FRANE SUPERFICIALI INDOTTE DA PRECIPITAZIONI

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1 FRANE SUPERFICIALI INDOTTE DA PRECIPITAZIONI UNA POSSIBILE METODOLOGIA PER LA MAPPATURA DELLE AREE SUSCETTIBILI AL FRANAMENTO Autore: Dott. Ing. Cristiano Lanni, PhD Sommario Le frane superficiali indotte da precipitazioni spesso evolvono in colate detritiche ad alto potere distruttivo. Una volta innescate, procedono verso valle a velocità molto elevata provocando danni ingenti a cose e persone in tempi estremamente ridotti. Data la scarsità di segni premonitori nelle fasi antecedenti al collasso, e vista la rapidità con cui franoso risultano difficilmente monitorabilioccio realmente efficace ai fini della strumenti per la previsione spaziale (e temporale) delle aree maggiormente predisposte In questa memoria viene presentata una possibile metodologia per la mappatura delle, che sia di di emergenza, e di ausilio per le amministrazioni ed i tecnici nella pianificazione urbanistica e la valutazione e mitigazione del rischio idrogeologico.

2 Abstract Shallow landslides triggered by rainfall can cause significant human and material losses as they often evolve into debris-flows or mudflows with highly destructive potential. Debris may flow at very high speed and strike exposed infrastructures in a very short time. The scarcity of warning signs in the pre-failure stage, and the rapidity of the event after failure make shallow landslides difficult to monitor. As a result, the design of appropriate tools for spatial (and temporal) forecasting of shallow landslides is often the only effective approach to minimize landslide risk. This paper shows a novel approach for assessment of susceptibility from shallow landslides phenomena in order to support decision makers to allocate resources and personnel in emergency-response situations and to assist in land-use and mitigation planning. Figura di apertura: The Vargas landslide catastrophe (Venezuela, 1999). On 14th-16th December 1999 a coastal storm in Vargas triggered multiple debris flows that swept onto the densely populated river deltas below. It is estimated that 30,000 people died.

3 1. Introduzione Le frane superficiali (shallow landslides) sono fenomeni franosi solitamente innescati da piogge intense di breve durata o di media intensità prolungate nel tempo. Generalmente, si manifestano su versanti naturali costituiti da una coltre sottile di suolo (dello spessore variabile da pochi centimetri a un paio di metri) a medio/alta permeabilità, ed un sottostante substrato roccioso/formazione litoide a ridotta conducibilità idraulica. na si infiltra nella coltre di suolo provocando un fra i granuli di terreno) e, conseguentemente, una riduzione della resistenza a taglio del terreno e del coefficiente di sicurezza del versante (il rapporto tra le forze resistenti e le forze che destabilizzano il pendio). Le frane superficiali, per loro natura, risultano difficili da prevedere. A differenze delle frane profonde a cinematismo lento (soggette a mutevoli stati di attività), le frane superficiali non esibiscono segni premonitori di collasso (fig. 1) e si manifestano durante isolati eventi meteorici. Inoltre, una volta innescata, una frana di questo tipo può evolvere in una vera e propria colata di detrito o fango, procedono verso valle a velocità con alto potere distruttivo. In questo senso, emblematici sono i casi dei disastri di Sarno (1998), Messina (2009), Genova (2011) (fig. 2), a testimonianza del fatto che il territorio nazionale. - Nel caso del disastro di Sarno, ad esempio, si ebbero oltre 140 movimenti franosi che originarono circa 40 colate di fango. Complessivamente furono mobilizzati oltre 2 milioni di metri cubi di materiale e furono distrutte 178 case e oltre 450 furono danneggiate. Le vittime furono Il disastro di Messina conta 35 vittime e circa 900 sfollati. Secondo i dati comunicati dalla Protezione Civile, gli eventi franosi (a cui è seguito lo scivolamento a valle di colate di fango e detriti) furono innescati da precipitazioni particolarmente intense con punte, in alcune aree, di 220/230 millimetri di pioggia nell'arco di 3-4 ore ore. In questo caso le vittime furono 12. Figura 1: Meccanismi di rottura per frane profonde a cinematismo lento (in alto), e rapide e impredittibili frane sso

