Analisi dei fenomeni di subsidenza nel bacino del fiume Arno tramite l utilizzo dell interferometria radar differenziale da piattaforma satellitare

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1 Analisi dei fenomeni di subsidenza nel bacino del fiume Arno tramite l utilizzo dell interferometria radar differenziale da piattaforma satellitare M. Brugioni, G. Menduni, G. Montini Introduzione Da qualche anno l Autorità di Bacino del fiume Arno, in collaborazione con il Dipartimento di Scienze della Terra dell Università degli Studi di Firenze, ha avviato alcune attività finalizzate allo studio dei fenomeni di deformazione del terreno a scala regionale individuati tramite interferometria differenziale su serie storiche di immagini radar acquisite da satellite (Colombo et al. 2003, Manunta et al. 2003, Farina et al. 2006, Brugioni et al. 2008). La tecnica di elaborazione dell informazione interferometrica, sviluppata e brevettata dal Politecnico di Milano, per i cui dettagli si rimanda a Ferretti et al. (2001, 2007), Perissin & Ferretti (2007), Rocca (2007), Bell et al. (2008), permette di ottenere dati puntuali di deformazione del terreno con precisione millimetrica considerando l insieme dei bersagli radar esistenti sull immagine e caratterizzati da una risposta elettromagnetica particolarmente stabile durante tutto il periodo di analisi. Tali oggetti puntuali, selezionati sull intera serie storica delle immagini analizzate, sono denominati Permanent Scatterers (PS) e rappresentano tipicamente parti di edifici, rocce esposte o strutture metalliche esistenti. La tecnica PS è stata applicata con successo per lo studio dei fenomeni di subsidenza del terreno sia in ambito italiano che internazionale (Ferretti et al. 2000, Musson et al. 2004, Ferretti & Cespa 2005, Dixon et al. 2006, Zerbini et al. 2007, Bell et al. 2008), permettendo di ottenere una notevole quantità di dati puntuali di deformazione spazialmente distribuiti su tutto il territorio di studio difficilmente reperibili con metodi tradizionali. Per analizzare i fenomeni di subsidenza nel bacino dell Arno sono stati acquisiti, per l intero territorio di pianura, i dati puntuali di deformazione media annua (mm/anno) ricavati dall analisi delle immagini SAR (Synthetic Aperture Radar) registrate dai satelliti ERS1 e ERS2 nel periodo e, per circa il 60% del territorio del bacino, anche quelli ricavati dall analisi delle immagini SAR acquisite dal satellite canadese RADARSAT1 nel periodo Inoltre, per un subset di PS particolarmente stabili, sono state esaminate anche le serie storiche dei valori di deformazione del terreno (mm), in modo da ricostruire, per ogni PS selezionato, la differenza di quota registrata tra successive acquisizioni delle immagini radar, ovvero ogni 24 giorni (RADARSAT1) o 35 giorni (ERS1, ERS2). La densità spaziale dell insieme dei dati di deformazione per i dataset ascendente e discendente è risultata più che soddisfacente, con una media di circa 350 punti/kmq, raggiungendo la massima concentrazione nelle aree maggiormente antropizzate del territorio con valori fino a circa 2000 punti/kmq. 1

2 L elevata densità spaziale dei dati di deformazione nel territorio di pianura potenzialmente soggetto a fenomeni di subsidenza ha quindi permesso di effettuare l interpolazione spaziale, con software GIS, delle velocità medie di deformazione su tutta l area di studio e, per alcune delle aree a maggiore criticità, ricostruire i modelli digitali di abbassamento del terreno per ogni anno della serie storica considerata (Montini et al., 2007). Analisi delle velocità medie annue di deformazione a scala di bacino L interpolazione lineare dei dati di velocità media annua di abbassamento del terreno nel periodo (Fig. 1), ottenuta dall elaborazione dei dati acquisiti dai satelliti ERS1 e ERS2 in modalità discendente riproiettando sulla verticale le velocità medie annue di deformazione del terreno registrate lungo la congiungente satellite-ps, ha permesso di definire spazialmente le aree maggiormente interessate da fenomeni di subsidenza su cui svolgere successivi approfondimenti d indagine. Figura 1 Distribuzione delle velocità medie di abbassamento del terreno nel periodo ottenute tramite spazializzazione dai dati PS (immagini ERS1-ERS2). Tali aree risultano collocate nella pianura Firenze-Prato-Pistoia, nell area della Piana EmpolesePadule di Bientina, in Provincia di Lucca, e nella pianura Pisana-Livornese, tutte zone in cui sono da tempo noti dissesti legati a cedimenti del terreno. Nelle aree soggette a fenomeni di subsidenza, 2

