Sviluppo di un toolbox in ArcGIS Pro per la mappatura del rischio idrogeologico

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1 Sviluppo di un toolbox in ArcGIS Pro per la mappatura del rischio idrogeologico Antonio Annis. WARREDOC-Università per Stranieri di Perugia, Fernando Nardi. WARREDOC-Università per Stranieri di Perugia, ABSTRACT L attività di individuazione e prioritarizzazione delle opere ed interventi di mitigazione del rischio idrogeologico necessita di strumenti speditivi per la mappatura preliminare delle aree a potenziale rischio. Tali strumenti sono utili per pianificare le attività e ottimizzare gli investimenti ancor prima di finanziare studi avanzati idrologici-idraulici su specifiche aree di intervento. Questo lavoro presenta un toolbox sviluppato per ArcGIS Desktop e Pro progettato per effettuare analisi speditive del rischio idraulico su larga scala. Il toolbox include strumenti di: stima delle onde di piena su sezioni di chiusura definite dall utente, analisi delle potenziali criticità idrauliche delle opere di attraversamento di piccoli corsi d acqua, mappatura speditiva di aree suscettibili a inondazione, post-processamento dei risultati grezzi forniti da modelli idraulici per la mappatura delle aree soggette ad inondazione indiretta (e.g. collasso arginale) tramite l ausilio di modelli digitali del terreno ad alta risoluzione. Alcune componenti del toolbox sono già state adottate nell ambito del progetto di aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del reticolo secondario del fiume Tevere nella zona urbana di Roma, permettendo di ottimizzare, in termini tecnici ed economici, la pianificazione dei rilievi in situ e l individuazione delle aree potenzialmente interessate da rischio idraulico. PAROLE-CHIAVE Rischio idraulico; analisi larga scala; idrologia; PROGETTO 1. Introduzione Nel presente contributo viene presentato un toolbox di ArcGIS Desktop ed ArcGIS PRO che include una serie di strumenti utili alla modellazione e mappatura delle aree ed elementi a rischio idrogeologico. Lo strumento è particolarmente indicato per il supporto ad attività di programmazione, pianificazione, progettazione e mitigazione del rischio alluvionale in bacini idrografici non strumentati. I tool consentono di ottimizzare le informazioni desumibili dai modelli digitali del terreno che sono al giorno d oggi disponibili sull intero territorio nazionale ad elevata risoluzione ed accuratezza. Il toolbox è applicato ad un caso di studio di alcuni bacini del reticolo idrografico secondario dell ecosistema urbano romano ed i risultati sono schematicamente presentati per illustrare l inquadramento teorico-tecnico ed i risultati principali. 2. Componenti della toolbox In questa sezione vengono elencati e descritti i principali componenti del toolbox, focalizzando l attenzione sui dati richiesti da ciascuno, sulla loro principale finalità e su alcune limitazioni legate al loro utilizzo.

