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ProgettoRIO è un innovativo sistema di monitoraggio sviluppato per sorvegliare i corsi d’acqua (fossi, canali, torrenti e fiumi) che mostra le variazioni nel tempo del flusso causate da eventi meteorologici e segnala potenziali rischi ambientali dovuti a esondazioni. Il lavoro sperimentale, iniziato il mese di ottobre 2020 e concluso il 31 dicembre 2021, si è focalizzato sul fiume Misa, corso d’acqua marchigiano a carattere torrentizio che sfocia nel mare Adriatico dell’Italia centrale. Si tratta di un caso di studio interessante perché Il fiume, caratterizzato da un regime molto variabile con frequenti eventi di piena, attraversa la città di Senigallia (AN) ed ha causato spesso alluvioni, alcune delle quali particolarmente disastrose come quella avvenuta nel maggio 2014.
Misurando con cadenza giornaliera alcuni parametri dell’area fluviale e monitorando gli eventi di pioggia, sono elaborati i dati per rappresentare le variazioni stagionali del fattore di allagamento del bacino, la dinamica delle acque, la frequenza e l’intensità delle precipitazioni. I sensori utilizzati in questo progetto sono speciali radiometri a microonde progettati e costruiti dall’azienda RadioAstroLab di Senigallia che finanzia lo studio in collaborazione con Fasar Elettronica.
Dato il carattere stagionale del fenomeno osservato, una sperimentazione con durata annuale si rivela indispensabile per verificare il corretto funzionamento della strumentazione e la ripetibilità delle misure, per caratterizzare le prestazioni del sistema di monitoraggio rispetto all’ambiente sorvegliato ottenendo dati utili per calibrare gli strumenti. I campionamenti sono stati effettuati dal ponte che attraversa il fiume, sulla strada comunale che collega la frazione Bettolelle di Senigallia con Brugnetto, posizionando gli strumenti portatili (alimentati a batteria) durante le ore centrali della giornata e rimuovendoli dopo le misurazioni. Una stazione di monitoraggio degli eventi di pioggia, posizionata nella periferia sud di Senigallia, acquisisce dati sull’intensità e sulla frequenza delle precipitazioni locali che alimentano il regime fluviale.
Come si vedrà, nonostante le limitazioni dovute ai lunghi intervalli di campionamento delle misure (valori medi di pochi campioni acquisiti ogni giorno, considerati rappresentativi dell’evoluzione giornaliera del fenomeno), i risultati della sperimentazione sono coerenti con le aspettative. L’obiettivo finale prevede, quindi, l’installazione di una stazione automatica che registra continuamente l’evoluzione dei parametri fluviali per fornire una rappresentazione ad elevata risoluzione temporale, molto precisa ed in tempo reale, dello scenario osservato.

Zona di monitoraggio del fiume Misa scelta per la prima fase sperimentale del ProgettoRIO.

La seguente figura illustra lo schema di sorveglianza: sono previste misurazioni giornaliere su tre regioni (A, B e C) osservate dal ponte che attraversa la sezione del bacino fluviale, ciascuna ampia circa 60 metri quadrati (superficie corrispondente alla proiezione sul terreno del beam dell’antenna radiometrica). Le regioni osservate sono scelte in modo che le variazioni stagionali del loro contenuto di umidità e di acqua libera siano ben correlabili con la percentuale di allagamento del bacino e rappresentative dello stato del fiume, segnalando possibili eventi di magra, piena o rischio esondazione.
Si è utilizzata la seguente strumentazione:

• Radiometro RAL20B 11.2 GHz ad elevata stabilità (orientato verso il terreno con un angolo di 50 gradi rispetto all’orizzonte, con il flusso d’acqua che si muove verso lo strumento) che misura la temperatura dell’aria esterna e la riflettività superficiale associata a tre distinte regioni del bacino (A, B e C): il corso d’acqua, la riva del fiume e una zona vicina normalmente asciutta. Lo strumento misura anche la varianza radiometrica per ottenere informazioni sulla dinamica del flusso.

• Radiometro RALrain 11.2 GHz con antenna ad ampio campo di vista che osserva il cielo allo zenit per registrare le perturbazioni troposferiche e gli eventi di pioggia (stazione fissa posizionata alla periferia sud della città di Senigallia).

Geometria del sistema di monitoraggio utilizzato nel ProgettoRIO.