3 le velocità registrate variano da pochi mm/anno fino a 2-3 cm/anno, in accordo con quanto emerso da dati bibliografici e dai sopralluoghi svolti. In Fig. 2 viene invece riportato il risultato ottenuto dalla spazializzazione dei dati di velocità media annua di abbassamento del terreno nel periodo registrati dal satellite RADARSAT1 in modalità discendente. Tali dati coprono circa il 60% del territorio del bacino e pertanto, nell ambito del presente studio, rimangono escluse parte della pianura Pisana, il Casentino e la Val di Chiana. Figura 2 Distribuzione delle velocità medie di abbassamento del terreno nel periodo ottenute tramite spazializzazione dai dati PS (immagini RADARSAT1). Dal confronto delle due mappe di distribuzione delle velocità media annua di deformazione del terreno, possiamo osservare che l andamento spaziale dei valori registrati dai satelliti ha subito alcune importanti modifiche nei due sottoperiodi esaminati. Nella pianura Firenze-Prato-Pistoia risulta evidente che l area ad elevata velocità di deformazione ubicata al confine tra le province di Firenze e Prato, in forte risalto nel sottoperiodo , subisce un importante riduzione di superficie nel sottoperiodo , anche se il range dei valori di velocità rimane costante. In generale si osserva uno spostamento delle aree a maggiore velocità di subsidenza verso NW, nella provincia di Pistoia, in aree che comunque risultavano già interessate da evidenti fenomeni di deformazione nel periodo Nell area della Piana Empolese-Padule di Bientina la situazione rimane sostanzialmente invariata nei due sottoperiodi, ad eccezione di un sensibile aumento delle velocità medie di deformazione 3

4 nell area della pianura alluvionale dell Arno a cavallo tra i Comuni di Castelfranco di Sotto e Santa Maria a Monte. Analisi delle serie storiche di deformazione a carattere locale Tramite l analisi delle serie storiche di deformazione del terreno ottenute dalle immagini radar nei due sottoperiodi di riferimento è stato possibile approfondire alcune delle problematiche emerse nella prima fase di analisi. In particolare al momento si è proceduto all analisi di due aree campione, la prima ubicata nel Padule di Bientina (LU), con riferimento all intero periodo , e l altra nell area industriale di Capalle, nel Comune di Campi Bisenzio (FI), relativamente all intervallo temporale Il Padule di Bientina Nell area del Padule di Bientina (LU), storicamente interessata da importanti fenomeni di subsidenza chiaramente visibili dalla mappa di Fig. 1, sono state esaminate le serie storiche dei valori di abbassamento del terreno registrati in modalità discendente dai satelliti ERS1 e ERS2 ( ) e dal satellite RADARSAT1 ( ) rispetto alla data di acquisizione della prima immagine radar considerata (13 maggio 1992). Per ogni anno dell intero intervallo temporale considerato è stata scelta una data di riferimento in modo da calcolare lo spostamento verticale relativo (mm) di ogni PS selezionato rispetto alla data iniziale. Tramite software GIS si è quindi proceduto all interpolazione spaziale del dato puntuale PS, in modo da ricostruire un modello digitale degli abbassamenti del terreno rispetto al 1992 per ogni anno della serie storica considerata (Montini et al., 2007) ed evidenziare eventuali accelerazioni del tasso annuale di subsidenza. Nell area del Padule di Bientina Piana di Lucca, l acquifero principale è ospitato nei depositi alluvionali a prevalente carattere ghiaioso-sabbioso del Pleistocene superiore Olocene che sormontano le argille lacustri villafranchiane del Pliocene basale. In seguito ai rilevanti prelievi che interessano la Piana di Lucca, si è instaurata una soglia piezometrica lungo l allineamento Colle di Compito Orientano, determinando la separazione tra l acquifero della Piana di Lucca a nord e quello di Bientina a sud. L acquifero della Piana di Lucca ha caratteristiche freatiche nell area a nord del bacino, in quanto il livello di sabbie e ghiaie acquifere non risulta confinato verso l alto da terreni impermeabili, mentre acquista caratteristiche di semisrtesianità o di artesianità man mano che si procede verso sud in seguito alla presenza di terreni di copertura a carattere limoso argilloso di bassa permeabilità. L acquifero di Bientina risulta invece sempre confinato per la presenza di una copertura continua di sedimenti limoso-argillosi a scarsa permeabilità. Entrambi gli acquiferi risultano interessati da forti prelievi ad uso acquedottistico e industriale e l analisi degli abbassamenti della superficie piezometrica nel periodo , effettuata 4

