media sul lungo periodo a scala regionale.

In generale, per ciascuna annualità, sono prodotte a scala mensile le mappe di 17 variabili idrologiche. Oltre alle mappe delle componenti del bilancio, sono presenti, tra le altre, le mappe della precipitazione nevosa e dello scioglimento nivale, le mappe di internal flow, intesa come la differenza tra afflussi ed evapotraspirazione reale, le mappe del deficit tra l'evapotraspirazione potenziale e quella reale, e le mappe del contenuto d'acqua del suolo. In Figura 14 è mostrato il confronto tra la disponibilità annua media di risorsa idrica naturale rinnovabile, il cosiddetto internal flow, calcolata sul lungo periodo 1951–2023 (LTAA) e quella stimata per il 2022, a seguito della grave e persistente siccità che ha colpito l'Italia, e quella stimata per il 2023, l'ultimo anno completo disponibile. Nel 2022, è stata stimata una disponibilità annua media per l'Italia di 67 miliardi di metri cubi, che rappresenta una riduzione di circa il 52% rispetto alla LTAA e di circa il 50% rispetto alla media annua dell’ultimo trentennio climatologico 1991–2020 (Braca et al., 2023; SNPA, 2023). La risorsa idrica per l’anno 2023 è stimata in 112,4 miliardi di metri cubi. Ciò evidenzia una certa ripresa rispetto al 2022, sebbene si sia registrata una riduzione a livello nazionale di circa il 18% della disponibilità rispetto alla media annua sul lungo periodo 1951–2023 e di circa il 16% rispetto all'ultimo trentennio climatologico (Braca et al., 2024; SNPA, 2024).

La disponibilità tramite il BIGBANG di lunghe serie temporali mensili (o pluri-mensili) di grandezze idrologiche offre, inoltre, la possibilità di effettuare valutazioni e analisi ulteriori a scala nazionale o sub-nazionale (e.g., distretti idrografici, compartimenti SII, bacini, punti stazione), incluse le statistiche sui trend delle quantità idrologiche, quali ad esempio l'Indice di Runoff (ossia il rapporto tra il volume annuo del ruscellamento superficiale e il volume annuo di precipitazione), l'Internal flow, entrambi adottati anche per valutare l'impatto dei cambiamenti climatici sul ciclo idrologico (SNPA, 2021), il Bilancio Idro-Climatico, l'AI-Indice di Aridità della FAO-UNEP (che permette di evidenziare anche le aree non a rischio di desertificazione, ossia quelle con AI > 0,75), e gli indicatori di siccità, quale ad esempio lo SPI–Standardized Precipitation Index a 3 mesi, lo SPI a 12 mesi, lo SPEI–Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index a 3 mesi o lo SPEI a 12 mesi. 

Le valutazioni del BIGBANG sono peraltro utilizzati per il popolamento di indicatori a carattere nazionale, previsti anche da organismi sovranazionali, aventi come oggetto le risorse idriche. Tra le attività da ricordare, svolte anche in collaborazione con altre istituzioni, enti e società, ci sono:

