Lo scopo della presente ricerca è la definizione di una nuova metodologia per la valutazione degli apporti di sedimento all’interno di un bacino alpino. Si è scelto come area campione il bacino della Val Febbraro (Sondrio), scelta in base alla presenza di differenti processi a differente scala (erosione incanalata, frane in terra, in roccia, processi di erosione del suolo, conoide allo sbocco della valle, deformazione gravitativa profonda di versante - DGPV). In epoca recente il bacino è stato interessato da differenti processi d’instabilità; infine nel bacino si trovano differenti elementi a rischio (abitati, invaso artificiale). L’obbiettivo principale è stato quello di analizzare, in termini probabilistici, la distribuzione delle aree sorgenti efficaci della produzione di sedimento. Con il termine d’aree sorgenti efficaci si è voluto indicare quelle aree ove, oltre alla presenza dei processi responsabili della produzione del sedimento, si verificano le condizioni per il trasporto dello stesso. Alla scala di bacino la produzione di sedimento ha un elevato impatto economico per differenti motivi: 1) perdita di suolo da destinare a pascolo od a coltivazioni; 2) generazione di condizioni di pericolosità per sbarramento di corsi d’acqua che portano alla generazione delle condizioni necessarie all’innesco di debris flow, oltre che alla formazione di condizioni di pericolosità collegate ai differenti processi; 3) interrimento degli invasi naturali. La ricerca si è articolata in più fasi. La prima è stata la caratterizzazione del bacino attraverso: l’analisi del reticolo idrografico, l’analisi dei lineamenti strutturali, la redazione di cartografie tematiche (geologico-geomorfologiche, dei processi di versante, delle coperture vegetali/uso del suolo), ed attraverso l’esecuzione di prove in situ e di laboratorio per ottenere la caratterizzazione geotecnica dei materiali incoerenti e degli ammassi rocciosi. Il bacino è stato poi analizzato utilizzando tecniche di geomorfologia quantitativa a partire dal modello digitale del terreno (DEM), integrando la modellazione topografica in ambiente SIT (Sistemi Informativi Territoriali) con l’analisi statistica descrittiva, eseguita esternamente ai SIT. Dalle osservazioni di terreno è stato possibile individuare differenti processi responsabili della produzione di sedimento: frane (in terra ed in roccia) ed erosione del suolo, oltre che processi di erosione incanalata (principale agente di trasporto del sedimento). I singoli processi sono stati analizzati, prima separatamente, con differenti metodologie per poi essere inseriti nell’analisi finale. I processi di erosione incanalata sono stati studiati attraverso l’analisi idrologica basata sul DEM, nella quale sono stati valutati e confrontati differenti algoritmi per il calcolo della carta degli accumuli di flusso che permette di definire il reticolo idrografico. Il confronto ha così evidenziato come i risultati migliori nella definizione del reticolo idrografico e per i processi di deflusso superficiale sono ottenuti a attraverso l’utilizzo di un algoritmo combinato (MDD8), che combina due differenti algoritmi, uno a flusso singolo (D8) ed uno a flusso multiplo (MD). A partire dalla carta degli accumuli e dalla carta delle pendenze (derivata dal DEM) sono state derivate le carte di differenti indici topografici, che descrivono le caratteristiche del deflusso superficiale: Indice di Umidità Topografica, Indice di Energia dei Canali ed Indice di Erosione. Le frane in terra (110 flussi di terra attivi), sono state investigate attraverso tecniche statistiche univariate e multivariate, utilizzando un totale di 24 fattori predisponenti. Il primo passo è stato la ricerca dei fattori più importanti, confrontando gli indici statistici e con l’uso di test statistici (approccio univariato) mentre è stata utilizzata la tecnica dell’Analisi delle Componenti Principali (PCA) come tecnica multivariata. L’analisi univariata non ha fornito risultati univoci. Al contrario la PCA ha permesso di definire come le frane sono legate principalmente all’idrologia, mentre l’importanza della topografia può essere considerata come secondaria. Si vuole però sottolineare, come nei parametri idrologici sono inclusi i parametri topografici secondari, che in ogni caso nella loro definizione considerano già la pendenza del versante, considerando , anche se per via indiretta, l’influenza della topografia. Per definire la carta di