5 dall Autorità di Bacino nell ambito del Piano di Bacino del fiume Arno Stralcio Bilancio Idrico, ha evidenziato una discreta corrispondenza tra le aree a maggiore depressione piezometrica e quelle a più elevato tasso di deformazione del terreno ottenute tramite interferometria radar differenziale. I livelli acquiferi presentano infatti generalmente una certa componente limoso-argillosa, distribuita in forma di lenti o come matrice nei litotipi ghiaiosi-sabbiosi, la cui compattazione, determinata dalle oscillazioni della falda nel tempo, può essere all origine dei fenomeni di subsidenza del terreno. Figura 3 Padule di Bientina (LU): confronto tra la distribuzione delle velocità medie di abbassamento del terreno nei periodi / e visualizzazione dei cedimenti registrati lungo la sezione AB per l intero periodo In Fig. 3 viene riportato sia il confronto tra le velocità medie di deformazione del terreno registrate nei due sottoperiodi e , sia i valori di abbassamento relativo registrati lungo la sezione AB rispetto alla data iniziale di riferimento per l intero periodo Come già 5

6 precedentemente accennato, non si registrano particolari variazioni nelle velocità medie di deformazione per i due sottoperiodi considerati, a conferma di un graduale abbassamento del terreno nel tempo. Questa tendenza è evidenziata anche dal grafico degli abbassamenti relativi lungo la sezione AB, dove le differenze di quota registrate su intervalli temporali simili risultano essere dello stesso ordine. Con questa analisi di dettaglio risulta peraltro possibile osservare che, nonostante l invarianza della velocità media nei due sottoperiodi, il tasso di subsidenza ha in realtà subito un certo rallentamento nel periodo per poi riprendere a crescere leggermente negli ultimi due anni. Per effettuare una verifica dell accuratezza dei valori di abbassamento relativo del terreno elaborati secondo la tecnica PS, i dati ottenuti sono stati confrontati con le misure di deformazione del terreno eseguite con metodi tradizionali. A tal fine sono state acquisite le misure di deformazione effettuate nella zona di Porcari nell ambito di due campagne di livellazioni topografica di precisione realizzate rispettivamente nel settembre 1995 e settembre Lo studio riguarda circa 25 caposaldi, ma la diversa distribuzione spaziale dei PS ha permesso di effettuare l analisi solamente per 13 strumenti. Figura 4 Padule di Bientina (LU): confronto tra misure di deformazione ottenute da livellazione topografica e da interferometria radar con tecnica PS. 6

