DEFINIZIONE DI UN CRITERIO PER LA DISTINZIONE TRA AMBIENTE ALPINO E PRE-ALPINO NELLA VALUTAZIONE DELL INSTABILITÀ PER FRANE SUPERFICIALI

Transcript

1 DEFINIZIONE DI UN CRITERIO PER LA DISTINZIONE TRA AMBIENTE ALPINO E PRE-ALPINO NELLA VALUTAZIONE DELL INSTABILITÀ PER FRANE SUPERFICIALI Caso studio: Valle di Mosso (Alpi Biellesi) Evento Alluvionale Novembre 1968 Mauro Tararbra & Gabriele Nicolò Centro per le Ricerche Territoriali e Geologiche - Arpa Piemonte

2 Obiettivi Riconoscere i rapporti esistenti fra morfologia, litologia e struttura all interno del settore in esame, analizzando l influenza che queste ultime possono aver esercitato sullo sviluppo del drenaggio superficiale e sulla configurazione orografica Sviluppo di un metodo di estrazione automatica di parametri morfometrici relativi alle reti di drenaggio DEM-based morphotectonics analysis in Western Ligurian Alps D. Zizioli, P. Boni, L. Pellegrini, F.Zucca GIT Bevagna 2007

3 Obiettivi Distinzione tra Ambiente Alpino e pre-alpino sulla base dell analisi della struttura del reticolo idrografico considerato come OGGETTO FRATTALE nell applicazione di un modello di valutazione dell instabilità per frane superficiali in caso di eventi pluviometrici intensi

4 Progetto Frane superficiali Criteri ispiratori Implementazione di una procedura di analisi in ambiente GIS finalizzata alla valutazione delle condizioni di instabilità dei versanti nel territorio della regione Piemonte Progetto CARG Foglio 1: n. 211 DEGO Carta della pericolosità geologica per instabilità dei versanti Aumentare l affidabilità delle metodologie di valutazione della pericolosità, per ridurre il margine di incertezza connesso alla scelta dei parametri di ingresso Consapevolezza che ad ogni tipologia di dissesto corrisponde una specifica pericolosità, la cui valutazione può richiedere procedure differenziate Predisposizione di una metodologia di analisi esportabile a scala regionale

5 Metodologia In letteratura, la modellazione delle frane superficiali viene affrontata seguendo diverse impostazioni (Crosta et alii, 2001): tecniche statistiche multivariate approcci deterministici basati su modelli meccanico-idrologici metodi euristici, attraverso valutazioni empiriche delle soglie di innesco sulla base di dissesti osservati

6 Modello deterministico meccanico-idrologico Metodologia Modello di Montgomery & Dietrich, 1994 (mod. di stabilità all equilibrio limite + mod. idrologico stazionario) Modificato con assegnazione dei parametri fisico-meccanici per ogni unità elementare su base pedologica (Campus et alii, 2005) metodo studiato, conosciuto e universalmente accettato è di facile realizzazione e richiede la conoscenza di relativamente pochi parametri modella bene processi legati ad eventi meteorologici di lunga durata fornisce risultati accettabili in rapporto ai bassi costi di realizzazione della base dati che richiede

7 Modello deterministico meccanico-idrologico Metodologia pendio infinito; superficie di rottura piana, parallela al pendio, all interfaccia tra livelli con elevato contrasto di ksat; criterio di resistenza Mohr-Coulomb espresso in termini di tensioni efficaci; flusso stazionario parallelo al pendio; assenza di drenaggio profondo e di flusso nel substrato. a c γ tanθ T + 1 sinθ 2 b γw z cos θ tanφ γw tanφ q Componente topografica Componente fisico-meccanica Dietrich & Montgomery, 1998 Componente idrologica

8 Modello deterministico meccanico-idrologico Metodologia Le fasi di applicazione del modello 1. Fase di test. Valutazione della capacità predittiva del modello attraverso: riproduzione di scenario dissestivo pregresso di riferimento e confronto dei risultati con la situazione reale; eventuale taratura dei dati che alimentano il modello e nuovo ciclo elaborativo Simulazione Verifica Esito positivo? No Taratura Sì 2. Fase di calcolo della soglia di infiltrazione critica (qcr) pioggia critica (Pcr) tempi di ritorno carta di pericolosità Calcolo delle soglie di infiltrazione critica