suscettibilità due sono i metodi utilizzati: indice di suscettibilità di frana e regressione logistica multivariata. Tutti e due gli approcci individuano una distribuzione marcatamente asimmetrica alla scala del bacino delle condizioni di instabilità, con il versante sinistro maggiormente propenso all’instabilità. Il confronto tra le due carte evidenzia come la carta derivata dall’indice di suscettibilità di frana predice una maggiore diffusione delle condizioni di instabilità rispetto a quella definita partire dalla regressione logistica, che è stata ritenuta maggiormente discriminante e quindi utilizzata nella definizione delle carte di produzione del sedimento. Due classi di frane in roccia sono state individuate nel bacino, una prima caratterizzata da blocchi di dimensioni fino a decametriche ed una seconda in cui i blocchi sono di dimensioni più contenute. In relazione all’obbiettivo della presente ricerca, i blocchi prodotti dalla prima categoria di frane difficilmente possono essere prese in carico dal reticolo idrografico, conseguentemente non sono state inserite nelle analisi di dettaglio. La seconda categoria è trattata nell’ambito dell’analisi delle proprietà degli ammassi rocciosi. Due sono gli approcci seguiti per cercare di valutare la distribuzione areale delle proprietà degli ammassi, il primo è basato sulla ricerca di un modello probabilistico che leghi l’intensità di fratturazione alla distanza dai lineamenti strutturali. Viceversa il secondo è basato sull’utilizzo della geostatistica. Con l’approccio probabilistico non sono state individuate relazioni tra variazioni del grado di fratturazione e la distanza dai lineamenti, suggerendo come le condizioni di fratturazione sono da considerarsi legate a situazioni strettamente locali. Nell’utilizzo della geostatistica l’analisi del semi-variogramma sperimentale ha evidenziato la mancanza di auto-correlazione spaziale, imponendo l’utilizzo di un altro interpolatore, nel caso in esame è stato utilizzato l’IDW (Inverse Distance Weigthing). Le carte interpolate riguardano i valori di intercetta (intensità di fratturazione), il Rock Mass Rating ed i valori delle proprietà di resistenza e deformabilità. Le carte evidenziano la presenza di un’area a basse proprietà in corrispondenza del piede del versante sinistro. Il confronto tra le carte così ottenute e le tracce dei lineamenti e con le principali famiglie di fratture ha evidenziato l’influenza delle strutture orientate NE - SW e NE - SW sulle condizioni degli ammassi rocciosi. Viceversa non sono state individuate chiare relazioni tra la deformazione gravitativi profonda di versante e le carte interpolate. La sostanziale uniformità litologica del bacino e le relazioni individuate con la carta della densità lineamentare hanno suggerito di utilizzare questa carta per valutare le condizioni degli ammassi e le aree ove potenzialmente si possono trovare le frane in roccia. L’ultima categoria di processi responsabili della produzione del sedimento sono i processi legati all’erosione del suolo, investigati applicando e confrontando tre differenti formulazioni di un modello di erosione di tipo empirico (USLE – Universal Soil Loss Equation, RUSLE - Revised Universal Soil Loss Equation, e MUSLE - Modified Universal Soil Loss Equation) che differiscono tra loro per la definizione della componente legata alla topografia (fattore topografico). L’obbiettivo principale di questa parte della ricerca è la definizione di una carta di erosione potenziale che permetta di individuare le aree a maggiore propensione all’erosione. Secondariamente sono stati investigati attraverso simulazioni statistiche (metodo Monte Carlo basato sulla definizione di una serie di valori random a partire dalla definizione di un’equazione matematica che descrive il fenomeno in esame): 1) influenza delle differenti formulazioni del fattore topografico; 2) sensitività ai fattori di ingresso. Inoltre la difficoltà di definire in modo accurato i valori relativi alla pioggia (fattore R), all’erodibilità del suolo (fattore K) e delle coperture del suolo (fattore C) ha suggerito l’uso integrato di simulazioni statistiche (metodo Monte Carlo) con i SIT (definizione della componente legata alla topografia). I principali risultati di questa parte sono: 1) la maggiore influenza sui valori di suolo prodotti è legata ai fattori della pioggia e della topografia, mentre viceversa la variabilità (assumendo di considerare i fattori topografici