7 In Fig. 4 è riportata l ubicazione delle stazioni di livellazione topografica e dei PS considerati per il confronto, unitamente ai grafici di correlazione degli spostamenti e di analisi dei residui. Come possiamo osservare, esiste un elevata correlazione tra i due dataset con coefficiente di correlazione lineare R = Per la quasi totalità dei dati il valore dei residui è compreso tra + 1 mm e 1 mm e nel loro complesso presentano una distribuzione ragionevolmente simmetrica intorno allo zero (media = 0.01, deviazione standard = 0.56)) che indica l assenza di sovrastime o sottostime sistematiche delle deformazioni da parte del radar. Il risultato del confronto permette quindi di confermare l accuratezza delle misure satellitari per l area di studio. L area industriale di Capalle L andamento dei cedimenti nel tempo è stato ricostruito anche per un area industriale ubicata a Capalle nel Comune di Campi Bisenzio in Provincia di Firenze, dove sono stati utilizzati i dati PS riportanti le serie storiche dei valori di abbassamento del terreno registrati dal satellite RADARSAT1 nel periodo rispetto alla data di acquisizione della prima immagine radar considerata (25 marzo 2003). L area di Capalle si trova nella parte centrale del bacino sedimentario di Firenze-Prato-Pistoia e risulta interessata da un intenso emungimento di acque sotterranee connesso ad attività industriali ed alla presenza di campi pozzi per uso acquedottistico. L acquifero interessato è quello di Prato, caratterizzato da una serie di livelli permeabili, costituiti da ghiaie in matrice sabbioso-limosa, intercalati da strati acquicludi o acquitardi, costituiti da limi e argille, che comportano la presenza di più falde tra loro interconnesse. A causa dell importante componente limoso-argillosa presente in questi litotipi, le oscillazioni della superficie piezometrica determinano la compattazione dei sedimenti, con conseguenti fenomeni di subsidenza chiaramente evidenziati dalla mappa di distribuzione delle velocità medie di deformazione del terreno di Fig. 1. Nell ambito degli studi eseguiti per la realizzazione del Piano di Bacino del fiume Arno Stralcio Bilancio Idrico, si è potuto verificare che l analisi multitemporale delle rilevazioni piezometriche succedutesi negli anni nell area della falda pratese, ed in particolare quelle del maggio 1987, maggio 1994 e luglio 2006, ha evidenziato un trend generale di rialzamento della superficie piezometrica con netta attenuazione dei coni di depressione originatisi precedentemente in seguito al forte sfruttamento idrico, anche se i livelli di fine anni 70 non sono ancora stati raggiunti. In Fig. 5 viene riportato sia il confronto tra le velocità medie di deformazione del terreno registrate nei due sottoperiodi e , sia i valori di abbassamento relativo registrati lungo la sezione AB rispetto alla data iniziale di riferimento per il periodo

8 Inoltre questi ultimi valori vengono confrontati con l andamento della densità di prelievo lungo la stessa sezione AB espressa come quantitativo idrico medio emunto annualmente in un intorno circolare con raggio di 500 m per ogni punto della sezione considerata. Figura 5 Area industriale di Capalle (FI): confronto tra la distribuzione delle velocità medie di abbassamento del terreno nei periodi / e visualizzazione dei cedimenti registrati lungo la sezione AB per il periodo confrontati con l andamento della densità di prelievo.idrico. La sensibile diminuzione delle velocità medie di subsidenza registrate passando dal periodo al periodo , sia come distribuzione spaziale che come intervallo di valori misurati, è probabilmente dovuta al sopra menzionato trend generale di rialzamento della falda pratese che risulta particolarmente accentuato a partire dal Il grafico degli abbassamenti relativi lungo la sezione AB evidenzia un graduale abbassamento del terreno nel tempo nel periodo Interessante notare una inversione di tendenza durante il 2006, anno in cui si registrano riduzioni dei prelievi. Il confronto degli abbassamenti con l andamento della densità di prelievo idrico sia idropotabile che industriale sulla stessa sezione AB evidenzia infine una certa corrispondenza tra densità di prelievo e tasso di abbassamento dei terreni 8