Il parametro che interessa monitorare nel tempo è l’estensione, in larghezza, della superficie allagata del bacino fluviale (fattore di allagamento), concetto fisicamente collegato con la stima della riflettività a microonde del suolo, fortemente dipendente dalla presenza di acqua legata (umidità) e libera. I dati sono stati calibrati per rappresentare le variazioni stagionali del fattore di allagamento su una scala da 0 a 100: il minimo corrisponde a un terreno asciutto e secco, il massimo a una superficie di acqua dolce libera (ambiente completamente allagato), scenari che occupano tutto il campo di vista dello strumento.

I seguenti grafici mostrano i risultati del monitoraggio.

Monitoraggio sperimentale del bacino fluviale Misa (località Bettolelle-Brugnetto) eseguito per il ProgettoRIO durante il periodo ottobre 2020 – dicembre 2021.

La prima curva (di colore blu) riporta le variazioni nel tempo dell’estensione della superficie di acqua libera e del contenuto di umidità associato alle tre regioni sorvegliate. Quando si verifica un evento di piena con rischio esondazione (come accaduto a novembre e a dicembre), tutte le regioni del bacino sono inondate: le tre curve convergono verso il limite superiore del grafico, corrispondente alla condizione di totale allagamento. Si registra, al contrario, un evento di siccità quando l’ambiente fluviale è asciutto e secco: le curve tendono verso il limite inferiore del grafico. Le misurazioni sono coerenti con l’andamento del livello idrometrico letto sull’asta fluviale presente sul pilone del ponte e gestita dal personale di sorveglianza regionale (curva di colore nero) e con la stima qualitativa delle precipitazioni locali (ultimo grafico).

La curva di colore viola visualizza la dinamica delle acque nella regione A (corso del fiume). L’ampiezza delle fluttuazioni nella risposta di un radiometro a microonde che osserva un flusso d’acqua corrente, tipico scenario non stazionario, dipende dal movimento del liquido (velocità e turbolenza), influenzato dalle caratteristiche del terreno e dalla conformazione del territorio (pendenza), dall’incremento di portata dovuto a piogge e dal vento che, generando piccole onde e increspature, aumenta la rugosità della superficie.

L’analisi dei dati acquisiti evidenzia l’evoluzione stagionale delle regioni umide/bagnate dell’ambiente fluviale: si distinguono i periodi caratterizzati da elevata presenza di acqua libera e di umidità nel terreno, tipici dei mesi invernali e primaverili, e il periodo di magra associato ai mesi estivi. Verso la fine dell’anno, con la ripresa delle intense piogge autunnali, si sono verificati due eventi di piena che, causando allerta di protezione civile, hanno preoccupato non poco le autorità amministrative e la popolazione di Senigallia.

Mappa (in falsi colori) che descrive come varia nel tempo la percentuale di inondazione del bacino fluviale nella sezione di misura (campionamento spaziale della larghezza di bacino effettuato dal ponte sulla strada comunale Bettolelle-Brugnetto) durante il periodo aprile-dicembre 2021. Sono ben visibili gli eventi di piena a fine anno del fiume Misa.

Le variazioni stagionali delle zone bagnate del bacino fluviale sono ben visualizzate dalla mappa a colori, compilata utilizzando i dati acquisiti con il radiometro ad elevata risoluzione spaziale RAL20C (proiezione del campo di vista sul terreno ampia circa 2 metri), campionando a distanze regolari l’intera larghezza del bacino (vista dal ponte) e combinando una serie di scansioni effettuate con cadenza da 2 a 7 giorni, secondo la variabilità meteorologica degli eventi. La rappresentazione visualizza l’estensione delle zone umide/bagnate con variazioni di colore: si passa dall’azzurro, indicativo di una regione asciutta, al rosso che segnala la presenza di acqua libera in superficie. L’asse orizzontale indica la larghezza della sezione di misura (ponte sulla strada comunale Brugnetto-Bettolelle), l’asse verticale il numero di giorni trascorsi dall’inizio dell’anno. Si notano il periodo estivo di magra e gli eventi di piena a fine anno.

I dati sono stati ulteriormente elaborati per rappresentare, nel seguente grafico, le variazioni stagionali della larghezza del fiume.

Conclusioni

Il Progetto RIO è un innovativo sistema di sorveglianza dell’ambiente fluviale che, sfruttando tecniche di remote sensing a microonde, visualizza l’evoluzione giornaliera della percentuale di allagamento e traccia la dinamica del flusso d’acqua. La prima sperimentazione ha sorvegliato il fiume Misa, in una località distante circa 7 km da Senigallia, effettuando misurazioni giornaliere da ottobre 2020 a dicembre 2021. Dato che il fiume attraversa la città sfociando nel mare Adriatico, questo lavoro è utile per segnalare possibili situazioni di pericolo per la popolazione e per l’ambiente.