2 2.1 HYDROBASE HYDROBASE è un tool di preprocessamento idrologico che richiede come dato di input solamente un Modello Digitale del Terreno (DTM) in formato raster. Il tool restituisce in output l insieme di raster ausiliari ad effettuare analisi idrologiche su base geomorfologica, appoggiandosi in parte agli algoritmi già presenti nel pacchetto idrologico di ArcGIS. Nello specifico, il tool restituisce in output il : DTM a cui sono stati rimossi gli avvallamenti (o pit) tramite procedura di pit filling in modo da permettere la simulazione della propagazione dei deflussi superficiale; Flow direction: raster delle direzioni di deflusso superficiale sulla base della distribuzione delle pendenze ( Flow accumulation: raster che rappresenta il numero di celle che drenano su ciascuan cella del dominio di calcolo; Stream network: raster e vettoriale del reticolo idrologico e dei relativi ordini di drenaggio (Stralher, 1957), sulla base di un valore soglia di area contribuente definita dall utente, espressa in km 2. Flow length: raster delle distanze idrologiche lungo i percorsi definiti dalle direzioni di drenaggio. In caso di applicazione della metodologia in ambito urbano, ove gli assi delle aste idrografiche possono subire modifiche, se si ha a disposizione un reticolo idrografico digitalizzato, si suggerisce di precondizionare il DTM con il modulo di DEM recoditioning di ArcHYDRO che consente di effettuare un burning del DTM forzando le direzioni di drenaggio lungo il reticolo idrografico fornito in input. 2.2 Modello WFIUH Il WFIUH (Grimaldi et al., 2012) è un modello idrologico atto a determinare l onda di piena per piccoli bacini a risposta impulsiva sfruttando le caratteristiche geomorfologiche del bacino. Il nome WFIUH deriva dall utilizzo del concetto dell Idrogramma Istantaneo Unitario (IUH) che viene determinato su base geomorfologica attraverso la Width Funtion (WF, Mesa & Mifflin, 1986). Tale funzione restituisce, per ogni intervallo di tempo definito dall utente, la quota parte di bacino che contribuisce a una sezione di chiusura attraverso la determinazione cella a cella delle velocità di deflusso superficiale, le quali sono calcolate sulla base della morfologia del bacino, dell uso e della tipologia di suolo (NRCS, 1997). Il metodo di convoluzione implementato per la determinazione dell onda di piena (Fig. 1) adotta il WFIUH come funzione di risposta del bacino e la pioggia netta ricavata adottando il metodo SCS- CN. La pioggia lorda in input può essere assegnata sulla base di serie storiche a cui sono associate le posizioni dei pluviometri, oppure considerando le piogge sintetiche con il metodo VAPI (GNDCI, 1994). In particolare, il toolbox implementa una procedura automatica per la generazione delle piogge sintetiche a partire dalle Sottozone Climatiche Omogenee per l Italia centrale. Il tool si è rivelato molto efficace in termini di velocità di applicazione e di affidabilità dei risultati per piccoli bacini a risposta impulsiva, ma non è adatto per applicazioni su grandi bacini, soprattutto se caratterizzati da componenti di falda al deflusso di piena non trascurabili o da opere di regolazione della piena che ne modificano significativamente il picco in condizioni di flusso indisturbato.

3 Fig. 1 Schema di applicazione del modello WFIUH 2.3 Analisi preliminare di verifica idraulica di tombini su larga scala Il tool implementa una procedura per la verifica speditiva di tombini su larga scala. L utente assegna il posizionamento dei tombini e la geometria esistente (o di progetto). Fig. 2 Esempio di identificazione di criticità degli attraversamenti idraulici in piccoli bacini urbanizzati (modificata da Nardi et al., 2018)

4 Il tool, sulla base del modello idrologico precedentemente menzionato determina le portate di picco e verifica la geometria di ciascun tombino in esame applicando il metodo di Chezy, suggerendo anche una geometria alternativa in caso di verifica non soddisfatta (Fig. 2, Nardi et al., 2018) 2.4 Modello floodplain Il tool floodplain implementa un algoritmo documentato in letteratura scientifica (Nardi et al., 2006) per la delineazione speditiva di aree golenali a partire da DTM. Tale metodo applica le ben note leggi di geomeorfologia fluviale (Leopold & Maddock, 1953) in ambiente GIS sfruttando le relazioni tra le aree contribuenti e livelli di energia associati a eventi estremi di piena. Il modello permette una rapida mappatura delle aree che per loro geomorfologia sono suscettibili ad inondazione, permettendo quindi di mappare anche le zone non ancora interessate da approfonditi studi idrologici-idraulici (Fig. 3.a). Il modello, delineando delle aree golenali naturali, non deve essere considerato una diretta alternativa alla modellazione idraulica, in quanto la delineazione di aree golenali su base geomorfologica non considera la presenza di strutture antropiche (es. argini o traverse) che modificano le estensioni massime delle piene fluviali. Fig. 3 a) Esempio di delineazione delle aree golenali con il tool floodplain. b) Esempio di applicazione del tool di postptocessamento dei risultati di un modello idraulico bidimensionale conl ausilio di un DTM ad alta risoluzione. 2.4 Modello di post-processamento di risultati del modello idraulico bidimensionale I modelli di idraulica bidimensionale restituiscono in output la distribuzione dei livelli massimi di piena, che vengono utilizzati come dato di partenza per la mappature delle aree inondate/inondabili. Spesso la risoluzione dei modelli idraulici, soprattutto se applicati su larga scala, può essere grossolana ed è necessario un post-processamento, talvolta manuale per una delineazione più accurata dei limiti di