9 acquiferi soggetti a sfruttamento idrico, probabilmente dovuta alla compattazione della componente limoso-argillosa distribuita in forma di lenti o come matrice nei litotipi ghiaiosi-sabbiosi. Conclusioni L analisi dei dati SAR acquisiti da satellite ed elaborati secondo la tecnica dell interferometria differenziale si è dimostrata molto utile per l analisi dei fenomeni di subsidenza a scala regionale, fornendo una notevole quantità di valori puntuali di deformazione del terreno impossibile da reperire attraverso metodi tradizionali. In particolare, la possibilità di analizzare sia le velocità medie annue di deformazione del terreno che gli abbassamenti mensili registrati dal satellite rispetto all inizio della serie storica considerata, permettono di effettuare due diversi livelli di approfondimento del fenomeno studiato, uno a scala regionale e l altro a scala locale. I risultati ottenuti si sono dimostrati molto soddisfacenti, trovando riscontri oggettivi sul territorio, ed hanno inoltre permesso di mettere in relazione i fenomeni di subsidenza osservati con le possibili cause di innesco. Bibliografia Bell J. W., Amelung F., Ferretti A., Bianchi M. & Novali F., Permanent scatterer InSAR reveals seasonal and long-term acquifer-system response to groundwater pumping and artificial recharge. Water Resources Research, 44: 1-18 pp. Brugioni M., Menduni G. & Montini G., Lo studio del bacino dell Arno con interferometria satellitare PSInSARTM. Il Monitoraggio da satellite, esperienze a confronto. Supplemento ARPA Rivista, 1: pp. Colombo D., Farina P., Moretti S., Nico G. & Prati C., Land subsidence in the Firenze-PratoPistoia basin measured by means of spaceborn SAR interferometry. IGARSS 2003, Tolosa luglio: 1-3 pp. Dixon T.H., Amelung F., Ferretti A., Novali F., Rocca F., Dokkas R., Sella G., Kim S.W., Wdowinski S. & Whitman D., Subsidence and flooding in New Orleans. Nature, 441: pp. Farina P., Colombo D., Fumagalli A., Marks F. & Moretti S., Permanent scatterers for landslide investigations: outcomes from the ESA-SLAM project. Engineering Geology, 88: pp. 9

10 Ferretti A. & Cespa S., L uso del telerilevamento satellitare per lo studio della subsidenza nei territori della bassa pianura romagnola. Hydrogeo (giugno): pp. Ferretti A., Prati C. & Rocca F., Nonlinear Subsidence Rate Estimation Using Permanent Scatterers in Differential SAR Interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38 (5): pp. Ferretti A., Prati C. & Rocca F., Permanent Scatterers in SAR interferometry. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 39 (1): 8-20 pp. Ferretti A., Savio G., Barzaghi R., Borghi A., Musazzi S., Novali F., Prati C. & Rocca F., Submillimeter Accuracy of InSAR Time Series: Experimental Validation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45 (5): pp. Manunta P., Brugioni M., Casagli N., Colombo D., Deflorio A.M., Farina P., Ferretti A., Gontier E., Kaspar G., Haeberle j., Lateltin O., Meloni E., Mayoraz R., Montini G., Moretti S., Paganini M., Palazzo F., Spina D., Sulli L. & Strozzi T., SLAM, a Service for LAndslide Monitoring based on EO-Data. Fringe 2003, Frascati 1-5 dicembre. Montini G., Benvenuti L. & Menduni G, Analisi dei fenomeni di subsidenza nel bacino dell Arno. 10a conferenza italiana utenti ESRI, Roma aprile. Musson R.M.W., Haynes M. & Ferretti A., Space-based Tectoning Modeling in Subduction Areas Using PSInSAR. Seismological Research Letters, 75 (5): pp. Perissin D. & Ferretti A., Urban Target Recognition by Means of Repeated Spaceborne SAR Images. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45 (12): pp. Rocca F., Modeling Interferogram Stacks. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45 (10): pp. Zerbini S., Richter B., Rocca F., van Dam T. & Matonti F., A combination of Space and Terrestrial Geodetic Techniques to Monitor Land Subsidence: Case Study, the Southeastern Po Plain, Italy. Journal of Geophysical Research, 112 (B05401): 1-12 pp. 10