4 Figura 2: Le caratteristiche di cui sopra (assenza di segni premonitori e velocità di propagazione eccezionalmente elevate) rendono le frane superficiali impossibili da monitorare e, per tale motivo, negli ultimi decenni la comunità scientifica ha proposto pioggia, finalizzata alla gestione del territorio e del rischio indotto sulle zone urbanizzate e le vie di comunicazione. I metodi per suddividere il territorio sulla base di diversi livelli di pericolosità sono molti e possono essere ripartiti, sostanzialmente, in due tipologie principali: metodi qualitativi e metodi quantitativi. I primi pervengono a una zonazione della pericolosità (o della suscettibilità) in termini descrittivi, ad esempio attraverso la redazione di inventari delle frane (basati sulla foto-interpretazione ed indagine di campagna, eventualmente geomorfologica (Carrara et al., 1995) e metodi di sovrapposizione di tematismi o fattori ritenuti correl contribuente, uso del suolo). I metodi quantitativi sono invece basati su criteri oggettivi e, quindi, riproducibili. Appartengono a questa categoria i metodi deterministici fisicamente basati, che consentono il calcolo quantitativo di un fattore di sicurezza del versante. Questo approccio accoppia un modello idrologico, per lo studio dei regimi di pressione ello di stabilità del esame. sistemi informativi territoriali (GIS - Geographic Information System) che permettono di digitali del terreno (DTM - Digital Terrain Model) e, in taluni casi, derivanti da rilievi di campo (quali, ad esempio, le caratteristiche fisico-meccaniche ed idrauliche dei suoli, lo quantitativi apparentemente adatti alla determinazione spaziale e (talvolta) temporale delle frane superficiali alla scala di bacino (tra i più noti: SHALSTAB - Montgomery & Dietrich, 1994; SINMAP - Pack et al., 1998; QDSLaM - Borga et al., 2002; TRIGRS - Baum et al., 2008). In questo articolo viene presentato un caso di studio ed una possibile metodologia per la mappatura delle aree suscettibili a fenomeni franosi superficiali su -meccanico CI- Slam (Connectivity Index-based Shallow LAndslide Model) sviluppato da Lanni et al.

5 (2012a) CI-Slam, vengono definite le classi di suscettibilità per fenomeni franosi superficiali in funzione dei tempi di ritorno delle precipitazioni responsabili del collasso. Il caso di studio è rappresentato da tre bacini idrografici situati in Provincia di Trento. Una mappatura di questo tipo può servire come elemento di supporto per gli organi decisionali e di protezione civile ai fini della (a) pianificazione urbanistica del territorio, (b) individuazione delle aree da monitorare e allocazione di uomini e mezzi durante allerte meteo, (c) definizione delle priorità nei riguardi di possibili interventi di mitigazione del pericolo Bacini test e inventario frane L'area di studio è rappresentata da tre bacini situati nella provincia di Trento (fig. 3): il bacino di Pizzano (4.43 km 2 ), il bacino di Fraviano (2.00 km 2 ), ed il bacino di Cortina (1.03 km 2 ). La quota altimetrica nell'area di studio varia tra 1250 e 2830 m s.l.m., con una quota media di 2000 m s.l.m. Figura 3: Area di studio. La mappa mostra la localizzazione geografica dei tre bacini, con indicazione della posizione dei fenomeni franosi Il bacino di Pizzano è quello che si colloca alle quote più elevate. Inoltre, esso è caratterizzato da pendenze generalmente maggiori (pendenza media pari a 30.4 ) rispetto ai bacini di Cortina e Fraviano (pendenza media pari, rispettivamente, a 27.5 e 28 ). La morfologia dei bacini mostra due strutture differenti: una zona sub-pianeggiante nella porzione alta dei bacini, e dei versanti molto acclivi lateralmente ai torrenti nella parte bassa dei bacini. Per quanto riguarda la copertura del suolo, il bacino di Cortina è ricoperto in larga parte da foreste (74,2%) (soprattutto conifere), mentre per i bacini di Fraviano e Pizzano le percentuali di area forestale si assesta attorno al 55%. Le restanti aree sono ricoperte da vegetazione erbacea tipica delle zone di pascolo (8,2% per Cortina e 24% per Fraviano e Pizzano) e substrato roccioso affiorante. Attraverso indagini e rilievi di campo sono state individuate e catalogate le frane che hanno interessato i tre bacini in passato. Tali fenomeni franosi sono il risultato di una serie di eventi meteorici brevi ed