9 Metodologia Simulazione e validazione dei risultati

10 Quadro del dissesto pregresso Ambiente pre-alpino Mappa di densità delle frane superficiali (Sistema Informativo Geologico Arpa Piemonte Sottosistema SIFraP Fenomeni Franosi in Piemonte) Estrazione e successiva analisi di densità dal SIFraP: 34'000 frane, cartografate alla scala 1:10'000 Ricerca eventi alluvionali relativi alle aree ad elevata densità Distribuzione e tipologia diversa dovuta: Ambiente collinare fattore intrinseco del territorio che per caratteristiche morfologiche, litologiche, meccaniche e climatologiche fattore esterno per la diversa disponibilità di documentazione disponibile

11 Quadro del dissesto pregresso Differenti caratteristiche litologiche, morfologiche e geo-strutturali Differenti processi di alterazione chimica e degradazione fisica Differenti tipologie e spessori delle coltri superficiali Ambiente pre-alpino Frane superficiali Per saturazione e fluidificazione della coltre superficiale. Definite secondo tipo di movimento (colamento) e materiale coinvolto (Cruden & Varnes, 1978) Differente densità, la distribuzione e la tipologia delle frane superficiali risulta Ambiente Alpino Colate fangoso-detritiche torrentizie Debris Flow movimenti in massa, caratterizzati da flusso di detrito saturo, non plastico, con velocità molto rapida (Hungr et alii, 2001)

12 Ambiente collinare e pre-alpino Langhe (Cn) novembre 1994 Langhe (Cn) novembre 1994

13 Ambiente collinare e pre-alpino Valle di Mosso (Bi) novembre 1968

14 Ambiente collinare e pre-alpino Val Bormida (Al) ottobre 1977 Ovada (Al) 1935

15 Ambiente collinare e pre-alpino Bassa Valle Grana (Cn) - maggio 2008

16 Ambiente collinare e pre-alpino Bassa Valle Varaita (Cn) - maggio 2008

17 Ambiente Alpino Valle Cervo (Bi) giugno 2002

20 Ambiente Alpino Valle Pellice (To) Maggio 2008 Valle Germanasca (To) Maggio 2008

21 Ambiente Alpino Valle Chisone (To) Maggio 2008

22 Ambiente Alpino Valle Susa (To) 2004

23 Valle di Mosso (Alpi Biellesi) Evento Alluvionale Novembre 1968 Altissima densità di frane riguardanti la coltre superficiale (oltre 1200 frane in 60 km 2 ) Area compresa tra due ambienti a differenti caratteristiche geologiche e geomorfologiche: Ambiente Alpino (A): settore montuoso dell alto bacino T. Strona Alta densità Distribuzione regolare Ambiente pre-alpino (P): settore collinare verso sud fino all alta pianura biellese A P N Bassa densità di frane Fenomeni localizzati lungo impluvi Piano Territoriale Provinciale della Provincia di Biella Densità di frana decresce verso ambiente alpino

24 Le peculiarità, geologiche-geomorfologiche l.s. influenzano la circolazione idrica superficiale e profonda e di conseguenza anche lo sviluppo del reticolo idrografico. Ambiente Alpino (coperture detritiche superficiali poco sviluppate e distribuite con discontinuità) reticolato con caratteristiche tipicamente giovanili reticolo mediamente ben organizzato bassi valori di anomalia gerarchica processi di erosione di tipo lineare ad opera di acque incanalate Ambiente pre-alpino (coltre superficiale estesa diffusamente con spessori considerevoli, > 10 m di spessore) Valle di Mosso (Biella) reticolato più maturo rispetto a quello alpino reticolato idrografico molto fitto alti valori di anomalia gerarchica processi di erosione diffusa e areale Estratto dal Modello Strutturale d Italia, scala 1:

