La valutazione della suscettibilità da frana tramite il metodo delle UCU: un'applicazione tramite GRASS al bacino del Ventia (Umbria)

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1 La valutazione della suscettibilità da frana tramite il metodo delle UCU: un'applicazione tramite GRASS al bacino del Ventia (Umbria) Autori: Corrado Cencetti, Pierluigi De Rosa, Andrea Fredduzzi, Annalisa Minelli 1

2 Scopo del lavoro Il presente lavoro ha come obiettivo la valutazione della suscettibilità da frana nel bacino del Torrente Ventia. Set di informazioni indispensabili per la programmazione di eventuali interventi su aree soggette a franamento Suscettibilità da frana: propensione di un'area all'innesco di fenomeni franosi Pericolosità: probabilità che si verifichi un evento di una data entità Rischio: perdita di beni al verificarsi dell'evento 2

3 I metodi per la valutazione della S. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per per la valutazione della suscettibilità da frana basati su diversi tipi di approccio, tra le procedure più note si ricordano: Inventari fenomeni franosi Riportano informazioni sulla tipologia, attività, materiale coinvolto, entità del dissesto, affidabilità del dato ecc..fornendo direttamente una previsione spaziale e tipologica di fenomeni franosi Isoplete (curve ad egual % di aree in frana) 3

4 I metodi per la valutazione della S. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per per la valutazione della suscettibilità da frana basati su diversi tipi di approccio, tra le procedure più note si ricordano: Inventari fenomeni franosi Analisi statistica Valutazione della suscettibilià realizzata sulla base di UTO (divisione del territorio in unità aventi omegeneità dei fattori che controllano i fenomeni franosi (geologia, uso suolo, pendenza ecc..)) 4

5 I metodi per la valutazione della S. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per per la valutazione della suscettibilità da frana basati su diversi tipi di approccio, tra le procedure più note si ricordano: Inventari fenomeni franosi Analisi statistica Metodi deterministici Calcolo del fattore di sicurezza (F) dei pendii mediante l'analisi di stabilità all'equilibrio limite 5

6 I metodi per la valutazione della S. Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per per la valutazione della suscettibilità da frana basati su diversi tipi di approccio, tra le procedure più note si ricordano: Inventari fenomeni franosi Analisi statistica Metodi deterministici Metodi euristici Valutazione della suscettibilità da frana mediante la sovrapposizione di carte tematiche, scegliendo i fattori significativi di innesco. 6

7 L'area di studio Il Bacino del Ventia Bacino di 47 km2 Pendenza media 13% Quota media di 460 m s.l.m. 7

8 L'area di studio 8

9 Le frane IFFI nel bacino del Ventia L' IFFI individua 227 frane ricadenti all'interno del bacino del Ventia. 9

10 Le frane IFFI nel bacino del Ventia L' IFFI individua 227 frane ricadenti all'interno del bacino del Ventia. media min max 2,54ha 0,03ha 19,44ha Istogramma delle aree delle frane area Frana 10

11 I dati utilizzati I dati di partenza utilizzati Descrizione Scala Carta tecnica regionale CARG - Carta geologica regionale Informazioni derivanti 1: DTM, layer Aspect, layer Slope 1: Litofaces, Layer giaciture CORINE Carta uso del suolo Uso suolo 1: IFFI- Inventario dei fenomeni franosi italiani Annali idrologici bacino del Tevere Frane Precipitazioni 11

12 I fattori predisponenti Fattore predisponente Descrizione Pendenza Pendenza dei versanti Geologia/litologia Variazioni geo-litologiche Uso del suolo Aspetti antropici Precipitazioni Aggressività climatica Rapporto giacitura strati/giacitura TOBIA versanti 12

13 Elaborazione dei dati - slope Dal DEM si è provveduto a ricavare il layer della pendenze che è stato riclassificato in Pendenza bassa 0-10 Pendenza medio bassa Pendenza media Pendenza medio alta Pendenza alta >50 13