6 del Le frane superficiali sono state riscontrate soprattutto nella porzione bassa del bacino (fig. 3), in corrispondenza di versanti relativamente acclivi. Maggiori specifiche circa la metodologia di rilievo dei dissesti e la loro catalogazione possono essere trovate in Borga et al. (1998, 2002) e Tarolli et al. (2008, 2011). 2.2 Spessore di suolo e relazione con la pendenza Lo spessore di suolo (inteso come la profondità della coltre superficiale sopra il sub-strato roccioso o la formazione litologica a bassa conducibilità idraulica) è una variabile cruciale nelle descrizione dei processi di infiltrazione nei versanti (Tromp Van-Merveeld & McDonnell, 2006). La stima delle spessore di suolo, però, è spesso trascurata nell'applicazione dei modelli per la predizione della suscettibilità al franamento. Generalmente, infatti, si assume che lo spessore della coltre di suolo sia costante su tutto il bacino. La distribuzione spaziale dello spessore di suolo è il risultato dell'interazione di diversi fattori (topografia, clima, processi fisici, biologici e chimici) (si vedana, ad esempio, i lavori di Summerfield, 1997 e Pelletier & Rasmussen, 2009). Ne consegue che lo spessore di suolo risulta altamente variabile nello spazio e di difficile determinazione anche per piccoli bacini (Dietrich et al., 1995). In letteratura si trovano diversi metodi per la determinazione dello spessore di suolo. Ai fini del presente lavoro, la stima dello spessore di suolo si basa sull'utilizzo di un approccio statistico. Tale approccio sfrutta le informazioni derivanti da misure dirette dello spessore della coltre di suolo (circa 410 misure), effettuate durante rilievi di campo condotti nell'autunno del Tali misure hanno permesso di derivare la seguente relazione tra lo spessore di suolo, L, e la pendenza locale, : x, y tan L (1) (al di sopra dei 2000 m s.l.m.). I siti caratterizzati da pendenze locali superiori a queste soglie risultano generalmente caratterizzati da substrato roccioso affiorante (assenza di copertura di suolo) o spessore della coltre di suolo estremamente sottile e/o discontinua. 3. Brevi cenni al modello CI-Slam Il modello CI-Slam per il calcolo delle dinamiche temporali e la variabilità spaziale delle pressioni interstiziali ltre di suolo e il sub-strato roccioso durante coefficiente di sicurezza FS nel tempo e nello spazio, e (c) un modello intensità-duratafrequenza per la definizione del tempo di ritorno T R delle precipitazioni che di studio. Di seguito vengono brevemente descritti le tre componenti di CI-Slam. Per maggiori specifiche, si rimanda a Lanni et al. (2012). 3.1 Il modello idrologico Il modello CI-Slam si basa sul seguente schema concettuale per le dinamiche dei campi di pressione interstiziale che si instaurano -strato roccioso durante eventi di pioggia (fig. 4):

7 a) condizioni di parziale saturazione. Diversi ricercatori (McNamara et al., 2005; ; Lanni et al., 2012b nella direzione perpendicolare al versante; b) Quando il fronte liquido di infiltrazione raggiunge lo strato a ridotta conducibilità corrispondenza di tale strato i valori di pressione interstiziale aumentano e si forma una zona di terreno saturo; c) versante, per via del repentino incremento della conducibilità idraulica quando il contenuto Weyman, 1973; Weiler et al., 2005); d) Il generico punto (x,y) del versante riceve acqua da monte se esso diventa et al., 2012b). piovana nella coltre di suolo. Il modello idrologico di CI-Slam interstiziale in ogni punto del dominio di calcolo b x, y, t. Per maggiori specifiche circa le equazioni implementate nel modello idrologico (che si rifanno al modello concettuale precedentemente illustrato) si rimanda a Lanni et al. (2012a). 3.2 Il modello geotecnico Il coefficiente di sicurezza di un versante è calcolato come rapporto tra le forze resistenti, F r, e le forze destabilizzanti, F d : F F r FS (2) d Il versante è stabile se FS>1, mentre condizioni di collasso si verificano quando le forze destabilizzanti eguagliano le forze resistenti (FS= 1). In forma estesa, la formula del pendio indefinito per il calcolo di FS per condizioni di suolo saturo/parzialmente saturo è la seguente:

8 ' ' 2 c tan w b ' FS Se b tan cot tan per b 0 L sin 2 tan L (3a) ' ' 2 c tan w b ' FS tan cot tan per b 0 (3b) L sin 2 tan L dove c ' [FL -2 ] è la coesione efficave del materiale, angolo di attrito efficace; w and [FL -3 ] sono, rispettivamente, il peso per unità di volume di acqua e suolo; Se [-]= grado di saturazione relativo; b [L] è la pressione interstiziale in corrispondenza della superficie di rotture. Il valore di b è fornita dal modello idrologico descritto nel precedente paragrafo. 3.3 Relazione intensità-durata-frequenza (IDF) caratterizzante eventi meteorici estremi La variabilità dell'intensità con la durata della precipitazione per una specificata frequenza di accadimento è espressa con la relazione Intensità-Durata-Frequenza (IDF) proposta da Koutsoyiannis et al. (1998): ' I F ( d) F d mf 1 (4) dove I F (d) -F). F e m F sono parametri stimati con il metodo della regressione ai minimi quadrati nel grafico I F (d)-durata di pioggia d. Utilizzando il metodo di Gumbel è possibile determinare il valore di I F (d) attraverso la seguente relazione: I F CV 6 ( d) 11 m1 y d T R (5) dove è la costante di Eulero (~0.5772), 1 e m possono essere stimati attraverso una regressione lineare sul grafico (logaritmico) cumulata di pioggia-durata di precipitazione, mentre CV è il coefficiente di variazione. y TR è dato da: yt R TR ln ln TR 1 (6) dove T R [T] è il periodo di ritorno. Combinando la (5) e la (6 T R in funzione di intensità e durata di pioggia: d I expexp 1 F 1 m1 CV 6 d T R (7) I expexp 1 F d 1 1 m1 CV 6 d