• il popolamento della banca dati europea WISE – Water quantity (dati Renewable Freshwater Resources) per il reporting WISE-SoE dell'EEA previsto dal Regolamento n. 401/2009/CE (EIONET Data Flow);
• il popolamento della banca dati OECD/Eurostat (Table 1) ai fini del OECD/Eurostat Joint Questionnaire on Inland Waters in collaborazione con l’Istat;
• il popolamento della banca dati degli indicatori di impatto dei cambiamenti climatici, per il settore di impatto “Risorse idriche” della Piattaforma Nazionale sull’Adattamento ai Cambiamenti Climatici promossa dal Ministero dell'Ambiente e della Sicurezza Energetica (MASE);
• l’azione pilota in collaborazione con la FAO per la valutazione a scala nazionale e di distretto idrografico dell’indicatore SDG 6.4.2 Level of Water Stress: freshwater withdrawal as a proportion of available freshwater resources e il confronto con le stime effettuate per l’Italia con la modellistica a scala globale (FAO, ISPRA & Istat, 2023);
• la stima della risorsa idrica e le sue proiezioni future, sulla base degli scenari di cambiamenti climatici, per valutazioni dell'uso della risorsa per la producibilità idroelettrica, oggetto dell'accordo di collaborazione con la società Ricerca sul Sistema Energetico – RSE S.p.A;
• la valutazione del Bilancio idrologico e idrico annuale di riferimento nazionale in collaborazione con l’Istat;
• la valutazione a scala nazionale e distrettuale, insieme all'Istat, dell’indicatore di pressione sulla risorsa idrica e di scarsità idrica Water Exploitation Index Plus – WEI+ (Faergemann, 2012; Mariani et al., 2018), anche in ottemperanza a quanto richiesto dal Reporting della Direttiva Quadro Acque 2000/60/CE, nell'ambito dell'apposito gruppo di lavoro, coordinato da ISPRA, del Comitato Tecnico di coordinamento degli Osservatori distrettuali permanenti per gli utilizzi idrici, e a supporto dell'iniziativa dell’European Environment Agency volta ad aggiornare le condizioni di scarsità idrica in Europa;
• la valutazione degli indicatori di pericolo di siccità in Italia nel reporting nazionale 2022 per l’attuazione della Convenzione delle Nazioni Unite per la lotta alla desertificazione – UNCCD;
• Report tematici e ambientali (e.g., Banca dati indicatori ambientalidi ISPRA-Tematica "Risorse idriche e Bilancio", Consumo di suolo, Servizi ecosistemici).

Il modello BIGBANG può essere anche adottato per valutare le variazioni della risorsa idrica naturale (internal flow) in Italia, o in determinati bacini, in simulazioni di scenari di consumo/ripristino di suolo (Comitato Capitale Naturale, 2021) o sotto i vari scenari di cambiamento climatico definiti dall'IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change (Braca et al., 2021, 2019, 2018; Mariani et al., 2018; Braca, 2017b). Una approfondimento di quest'ultima tematica è disponibile qui.

I risultati del modello BIGBANG sono stati presentati in diverse occasioni, sia in ambito di ricerca che di servizio. Tra queste ultime, si segnala in particolare l'intervento "Lo stato delle acque. Il bilancio idrologico e idrico nazionale 2017" tenutosi in occasione della conferenza "Acque d'Italia – Conferenza nazionale sulle acque", organizzata dalla Struttura di missione contro il dissesto Idrogeologico e per lo sviluppo delle infrastrutture idriche della Presidenza del Consiglio dei Ministri il 22 marzo 2017 nell'Aula dei Gruppi Parlamentari della Camera dei Deputati in Roma, e l'intervento "Il bilancio idrologico nazionale e il monitoraggio delle portate" tenutosi in occasione della "Giornata informativa sulla gestione della risorsa distrettuale" organizzata presso il Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare nell'ambito del Progetto CReIAMO PA (PON Governance e Capacità Istituzionale 2014–2020), in collaborazione con l'Autorità di Bacino Distrettuale dell'Appennino Centrale. 

Le stime del modello BIGBANG sono state, inoltre, utilizzate per l'analisi della siccità in Italia nel 2017, così come riportato nella pubblicazione UTILITALIA "Note tecniche su crisi idriche, siccità e servizio idrico integrato", presentata durante il "Festival dell'Acqua di Venezia", 10–11 ottobre 2019, durante la sessione "Gestione delle emergenze nel servizio idrico", e anche in occasione del Rapporto ISPRA "Analisi e valutazione dello stato ambientale del Lago di Bracciano riferito all’estate 2017", redatto su richiesta del MATTM per una attività conoscitiva volta a valutare eventuali effetti della siccità sullo stato ambientale del Lago di Bracciano. 

Inoltre, il BIGBANG è stato oggetto del Workshop "Il Bilancio idrologico nazionale. Valutazione delle sue componenti mediante il modello BIGBANG", organizzato da ISPRA e tenutosi in streaming il 18 marzo 2021, durante il quale è stata presentata l’attuale formulazione del modello e le stime fornite per le variabili idrologiche a scala mensile nel periodo compreso tra il 1951 e il 2019. L'evento è stato anche occasione per inquadrare la problematica della valutazione del bilancio idrologico nel contesto nazionale, europeo e internazionale, nonché in quello storico a cinquant’anni dalla I Conferenza Nazionale delle Acque, tenutasi dal dicembre 1968 al luglio 1971. Nell’ambito del Workshop è stato anche presentato il Rapporto ISPRA sul bilancio idrologico (Braca et al., 2021) nel quale sono descritte le metodologie applicate alla valutazione delle componenti del bilancio e presentate le statistiche nazionali relative al periodo 1951–2019.