5 inondazione, sulla base della topografia del terreno, in modo da rimuovere i ben noti quadrati o triangoli che caratterizzano le maglie del dominio di calcolo dei modelli. Il tool di post processamento, a partire dai risultati di output di un modello idraulico bidimensionale (nel caso specifico il FLO-2D), permette, tramite l ausilio di un DTM ad alta risoluzione (es. Lidar), di raffinare la risoluzione dei tiranti idrici alla stessa risoluzione del DTM ad alta risoluzione attraverso l applicazione di un metodo geostatistico (Kriging) che individua le celle del DTM la cui elevazione è al di sotto della superficie idrica massima definita dal modello idraulico. 2.5 Estrazione di aree inondate a partire da immagini satellitari multispettrali La toolbox include un modulo che permette di estrarre le aree inondate a partire da immagini multispettrali Landsat 5, 7, 8 applicando diversi algoritmi presenti in letteratura finalizzati a tale scopo (Es. NDWI - McFeeters, 1996; AWEISH/ AWEINSH - Xu, 2006; MNDWI - Feisa et al., 2014; WI- Fisher et al., 2016). È da precisare che tale strumento presenta delle limitazioni in presenza di copertura nuvolosa che corrompe le bande sensibili alla presenza di acqua nella superfice terrestre. 3. Discussione Il toolbox sviluppato in ambiente ArcGIS è finalizzato ad effettuare analisi preliminari su larga o piccola scala nel campo del rischio idrogeologico. Tali strumenti, anche se caratterizzati da diverse limitazioni precedentemente menzionate, possono fornire un ausilio efficace per analisi speditive di rischio idraulico legate a piccoli bacini. Tali strumenti sono stati concepiti per essere utilizzati sia nelle fasi preliminari di studi idrologici-idraulici (es. determinazione delle onde di piena, delineazione di aree golenali) sia nelle fasi successive (es. post-processamento dei tiranti idrici forniti da modello idraulico). Tali strumenti sono stati adottati nell ambito dell aggiornamento del Piano di Assetto Idrogeologico del reticolo secondario del fiume Tevere nella zona urbana di Roma. In tale contesto, le analisi preliminari hanno permesso di identificare in maniera speditiva le criticità idrauliche di 13 piccoli corsi d acqua urbanizzati e in tal modo ottimizzare le campagne dei rilievi in situ per poter effettuare le successive analisi idrologiche e idrauliche più dettagliate. 4. Ambito del lavoro Il lavoro di sviluppo del toolbox è stato eseguito presso il centro di ricerca WARREDOC dell Università per Stranieri di Perugia, nell ambito di un progetto di ricerca in convenzione con la Regione Lazio, che ha finanziato lo studio. Bibliografia Feyisa, G., Meilby, H., Fensholt, R., & Proud, S. (2014). Automated Water ExtractionIndex: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery. Remote Sensing of Environment, 140, Fisher, A., Flood, N., & Danaher, T. (2016). Comparing Landsat water index methods for automated water classification in eastern Australia. Remote Sensing of Environment, 175, GNDCI. (1994). La valutazione delle piene in Italia. CNR, Roma.

6 Jenson, S., & Domingue, J. (1988). Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis. Photogrammetric Engineering And Remote Sensing, Leopold, L. B., & Maddock, T. (1953). The hydraulic geometry of stream channels and some physiographic implications. US Government Printing Office. McFeeters, S. (1996). The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features. International Journal of Remote Sensing, 17, Mesa, O. J., & Mifflin, E. R. (1986). On the relative role of hillslope and network geometry in hydrologic response. In: V.K. Gupta, I. Rodriguez-Iturbe and E. F. Wood, Scale problems in hydrology,, Dordrecht: D.Reidel. Nardi, F., Vivoni, E., & Grimaldi, S. (2006). Investigating a floodplain scaling relation using a hydrogeomorphic delineation method. Water Resources Research,, 42 (9), 15 pp. Nardi, F., Annis, A., & Biscarini, C. (2018). On the impact of urbanization on flood hydrology of small ungauged basins: The case study of the Tiber river tributary network within the city of Rome. Journal of Flood Risk Management, 11, S594-S603. NRCS (Natural Resources Conservation Service). (1997). Ponds-Planning, design, construction. Washington, DC: US Natural Resources Conservation Service, Agriculture Handbook no Strahler, A. N. (1957). Quantitative analysis of watershed geomorphology. Eos, Transactions American Geophysical Union, 38(6), Xu, H. (2006). Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing, 27,