come variabili deterministiche) è legata ai fattori K e C. Situazione strettamente legata alle assunzioni delle funzioni di distribuzione di probabilità fatte nella presente ricerca. Infine per la definizione della carta di erosione potenziale, tra i tre modelli valutati i risultati migliori sono stati ottenuti con il modello MUSLE. Per l’obbiettivo finale, cioè la definizione della carta di produzione del sedimento efficace, sono state considerate le seguenti carte: carta di suscettibilità (regressione logistica multivariata - frane in terra), carta di densità lineamentare (frane in roccia) e carta di erosione potenziale (modello MUSLE - erosione del suolo). A partire da queste tre carte, attraverso la regressione logistica, è stata ottenuta la carta di produzione del sedimento. Per la carta che descriva la probabilità che il sedimento prodotto ossa essere trasportato sono stati utilizzati tre livelli informativi: carta degli accumuli di flusso, Indice di Energia dei canali ed Indice di Erosione. Questi tre livelli sono stati inseriti in una regressione logistica, ottenendo la carta di probabilità di trasporto del sedimento. Dalla sovrapposizione delle due carte è stata così ottenuta la carta di produzione di sedimento efficace. La carta ottenuta evidenzia una distribuzione asimmetrica delle aree a massima probabilità che sono principalmente localizzate sul versante sinistro. Il confronto con la realtà di terreno ha permesso di valutare in modo differente le differenti fasce; in questo modo le aree a maggiore probabilità di produzione si localizzano nell’area di Stabisotto, lungo la Valle Giani. Rispetto alle differenti instabilità sono le frane in roccia ed i processi di erosione le maggiori fonti di sedimento efficace.

Fenomeni di erosione di versante in ambiente alpino : sperimentazione, monitoraggio e modellazione nel bacino pilota della Valchiavenna / M. Rossi ; T. Apuani, F. Felletti. - : . DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA "ARDITO DESIO", 2009 Feb 03. ((21. ciclo, Anno Accademico 2007/2008.

Fenomeni di erosione di versante in ambiente alpino : sperimentazione, monitoraggio e modellazione nel bacino pilota della Valchiavenna

M. Rossi
2009

Abstract

Lo scopo della presente ricerca è la definizione di una nuova metodologia per la valutazione degli apporti di sedimento all’interno di un bacino alpino. Si è scelto come area campione il bacino della Val Febbraro (Sondrio), scelta in base alla presenza di differenti processi a differente scala (erosione incanalata, frane in terra, in roccia, processi di erosione del suolo, conoide allo sbocco della valle, deformazione gravitativa profonda di versante - DGPV). In epoca recente il bacino è stato interessato da differenti processi d’instabilità; infine nel bacino si trovano differenti elementi a rischio (abitati, invaso artificiale). L’obbiettivo principale è stato quello di analizzare, in termini probabilistici, la distribuzione delle aree sorgenti efficaci della produzione di sedimento. Con il termine d’aree sorgenti efficaci si è voluto indicare quelle aree ove, oltre alla presenza dei processi responsabili della produzione del sedimento, si verificano le condizioni per il trasporto dello stesso. Alla scala di bacino la produzione di sedimento ha un elevato impatto economico per differenti motivi: 1) perdita di suolo da destinare a pascolo od a coltivazioni; 2) generazione di condizioni di pericolosità per sbarramento di corsi d’acqua che portano alla generazione delle condizioni necessarie all’innesco di debris flow, oltre che alla formazione di condizioni di pericolosità collegate ai differenti processi; 3) interrimento degli invasi naturali. La ricerca si è articolata in più fasi. La prima è stata la caratterizzazione del bacino attraverso: l’analisi del reticolo idrografico, l’analisi dei lineamenti strutturali, la redazione di cartografie tematiche (geologico-geomorfologiche, dei processi di versante, delle coperture vegetali/uso del suolo), ed attraverso l’esecuzione di prove in situ e di laboratorio per ottenere la caratterizzazione geotecnica dei materiali incoerenti e degli ammassi rocciosi. Il bacino è stato poi analizzato utilizzando tecniche di geomorfologia quantitativa a partire dal modello digitale del terreno (DEM), integrando la modellazione topografica in ambiente SIT (Sistemi Informativi Territoriali) con l’analisi statistica descrittiva, eseguita esternamente ai SIT. Dalle osservazioni