A partire dal suo iniziale sviluppo, il modello BIGBANG è stato oggetto di una continua attività di aggiornamento e miglioramento dei codici utilizzati, oltre che di ampliamento della base dati e delle carte tematiche utilizzati nelle valutazioni del bilancio idrologico. Tale attività continuerà anche nei prossimi anni in quanto è prevista una specifica linea di azione, denominata "Progetto Bilancio Idrologico Nazionale", nel Piano Operativo Ambiente FSC 2014‐2020 promosso dal MASE.

Da ultimo, si segnala l'impiego delle stime e degli indicatori sul bilancio idrologico, sulla disponibilità di risorsa idrica naturale, sulla siccità e sullo stress idrico, ottenuti mediante il modello nazionale BIGBANG, nel documento "Stato del clima e delle risorse idriche passato, attuale e futuro in Italia, dalla scala nazionale alla scala di Distretto idrografico" redatto dall'ISPRA (coord.), dagli Enti Meteo nazionali (DPR 15 ottobre 2020, n. 186) e dall'Agenzia Italia Meteo a supporto della Struttura del Commissario Straordinario nazionale per l'adozione di interventi urgenti connessi al fenomeno della scarsità idrica (L. 68/2023).

Figura 5. Bilancio idrologico nazionale su scala annuale per il periodo 1951–2023, con indicazione della LTAA per le quattro componenti del bilancio. Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0. 

Figura 6. come in Figura 5, ma per l'ultimo decennio 2014–2023. Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0.

Figura 7. Bilancio idrologico nazionale su scala mensile per il periodo 1951–2023. Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0.

Figura 8. come in Figura 7, ma per l'ultimo decennio 2014–2023. Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0.

Figura 9. Bilancio idrologico mensile medio su scala nazionale, relativo al periodo 1951–2023. Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0.

Figura 10. Precipitazione annua media sul lungo periodo (pannello di sinistra) vs. precipitaione totale annua nel 2022 (pannello centrale) e precipitazione totale annua nel 2023 (pannello di destra). Fonte: ISPRA, su dati ufficiali dei servizi idrologici regionali e delle provincie autonome e del soppresso SIMN-Servizio idrografico e Mareografico Nazionale.

Figura 11. Serie della precipitazione totale annua per l'Italia (barre blu), con precipitazione totale media sul lungo periodo (LTAA; linea celeste continua) e trend (linea rossa tratteggiata). Fonte: ISPRA, su dati ufficiali dei servizi idrologici regionali e delle provincie autonome e del soppresso SIMN-Servizio idrografico e Mareografico Nazionale.

Figura 12. Precipitazioni mensili medie per l'Italia sul lungo periodo. Fonte: ISPRA, su dati ufficiali dei servizi idrologici regionali e delle provincie autonome e del soppresso SIMN-Servizio idrografico e Mareografico Nazionale.

Figura 13. Precipitazione annua media sul lungo periodo a scala regionale. Fonte: ISPRA, su dati ufficiali dei servizi idrologici regionali e delle provincie autonome e del soppresso SIMN-Servizio idrografico e Mareografico Nazionale.

Figura 14. Disponibilità di risorsa idrica naturale rinnovabile (internal flow) annua media sul lungo periodo (pannello di sinistra) vs. internal flow nel 2022 (pannello centrale) e internal flow nel 2023 (pannello di destra). Fonte: ISPRA, stime BIGBANG 8.0.

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DOWNLOAD DEI DATI DEL BILANCIO IDROLOGICO PER IL PERIODO 1951–2023 CON BIGBANG 8.0*

DOWNLOAD DEI DATI DEL BILANCIO IDROLOGICO PER IL PERIODO 1951–2022 CON BIGBANG 7.0*