25 Applicazione Modello Montgomery e Dietrich Risultati preliminari Unità elementari utilizzate per valorizzazione parametri fisico-meccanici: derivati da banca dati della Carta dei Suoli del Piemonte in scala 1: A P Coesione: analisi parametrica per incrementi dovuti agli apparati radicali Riproduzione di scenario dissestivo 1968 e confronto dei risultati con la situazione reale Sovrastima delle Aree Instabili nelle zone dell ambiente Alpino È quindi in questa prospettiva che è da inquadrare la scelta di distinguere ambiente Alpino e pre-alpino, analizzando la struttura del reticolo idrografico considerato come oggetto frattale

26 Reticolo come oggetto frattale Un ruolo decisivo nello studio della geometria del bacino di drenaggio è rivestito dalla geometria frattale, la quale permette di prendere in considerazione non solo oggetti e strutture regolari, ma anche quelli irregolari Nel caso della geomorfologia fluviale, l interpretazione frattale caratterizza lo sviluppo planimetrico-areale delle reti fluviali indipendentemente dalla scala di osservazione.

27 Frattali auto-somiglianti (self-similar fractals) Conservano la loro forma a qualsiasi scala di ingrandimento li si osservi (isotropi). Reticolo come oggetto frattale Nelle strutture reali (ad esempio una foglia o un albero) l'autosomiglianza è soddisfatta solo in un intervallo delimitato da un massimo (es.: dimensioni della struttura o dell'oggetto) e un minimo. Per contro nelle strutture matematiche: l'autosomiglianza si può estendere da zero all'infinito Frattali auto-affini (self-affine fractals) Conservano la loro forma in ragione dei differenti rapporti di scala utilizzati nelle diverse direzioni (anisotropi)

28 La dimensione frattale (D) descrive in che modo l'oggetto riempie lo spazio in cui è contenuto. Comportamento spazio-riempiente (space-filling) fluviale a ricoprire interamente il piano topografico Reticolo come oggetto frattale tendenza della struttura La geometria frattale permette quindi di caratterizzare gli aspetti connessi alla variazione della scala di osservazione con la dimensione frattale che rappresenta l invariante di scaling (Malcai et alii, 1997). Possiamo definire la dimensione D di un oggetto attraverso il comportamento della sua misura caratteristica (size = L) rispetto all incremento della sua dimensione lineare (r): L = r -D N(r) = r -D D = - log N(r) / log r Nella geometria euclidea D = 0 rappresenta un punto D = 1 rappresenta una linea D = 2 rappresenta una superficie Quando D non è un numero intero rappresenta la dimensione frattale dell oggetto

29 Reticolo come oggetto frattale Sulla natura frattale dei reticoli idrografici in letteratura si trovano opinioni differenti. La maggior parte delle applicazioni riportate in letteratura, assumono il reticolo idrografico come oggetto auto-somigliante (Claps et alii. 1996) anche se la singola asta fluviale andrebbe trattata come un oggetto auto-affine (Ijjasz-Vasquez et alii. 1994) Dimensione frattale D dell intero reticolo idrografico totale del reticolo D = Dt Ds Dt : dimensione frattale topologica dovuta alla struttura di biforcazione Componente auto-affine Componente auto-somigliante Ds dimensione frattale dovuta alla struttura sinuosa dei singoli corsi d'acqua.

30 Dimensione Frattale di Box-Counting Valle di Mosso - Reticolo idrografico trattato come oggetto auto-somigliante Box-Counting Method (Block et alii, 1990) permette una misurazione sistematica, applicabile ad una qualsiasi struttura nel piano Tale tecnica consiste nel disegnare sopra il reticolo idrografico una griglia regolare di lato s variabile e nel contare il numero di box P nei quali ricade almeno un tratto di segmento fluviale del reticolo di drenaggio. Variando quindi le dimensioni s della box si ottengono coppie di valori [P,s] che vengono diagrammati nel piano cartesiano ponendo in ascissa Log s ed in ordinata Log P. Cieplak M. et alii 1998 Estrazione retic. idr. Da DEM (ris. 10x10 m Arpa Piemonte) In presenza di invarianza di scala la distribuzione dei punti ha andamento lineare. La dimensione frattale corrisponde al coefficiente angolare della retta di regressione