14 Elaborazione dei dati - geologia Dalla mappa geologica al si è ricavato il rispettivo layer: 14

15 Elaborazione dei dati - pluviometria L'aggressività climatica è un aspetto estremamente rilevante nella valutazione della suscettibilità da frana di un territorio. Con lo scopo di individuare un indice di aggressività climatica di facile applicabilità, adatto alla realtà del territorio nazionale e valido anche per altre tipologie di dissesto considerate dal progetto (erosione idrica, piene da deflusso istantaneo) è stato scelto l indice di Fournier modificato da Arnoldus (1977) È risultato infatti che FFAO è molto ben correlato con altre variabili climatiche associabili all insorgenza e/o riattivazione di disseti idrogeologici ed è pertanto in grado di fornire una valutazione sintetica della probabilità di occorrenza di eventi pluviometrici intensi. Scrinzi et alii, Dai dati pluviometrici si è calcolato l'indice di Fourier modificato da Arnoldus(1977), indicato come FFAO,che rappresenta un indice di aggressività climatica,e ricavabile dalla relazione: 12 F FAO = p / P J=1 2 i 15

16 Pluviometria esempio pluv. Perugia perugia ISA ANNO gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Tot annuale ,6 91,5 87,2 53,3 66,1 37,9 32,8 64,2 17,4 19,6 63, ,6 32,2 33,2 28,8 83,4 66,8 2, , , ,8 89,8 28,6 159,6 64, , , ,2 38,5 806, ,4 63,8 5,1 100,6 5,6 71,6 26,2 65,4 115,2 33,2 41,6 36,6 632, , ,2 68,9 21, ,8 42, , ,4 12,6 115,4 27,8 105,6 79,8 20,4 133,4 44,8 114, ,8 842, ,2 90,6 105,1 81, ,8 82,6 121,2 92, ,4 104,6 1015, ,2 80,6 47, ,4 82,4 56,6 62,1 87,8 854, ,6 79,2 11,4 99,2 124,4 74,4 64,6 26, ,2 88, ,6 84, ,2 31,8 29,2 26,8 92,4 94,8 110,8 115,6 859, ,8 19,6 72,8 54,8 107, ,8 132,6 211, , , ,8 82,4 68,8 20,8 19,6 36,4 100, , ,6 13,6 83,8 30, ,4 39,2 98, ,4 109,6 198,8 999, ,8 0,2 36,2 42,4 30,4 6, , ,8 65,6 627, ,8 137,2 53,6 73,8 154,6 74,8 10,4 128,4 39,4 62,4 69,6 39,2 1064, ,6 35, ,6 61,6 34,2 8,4 27,2 11,4 25,6 91,6 59, ,8 63,2 105,2 28,1 18,2 66,6 19,4 7,2 32, ,8 797, ,4 44,2 30,2 55,8 153,4 107,2 2,2 17,8 37,8 115, ,8 55,2 71,8 31,2 84, ,2 34,8 155,8 151, , ,6 26, , ,4 90,8 19,2 584, ,2 59,8 33,6 75,4 118,4 59,4 32, ,4 15, ,6 12,6 20,4 87,4 38,6 12 6,6 44,8 118,6 92,2 140,2 86, ,4 11,8 104,2 62, ,4 56,6 5,2 128,2 194,8 61,2 107,8 863, , ,4 18, ,8 8,8 134,8 152,4 81,4 94,4 662, ,4 30,4 1, ,8 39,8 15,2 4,2 165,6 105,2 67, , , ,2 36,8 71,4 71,2 9,4 42,6 22, ,8 11,2 739, ,6 73,4 40,2 61,6 78,4 24, , , , ,8 104,2 36,8 96,8 54,8 22,4 33,8 46, ,23 F fao = 59, ,48 52, , ,47 73, ,96 54, ,43 33, ,28 53, ,17 78,1 138, , ,29 92, ,22 64, ,8 951,5 66,66 16

17 Elaborazione dei dati - pluviometria 17

18 Elaborazione dei dati - pluviometria 18

19 Individuazione delle soglie Per la definizione delle classi di aggressività climatica sono state utilizzate le soglie proposte da Scrizi et alii 2006 desunte da dati di 669 stazioni italiane Classe Decrizione alta FFAO >150 media 100<FFAO <150 bassa FFAO <100 La scelta della soglia di 100 mm, al di sotto del quale l aggressività climatica è da considerare modesta, è confortata dagli studi di Rice ed al. (1982). Essi hanno elaborato un indice di gravità delle precipitazioni (S) nei confronti dei fenomeni franosi superficiali di tipo debris slide/avalanche che presenta la forma: 0,57 S =log10 0,081 A0,93 D ff Dove Aff è l'afflusso in millimetri e D la durata in ore dell'evento. 19

20 Classi di precipitazione Classe bassa Classe media Si individuano due aree distinte 20

21 Layer Geologia 21

22 Rapporto tra versante e strati geol. Classificazione dei rapporti geometrici tra la superficie topografica e l'assetto della stratificazione. 22