Durante l’anno 2021 si sono verificati due importanti eventi di piena. Dato che il protocollo di misura prevede un campionamento dell’ambiente fluviale per pochi minuti ogni giorno (utilizzando strumenti portatili), non è stato possibile sorvegliare il fiume e seguire accuratamente l’evoluzione oraria degli eventi critici a causa delle limitazioni di accesso alla zona di misura imposte dalle autorità, durante l’emergenza, per questioni di sicurezza. La scarsa risoluzione temporale delle misurazioni impedisce la registrazione puntuale dei dati durante l’evolversi delle piene, penalizzando l’attività di previsione degli eventi di rischio. Per questi motivi è indispensabile l’installazione di una rete automatica di sensori strategicamente posizionati sul territorio e lo sviluppo di un sistema informatico adatto a gestire le informazioni provenienti dai vari dispositivi. Nonostante queste limitazioni, la prima fase sperimentale di applicazione delle tecniche di sorveglianza sviluppate con il ProgettoRIO ha confermato la validità del sistema di monitoraggio fluviale.

Prevediamo ampie possibilità di sviluppo e di espansione del progetto, sia nella parte strumentale, sia nell’elaborazione dei dati acquisiti e nella gestione della rete di sensori. Integrando informazioni meteorologiche a carattere regionale e sulle condizioni del mare vicino alla foce del fiume (moto ondoso, correnti, venti) con i dati acquisiti dai sensori del ProgettoRIO è possibile elaborare affidabili algoritmi di previsione, validi con sufficiente anticipo da consentire un’efficace e tempestiva organizzazione di protezione civile in caso di emergenza.

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ProgettoRIO is an innovative monitoring system for watercourses (ditches, canals, streams and rivers) that shows the flow’s variation, caused by meteorological events, over time and signals potential environmental risks due to floods. The experimental work, which began in October 2020 and ended on December 31, 2021, focused on the Misa River, a torrential watercourse in the Marche Region that flows into the Adriatic Sea in Central Italy. This is an interesting case study because the river, characterized by a very variable regime with frequent flood events, crosses the city of Senigallia (AN) and can cause floods, some of which are particularly distructive such as the one in May 2014.
By measuring some parameters of the river area on a daily basis and monitoring rain events, the data is processed to represent the seasonal variations in the flooding factor of the basin, the dynamics of the waters, the frequency and intensity of rainfall. The sensors used in this project are special radiometers designed and built by RadioAstroLab, a company based in Senigallia which financed the study in collaboration with FASAR Elettronica.
Given the seasonal nature of the phenomenon observed, an annual experimentation is essential to assess the correct functioning of the equipment and the repeatability of the measurements, steps that are crucial to characterize the performance of the monitoring system with respect to the monitored environment, obtaining useful data for the instruments’ calibration. The data was collected from the bridge that crosses the river on the municipal road that connects the city of Senigallia with Brugnetto. The battery powered instruments were positioned during the central hours of the day and removed right after mesurement. A radiowave rain gauge, located in the southern outskirts of Senigallia, acquires data on the intensity and frequency of local rainfall that fuels the river regime.
Despite the limits due to variations in the long sampling intervals of the measurements (on average only a few samples acquired every day considered representative of the evolution of the entire day), the results of the experimentation are consistent with the expectations. Therefore, the final objective consists in the installation of an automatic station that continuously records the evolution of river parameters to provide a very precise and real-time representation of the observed scenario with a high time resolution.

Monitoring area of the Misa river chosen for the first experimental phase of ProgettoRIO.

The following figure illustrates the surveillance pattern: daily measurements are planned on three locations (A, B and C) observed from a bridge that crosses the section of the river basin, each about 60 square meters wide (surface corresponding to the projection on the ground of the beam of the radiometric antenna). The observed locations have been chosen so that the seasonal variations in moisture and free water content are well correlated with the percentage of flooding of the basin and representative of the state of the river, signaling possible events of drought or flood.
The following instrumentation was used:

• High stability RAL20B 11.2 GHz radiometer (oriented towards the ground at an angle of 50 degrees with respect to the horizon, with the water flow moving towards the instrument) which measures the outdoor air temperature and the associated surface reflectivity of three distinct regions of the basin (A, B and C): the watercourse, the river bank and a nearby area that is normally dry. The tool also measures radiometric variance to obtain information on flow dynamics.

• RALrain 11.2 GHz radiometer with a wide field of view antenna that observes the sky at the zenith to record tropospheric perturbations and rainfall (fixed station located on the southern outskirts of the city of Senigallia).