31 Dimensione Frattale di Box-Counting Toolbox DimFrat: implementazione metodo di box counting con Model Builder di ESRI ArcGIS 9.2 Sono parametrizzati (definiti dall utente): La dimensione della cella di output del reticolato idrografico; La dimensione delle box. La Dimensione Frattale è stata calcolata per ognuna delle Unità Cartografiche (UC) della Carta dei Suoli del Piemonte, presenti all interno del bacino della Valle di Mosso. Tali unità infatti caratterizzano le tipologie di suoli e le coperture dei diversi sotto-bacini e di conseguenza anche la geometria del reticolo idrografico (estratto da un DEM Arpa Piemonte a risoluzione 10x10 m)

32 Risultati Dimensione Frattale Valle di Mosso Alpi Biellesi UC di ambiente Alpino: valori medi un reticolo ben organizzato in cui il forte controllo strutturale ne determina lo sviluppo lungo direzioni preferenziali Ambiente Alpino UC di ambiente pre-alpino: valori medi un reticolo sviluppato in modo isotropo, libero quindi da condizionamenti strutturali con forte carattere spazio-riempiente Ambiente pre-alpino Valore Soglia D = 1,6

33 Applicazione Modello Montgomery e Dietrich con distinzione ambiente Alpino e ambiente pre-alpino Dataset dissesti evento del 1-2 novembre 1968 estratti da: 1. Piano Territoriale Provinciale della Provincia di Biella (PTPB); 2. Carta dei dissesti superficiali (RIF), realizzata per questo studio mediante fotointerpretazione (aerofotografie del 23 novembre 1968, Regione Piemonte) Risultati Permeabilità: analisi parametrica in ambiente Alpino per incrementi dovuti alla maggiore influenza dello stato fratturazione crescente Simulazioni con i migliori risultati: dataset VII e VIII discreto rapporto tra aree in frana dell evento e aree instabili (14.1/37.8) area (celle) in frana correttamente previste dal modello (74.9%) discreta performance globale (64.0%)

34 Conclusioni L analisi frattale ha permesso di valutare la differente geometria del reticolo idrografico (a differenti scale di osservazione) in ambiente Alpino e pre-alpino. I risultati del calcolo della Dimensione Frattale confermano il comportamento multifrattale del reticolo idrografico, in analogia a quanto già evidenziato in altri contesti da diversi autori (Ijjasz-Vasquez et alii, 1992; De bartolo et alii, 1995; Gaudio et alii, 2006). Al di sotto del valore soglia della Dimensione Frattale (1.6) il forte controllo geostrutturale determina lo sviluppo del reticolo lungo direzioni preferenziali (ambiente Alpino) mentre nelle aree con valori superiori le estese e potenti coperture superficiali (tipiche dell ambiente pre-alpino) determinano un reticolo sviluppato in modo isotropo libero da condizionamenti strutturali.

35 Conclusioni L applicazione del mod. Montgomery Dietrich, con attribuzione dei parametri di ingresso (fisico-meccanci) tratti esclusivamente dalle informazioni a corredo della carta pedologica (Carta dei Suoli del Piemonte) non riproduce correttamente lo scenario dissestivo dell evento 1968 nel settore Alpino della Valle di Mosso (Alpi Biellesi) Buoni risultati si ottengono attribuendo, in ambiente Alpino, valori di permeabilità indicativamente di un ordine di grandezza superiori a quelli desunti dalle sole considerazioni di carattere pedologico; ciò è probabilmente da imputare ad un non trascurabile contributo della permeabilità secondaria presente in tale ambiente. Tuttavia, visto che la tipologia prevalente dei processi che si verificano nell ambiente Alpino (colate detritiche) non è conforme alle assunzioni richieste dal modello di Montgomery & Dietrich, il passaggio tra ambiente Alpino e pre-alpino potrebbe definire un limite spaziale di inapplicabilità del modello stesso.

36 GRAZIE PER L ATTENZIONE Mauro Tararbra & Gabriele Nicolò Centro per le Ricerche Territoriali e Geologiche - Arpa Piemonte