di terreno è stato possibile individuare differenti processi responsabili della produzione di sedimento: frane (in terra ed in roccia) ed erosione del suolo, oltre che processi di erosione incanalata (principale agente di trasporto del sedimento). I singoli processi sono stati analizzati, prima separatamente, con differenti metodologie per poi essere inseriti nell’analisi finale. I processi di erosione incanalata sono stati studiati attraverso l’analisi idrologica basata sul DEM, nella quale sono stati valutati e confrontati differenti algoritmi per il calcolo della carta degli accumuli di flusso che permette di definire il reticolo idrografico. Il confronto ha così evidenziato come i risultati migliori nella definizione del reticolo idrografico e per i processi di deflusso superficiale sono ottenuti a attraverso l’utilizzo di un algoritmo combinato (MDD8), che combina due differenti algoritmi, uno a flusso singolo (D8) ed uno a flusso multiplo (MD). A partire dalla carta degli accumuli e dalla carta delle pendenze (derivata dal DEM) sono state derivate le carte di differenti indici topografici, che descrivono le caratteristiche del deflusso superficiale: Indice di Umidità Topografica, Indice di Energia dei Canali ed Indice di Erosione. Le frane in terra (110 flussi di terra attivi), sono state investigate attraverso tecniche statistiche univariate e multivariate, utilizzando un totale di 24 fattori predisponenti. Il primo passo è stato la ricerca dei fattori più importanti, confrontando gli indici statistici e con l’uso di test statistici (approccio univariato) mentre è stata utilizzata la tecnica dell’Analisi delle Componenti Principali (PCA) come tecnica multivariata. L’analisi univariata non ha fornito risultati univoci. Al contrario la PCA ha permesso di definire come le frane sono legate principalmente all’idrologia, mentre l’importanza della topografia può essere considerata come secondaria. Si vuole però sottolineare, come nei parametri idrologici sono inclusi i parametri topografici secondari, che in ogni caso nella loro definizione considerano già la pendenza del versante, considerando , anche se per via indiretta, l’influenza della topografia. Per definire la carta di suscettibilità due sono i metodi utilizzati: indice di suscettibilità di frana e regressione logistica multivariata. Tutti e due gli approcci individuano una distribuzione marcatamente asimmetrica alla scala del bacino delle condizioni di instabilità, con il versante sinistro maggiormente propenso all’instabilità. Il confronto tra le due carte evidenzia come la carta derivata dall’indice di suscettibilità di frana predice una maggiore diffusione delle condizioni di instabilità rispetto a quella definita partire dalla regressione logistica, che è stata ritenuta maggiormente discriminante e quindi utilizzata nella definizione delle carte di produzione del sedimento. Due classi di frane in roccia sono state individuate nel bacino, una prima caratterizzata da blocchi di dimensioni fino a decametriche ed una seconda in cui i blocchi sono di dimensioni più contenute. In relazione all’obbiettivo della presente ricerca, i blocchi prodotti dalla prima categoria di frane difficilmente possono essere prese in carico dal reticolo idrografico, conseguentemente non sono state inserite nelle analisi di dettaglio. La seconda categoria è trattata nell’ambito dell’analisi delle proprietà degli ammassi rocciosi. Due sono gli approcci seguiti per cercare di valutare la distribuzione areale delle proprietà degli ammassi, il primo è basato sulla ricerca di un modello probabilistico che leghi l’intensità di fratturazione alla distanza dai lineamenti strutturali. Viceversa il secondo è basato sull’utilizzo della geostatistica. Con l’approccio probabilistico non sono state individuate relazioni tra variazioni del grado di fratturazione e la distanza dai lineamenti, suggerendo come le condizioni di fratturazione sono da considerarsi legate a situazioni strettamente locali. Nell’utilizzo della geostatistica l’analisi del semi-variogramma sperimentale ha evidenziato la mancanza di auto-correlazione spaziale, imponendo l’utilizzo di un altro interpolatore, nel caso in esame è stato utilizzato l’IDW (Inverse Distance Weigthing). Le carte interpolate riguardano i valori di intercetta (intensità di fratturazione), il Rock Mass Rating ed i valori delle proprietà di resistenza e deformabilità. Le carte evidenziano la presenza di un’area a