Realizzazione di un modello zero-dimensionale dell'ossigeno disciolto nei canali di Padova

Padua has always had a strong connection with the waters that flow through it, which belong to the hydrological basin of the Brenta and Bacchiglione rivers. The biodiversity of its canals, considered true green-blue corridors, is closely linked to the ancient city walls, which give the city significant historical and artistic value, thus also contributing to the cultural identity of the place. However, the canal system is threatened by intense human pressures and the growing effects of climate change. In this context, the development of mathematical models is a fundamental tool to better understand river ecosystems and plan possible future interventions. This thesis aims to create a zero-dimensional (0D) model of dissolved oxygen in the Tronco Maestro and Piovego canals, using an annual dataset. The two systems, treated independently, represent the inlet and outlet sections, chosen to assess the impact of the city's sewage discharges on water quality. To do this, dissolved oxygen (DO) was set as the sole state variable of the model, as it is a key indicator for evaluating the well-being of aquatic ecosystems. The model was developed by following the main stages of ecological modeling. After defining the problem, a conceptual diagram was created that describes the relevant processes and forcings for the DO balance, represented through an ordinary differential equation, solved using the MATLAB programming language. To improve the estimation of the parameters, initially derived from literature, calibration was performed using the Particle Swarm Optimization algorithm. Subsequently, the model’s performance was evaluated by calculating the root mean square error (RMSE) and the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE). Additionally, the dissolved oxygen deficit during rainfall events was determined and correlations with various variables were analyzed.

Padova ha da sempre un forte legame con le acque che la attraversano, appartenenti al bacino idrografico dei fiumi Brenta e Bacchiglione. La biodiversità dei suoi canali, considerati veri e propri corridoi verdi-blu, è strettamente connessa alle antiche mura cittadine, che conferiscono alla città un importante valore storico e artistico, contribuendo così anche all’identità culturale del luogo. Tuttavia, il sistema dei canali è minacciato da forti pressioni antropiche e dagli effetti crescenti del cambiamento climatico. In questo contesto, lo sviluppo di modelli matematici rappresenta uno strumento fondamentale per comprendere meglio gli ecosistemi fluviali e pianificare possibili interventi futuri. Questa tesi si propone di realizzare un modello zero-dimensionale (0D) dell’ossigeno disciolto nei canali Tronco Maestro e Piovego, utilizzando un dataset annuale. I due sistemi, trattati in modo indipendente, rappresentano rispettivamente il tratto in ingresso e quello in uscita, scelti per valutare l’impatto degli scarichi fognari della città sulla qualità dell’acqua. Per fare ciò, è stata impostata, come unica variabile di stato del modello, l’ossigeno disciolto (DO), indicatore chiave per la valutazione del benessere degli ecosistemi acquatici. Il modello è stato sviluppato seguendo le principali fasi della modellazione ecologica. Dopo aver definito il problema, è stato realizzato un diagramma concettuale che descrive i processi e le forzanti rilevanti per il bilancio del DO, rappresentato tramite un’equazione differenziale ordinaria, risolta mediante il linguaggio di programmazione MATLAB. Per migliorare la stima dei parametri, inizialmente ricavati dalla letteratura, è stata effettuata la calibrazione attraverso l’algoritmo Particle Swarm Optimization. Successivamente, le prestazioni del modello sono state valutate calcolando l’errore quadratico medio (RMSE) e l’indice di Nash-Sutcliffe (NSE). Inoltre, è stato determinato il deficit di ossigeno disciolto relativo agli eventi piovosi e analizzata la presenza di correlazioni con diverse variabili.