Geometry of the monitoring system used in ProgettoRIO.

The parameter that needs to be monitored over time is the extension, in width, of the flooded surface of the river basin (flooding factor), a concept physically connected with the microwave reflectivity estimate of the soil, strongly dependent on the presence of bound water (humidity) and free water. The data has been calibrated to represent the seasonal variations of the flooding factor on a scale from 0 to 100: the minimum corresponds to a dry soil, the maximum to a surface of free fresh water (in a completely flooded environment). These scenarios occupy the entire field of view of the instrument.
The following graphs show the monitoring results.

Experimental monitoring of the Misa river basin (location: Bettolelle-Brugnetto) carried out for ProgettoRIO from October 2020 to December 2021.

The first curve (blue) shows the variations over time of the surface extension of free water and the moisture content associated with the three monitored regions. When a overflow event with risk of flooding occurs (as happened in November and December 2021), all the regions of the basin are flooded: the three curves converge towards the upper limit of the graph, corresponding to the condition of total flooding. On the contrary, a drought event occurs when the river environment is dry: the curves tend towards the lower limit of the graph. The measurements are consistent with the trend of the hydrometric level read on the river shaft present on the bridge’s pier, which is operated by the Regional surveillance staff (black curve), and with the qualitative estimate of local rainfall (last graph).

The purple color curve displays the dynamics of the waters in region A (river course). The amplitude of the fluctuations in the response of a microwave radiometer observing a flow of running water, a typical non-stationary scenario, depends on the movement of the liquid (speed and turbulence), influenced by the characteristics of the terrain, the territory’s conformation (slope), the increase in flow rate due to rain and the wind which, generating small waves and ripples, increases the roughness of the surface.

The analysis of the acquired data highlights the seasonal evolution of the humid / wet regions of the river environment: periods characterized by a high presence of free water and humidity in the soil, typically during winter and spring, and the summer drought periods. Due to the recurrence of heavy autumn rains towards the end of the year, two flood events occurred which triggered civil protection alerts and greatly worried the district authorities and the population of Senigallia.

Map (in false colors) describing how the percentage of flooding varies over time in the measurement section of the river basin (spatial sampling of the basin width carried out by the bridge on the Bettolelle-Brugnetto municipal road) during the period April-December 2021. The events of flooding of the river Misa at the end of the year are clearly visible.

The seasonal variations of the wet areas of the river basin are well displayed on the color map, completed using the data acquired with the high spatial resolution radiometer RAL20C (projection of the field of view on the ground about 2 meters wide), sampling the entire width of the basin at regular distances (seen from the bridge) and combining a series of scans carried out every 2 to 7 days, according to the meteorological variability of the events. The representation displays the extension of the humid / wet areas with color variations: it ranges from blue, indicative of a dry surface, to red which indicates the presence of free water on the surface. The horizontal axis indicates the width of the measurement section (bridge on the Brugnetto-Bettolelle municipal road), the vertical axis the number of days that have elapsed since the beginning of the year. The low summer period and the flood events at the end of the year can easily be observed.
The data has been further processed to represent seasonal variations in river width in the following graph.

Conclusions

ProgettoRIO is an innovative river environment surveillance system which, using remote microwave sensing techniques, displays the daily evolution of the percentage of flooding and monitors the dynamics of the water flow. The first experiment conducted on the Misa river, in a location about 7 km from Senigallia, involved daily measurements from October 2020 to December 2021. Given that the river crosses the city and flows into the Adriatic Sea, this work is useful for signaling possible danger alerts to the population.
Two major flood events occurred in the year 2021. Since the measurement protocol requires to monitor the river environment for a few minutes every day (using portable instruments), it was not possible to monitor the river and accurately follow the hourly evolution of critical events due to the restricted access to the area imposed by the authorities, for safety reasons, during such emergencies. The poor temporal resolution of the measurements prevents the real-time recording of data during the evolution of the floods, penalizing the forecasting of high-risk events. For these reasons it is essential to install an automatic network of strategically positioned sensors in the area and develop an IT system suitable for managing the information coming from the various devices. Despite these limitations, the first experimental phase of application of the surveillance techniques developed with ProgettoRIO confirmed the validity of the river monitoring system.
We foresee wide possibilities of development and expansion of the project as regards to the equipment, the elaboration of the acquired data and the management of the sensor network. By integrating regional meteorological information and sea conditions near the mouth of the river (waves, currents, winds) with the data acquired by the sensors of the ProgettoRIO, it is possible to develop reliable forecast algorithms with sufficient advance to allow effective and timely civil protection response in case of an emergency.