23 Giacitura strati/giacitura versanti La classificazione Una giacitura si dice a franapoggio quando Lo strato immerge circa nella stessa direzione del versante Una giacitura si dice a reggipoggio quando Lo strato immerge in direzione opposta rispetto al versante Topografia LoStratigrafia strato immerge con Una giacitura si dice a traversopoggio quando un angolo di 90 o 270 rispetto al versante

24 TOBIA Redazione della mappa giacitura degli strati/giacitura dei versanti TOBIA (Meentemeyer e Moody, 2000) TOpographic B È funzione lineare di quattro variabili spaziali: edding-plane Intersection Angle inclinazione degli strati (θ) immersione degli strati (α) pendenza del versante (S) esposizione del versante (A) TOBIA=cos(θ) cos(s)+sen(α) sen(s)*cos(α A) 24

25 TOBIA Redazione della mappa giacitura degli strati/giacitura dei versanti (Meentemeyer e Moody, 2000) È funzione lineare di quattro variabili spaziali: Può assumere valori compresi tra -1 e 1 Può essere rappresentato mediante modellizzazione categoriale o continua TOBIA=cos(θ) cos(s)+sen(α) sen(s)*cos(α A) 25

26 TOBIA Redazione della mappa giacitura degli strati/giacitura dei versanti TOBIA=1 => franapoggio se cos (α - A) =1 => franapoggio e se θ>s => franapoggio più TOBIA=1 e se θ<s => franapoggio meno TOBIA=0 => se cos (α - A) =-1=> reggipoggio e se TOBIA 0 => reggipoggio meno TOBIA -1 => se cos (α - A) = 0 => reggipoggio reggipoggio più traversopoggio 26

27 Il dato giaciturale La giacitura di un piano è la disposizione che questo assume nello spazio Per individuare la giacitura di un piano occorre rilevare sul terreno 2 parametri: IMMERSIONE INCLINAZIONE 27

28 L'interpolazione del dato giaciturale Il problema dell'interpolazione spaziale di dati geologici giaciturali è stato affrontato in precedenti studi, gran parte dei quali finalizzati alla ricostruzione dei rapporti tra assetto giaciturale e superficie topografica Minelli, 2006 (tesi di laurea): ricostruzione dei rapporti tra assetto giaciturale e superficie topografica nel bacino del torrente Assino Problemi riscontrati 1. INTERPOLAZIONE DI DATI ANGOLARI 2. RAPPRESENTAZIONE DI PIEGHE ROVESCIATE 28

29 L'interpolazione del dato giaciturale In alcuni casi l'algoritmo di interpolazione, non considerando la distribuzione circonferenziale del dato angolare, interpola i dati in modo totalmente errato Valore corretto Possibile risoluzione considerando seno e coseno dell'angolo e interpolando questi due valori (Minelli, 2006) Valore interpolato dall'algoritmo 29

30 Rappresentazione di pieghe rovesce casi particolari di pieghe strati appartenenti a questo tipo di piega (strati rovesci) non si differenziano da generici strati dritti per valori di immersione ed inclinazione, ma per la successione stratigrafica che, in un fianco della piega, risulta invertita la formazione più antica (C) si trova sovrapposta alle formazioni più recenti (B, A), al contrario di una normale successione sedimentaria dove i sedimenti più recenti risultano essere sempre sovrapposti a quelli più antichi 30

31 Rappresentazione di pieghe rovesce Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica. Serie rovesciata 31

32 Rappresentazione di pieghe rovesce Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica. Ma se lo strato rovescio non viene distinto da normali strati dritti in valori di immersione ed inclinazione Serie rovesciata 32

33 Rappresentazione di pieghe rovesce Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica. Ma se lo strato rovescio non viene distinto da normali strati dritti in valori di immersione ed inclinazione Serie rovesciata Nell'interpolazione il singolo strato rovescio viene perso, o meglio, viene considerato come un normale strato dritto dando origine, laddove vi sia presenza di strutture rovesce, ad errori grossolani di interpolazione ed interpretazione dell'assetto geologico 33

34 Rappresentazione di pieghe rovesce Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica. Ma se lo strato rovescio non viene distinto da normali strati dritti in valori di immersione ed inclinazione Nell'interpolazione il singolo strato rovescio viene perso, o meglio, viene considerato come un normale strato dritto dando origine, laddove vi sia presenza di strutture rovesce, ad errori grossolani di interpolazione ed interpretazione dell'assetto geologico 34