basse proprietà in corrispondenza del piede del versante sinistro. Il confronto tra le carte così ottenute e le tracce dei lineamenti e con le principali famiglie di fratture ha evidenziato l’influenza delle strutture orientate NE - SW e NE - SW sulle condizioni degli ammassi rocciosi. Viceversa non sono state individuate chiare relazioni tra la deformazione gravitativi profonda di versante e le carte interpolate. La sostanziale uniformità litologica del bacino e le relazioni individuate con la carta della densità lineamentare hanno suggerito di utilizzare questa carta per valutare le condizioni degli ammassi e le aree ove potenzialmente si possono trovare le frane in roccia. L’ultima categoria di processi responsabili della produzione del sedimento sono i processi legati all’erosione del suolo, investigati applicando e confrontando tre differenti formulazioni di un modello di erosione di tipo empirico (USLE – Universal Soil Loss Equation, RUSLE - Revised Universal Soil Loss Equation, e MUSLE - Modified Universal Soil Loss Equation) che differiscono tra loro per la definizione della componente legata alla topografia (fattore topografico). L’obbiettivo principale di questa parte della ricerca è la definizione di una carta di erosione potenziale che permetta di individuare le aree a maggiore propensione all’erosione. Secondariamente sono stati investigati attraverso simulazioni statistiche (metodo Monte Carlo basato sulla definizione di una serie di valori random a partire dalla definizione di un’equazione matematica che descrive il fenomeno in esame): 1) influenza delle differenti formulazioni del fattore topografico; 2) sensitività ai fattori di ingresso. Inoltre la difficoltà di definire in modo accurato i valori relativi alla pioggia (fattore R), all’erodibilità del suolo (fattore K) e delle coperture del suolo (fattore C) ha suggerito l’uso integrato di simulazioni statistiche (metodo Monte Carlo) con i SIT (definizione della componente legata alla topografia). I principali risultati di questa parte sono: 1) la maggiore influenza sui valori di suolo prodotti è legata ai fattori della pioggia e della topografia, mentre viceversa la variabilità (assumendo di considerare i fattori topografici come variabili deterministiche) è legata ai fattori K e C. Situazione strettamente legata alle assunzioni delle funzioni di distribuzione di probabilità fatte nella presente ricerca. Infine per la definizione della carta di erosione potenziale, tra i tre modelli valutati i risultati migliori sono stati ottenuti con il modello MUSLE. Per l’obbiettivo finale, cioè la definizione della carta di produzione del sedimento efficace, sono state considerate le seguenti carte: carta di suscettibilità (regressione logistica multivariata - frane in terra), carta di densità lineamentare (frane in roccia) e carta di erosione potenziale (modello MUSLE - erosione del suolo). A partire da queste tre carte, attraverso la regressione logistica, è stata ottenuta la carta di produzione del sedimento. Per la carta che descriva la probabilità che il sedimento prodotto ossa essere trasportato sono stati utilizzati tre livelli informativi: carta degli accumuli di flusso, Indice di Energia dei canali ed Indice di Erosione. Questi tre livelli sono stati inseriti in una regressione logistica, ottenendo la carta di probabilità di trasporto del sedimento. Dalla sovrapposizione delle due carte è stata così ottenuta la carta di produzione di sedimento efficace. La carta ottenuta evidenzia una distribuzione asimmetrica delle aree a massima probabilità che sono principalmente localizzate sul versante sinistro. Il confronto con la realtà di terreno ha permesso di valutare in modo differente le differenti fasce; in questo modo le aree a maggiore probabilità di produzione si localizzano nell’area di Stabisotto, lungo la Valle Giani. Rispetto alle differenti instabilità sono le frane in roccia ed i processi di erosione le maggiori fonti di sedimento efficace.
APUANI, TIZIANA
FELLETTI, FABRIZIO
Settore GEO/05 - Geologia Applicata
Settore GEO/02 - Geologia Stratigrafica e Sedimentologica
Fenomeni di erosione di versante in ambiente alpino : sperimentazione, monitoraggio e modellazione nel bacino pilota della Valchiavenna / M. Rossi ; T. Apuani, F. Felletti. - : . DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA "ARDITO DESIO", 2009 Feb 03. ((21. ciclo, Anno Accademico 2007/2008.
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