35 Rappresentazione di pieghe rovesce Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica. Ma se lo strato rovescio non viene distinto da normali strati dritti in valori di immersione ed inclinazione Nell'interpolazione il singolo strato rovescio viene perso, o meglio, viene considerato come un normale strato dritto dando origine, laddove vi sia presenza di strutture rovesce, ad errori grossolani di interpolazione ed interpretazione dell'assetto geologico INTRODUZIONE DELLA NORMALE AL PIANO COME ELEMENTO DI RAPPRESENTAZIONE 35

36 Calcolo della suscettibilità da frana Sono state utilizzate due differenti procedure per la valutazione della suscettibilità da frana che hanno portato alla determinazione: Densità di frana UCU METODO 1 Indice di franosità totale METODO 2 36

37 Metodo 1 Densità di frana (UCU) I vari layers riclassificati sono stati sovrapposti mediante il comando r.cross, in modo tale da ottenere la distribuzione spaziale di tutte le condizioni uniche UCU (unità a condizione unica). Alla carta delle UCU è stata sovrapposta la carta delle frane, ricavando il valore di area in frana di ogni singola UCU e il valore dell'area totale di ogni singola UCU ottenendo la DENSITA' DI FRANA per ognuna di esse: DENSITÀ DI FRANA= area in frana UCU/area totale UCU Si è riclassificata la carta delle UCU con il comando r.recode attribuendo ad ognuna di quest' ultime il corrispondente valore di densità da frana ottenendo la carta delle densità di frana percentuali. 37

38 La mappa di susc. da frana. M.-1 n: minimum: 0 maximum: 100 range: 100 mean: standard deviation:

39 La mappa di susc. da frana. M % 10.09% 0.35% 0.00% 39

40 Metodo 2: indice di franosità totale Per ogni fattore predisponente (geologia, uso suolo, pendenza, precipitazione, rapporto topografia-strati) si è calcolato un indice di franosità relativa IFrel. Per ogni classe di layer valuto il numero di pixel in frana e non a dato dal rapporto tra il numero di pixel in frana per la classe sul totale dei pixel in frana b analogo ad a per I pixel non in frana. Si riporta un esempio del calcolo di Ifrel per il layer geologia classe Depositi terrazzati Depositi lacustri Arenarie e marne siltose alternate Argille varicolori somma Numero di pixel totali Pixel in frana a Pixel non in frana b a/b IF rel 0,001 0, ,044 0,149 0,019 0,368 0,69% 14% 0,875 0, ,782 0,026 1,119 2,724 41% 100% Il relazionare a e b permette di individuare l'incidenza relativa di ogni singola classe normalizzata alla sua diffusione areale 40

41 Mappe di IFrel per i diversi layer IFrel TOBIA IFrel GEOLOGIA IFrel PRECIPITAZIONE IFrel alto IFrel alto IFrel PENDENZA IFrel USOSUOLO 41

42 Peso dei fattori predisponenti Per ottenere la mappa della propensione al dissesto secondo il metodo 2 sono stati sovrapposti tutti gli IFrel pesando i rispettivi valori in funzione del proprio IFrel minimo (IFmin). w j= IF min, j 12 IF min, j J=1 ωi Ifmin precipitazione slope geologia tobia uso suolo Somma 37,18 25,32 0,69 57,23 28,63 149,04 25% 17% 0,46% 38% 19% 42

43 La mappa di susc. da frana. M.-2 Risulta evidente l'effetto della precipitazione sul risultato finale 43

44 Confronto tra i risultati dei due metodi Si nota la sovrastima della probabilità di frana del metodo 2 come valori assoluti 44

45 Confronto tra i risultati dei due metodi Pendenza di 45 Rispondenza tra i due metodi Intercetta positiva Sovrastima del metodo 2 45

46 Conclusioni Lo studio della suscettibilità da frana del bacino del Ventia mostra che lo stesso non presenta particolari caratteri di criticità Il metodo 2 necessita di una correzione del sistema di assegnazione dei pesi per ovviare alla sovrastima mostrata Il metodo 2 fornisce una gerarchizzazione dei più importanti fattori predisponenti i fenomeni franosi; sia attraverso il confronto dei diversi IFrel che dal valore del peso ωi. L'utilizzo dell'indice TOBIA rappresenta un punto di forte innovazione nel panorama dei vari metodi di valutazione della S: da frana Effetto troppo marcato delle precipitazioni nel metodo 2. 46