9 4. Applicazione del modello 4.1 Parametri di input CI-Slam è stato applicato sui bacini di studio utilizzando i parametri meccanici ed idraulici dei terreni riportati in tab. 1. Il dominio geometrico è costituito da un DTM a risoluzione 10 m. Le proprietà dei suoli sono identiche per i tre bacini, attesa la relativa omogeneità dei terreni nell'area di studio. Il modello necessita di una condizione iniziale rappresentata dal grado di umidità dei suoli prima dell'evento meteorico. Per assegnare detta condizione iniziale, sono state considerati i tassi di evapotraspirazione tipici della zona (3 mm/giorno) ipotizzando un periodo di inter-storm due eventi di pioggia) pari a 10 giorni. I parametri della relazione IDF sono stati stimati utilizzando la procedura proposta da Borga et al. (2005). I valori ottenuti sono i seguenti: CV=0.42, m=0.48, 1 =13.7 mmh. Tabella 1: Parametri meccanici ed idraulici dei terreni Parametro del terreno Unità di misura Valore Rapporto densità ( s/ w) [-] 1.8 sat [-] 0.3 r [-] 0.05 van Genuchten m n van Genuchten [-] 4.42 Conducibilità idraulica satura K sat ms Angolo di attrito efficace 38 kpa Metodologia applicata Per la definizione della carta della suscettibilità area di studio è stato applicata la seguente metodologia: 1) Per ogni punto del dominio di calcolo sono stati determinati i valori di durata critica, d c, delle precipitazioni che destabilizzano il versante (FS= 1). Tali precipitazioni sono caratterizzate da differenti valori dell'intensità di pioggia I (nello specifico, sono stati simulati 12 eventi, con valori di I variabile tra 5 mmh e 60 mmh con step di 5 mmh operazione è stata condotta attraverso il modello idrologico-geotecnico di CI-Slam di d e ponendo FS= 1. Ciò ha consentito di determinare 12 diversi valori delle coppie (I,d c ) per ogni punto dell'area di studio: (I,d c ) 5mm/h, (I,d c ) 10mm/h,..., (I,d c ) 60mm/h ; 2) Note le caratteristiche delle precipitazioni critiche (I,d c ), per tali precipitazioni sono stati determinati i valori del tempo di ritorno T R. Questa operazione è stata effettu CI-Slam, ed ha restituito, per ogni punto dell'area di studio, 12 valori di T R : T R 5mm/h, T R 10mm/h,..., T R 60mm/h ;

10 3) Per ogni sito è stato selezionato il valore più basso di T R. I valori minimi di T R forniscono una rappresentazione (sotto forma di mappa) della suscettibilità del territorio a fenomeni franosi superficiali. 5. Risultati La metodologia descritta nel precedente paragrafo fornisce la mappa di suscettibilità per fenomeni franosi superficiali riportata in fig. 5. In tale mappa è evidenziata anche la posizione delle frane superficiali rilievate in sito. I criteri per la definizione della suscettibilità si basano sui valori del tempo di ritorno T R : valori elevati di T R indicano media (T R = anni) o bassa (T R > 100 anni) suscettibilità, valori bassi di T R indicano suscettibilità alta (T R = 1030 anni) o molto alta (T R <10 anni). Un livello di suscettibilità "molto basso" è stato assegnato ai punti "incondizionatamente stabili" (ovvero quei punti che non raggiungono condizioni di instabilità). Figura 5: Patterns del tempo di ritorno T R (anni) delle precipitazioni critiche che generano instabilità (FS=1) ottenuti dall'applicazione di CI-Slam. Tabella 2: % di bacino (B) e frane inventariate (F) ricadenti nei range di tempo di ritorno T R calcolati con CI-Slam T R Livello Pizzano Fraviano Cortina Suscettibilità B F B F B F Anni Categoria % % % % % % 0-10 Molto Alta Alta Media >100 Bassa Incond. stable Molto bassa

11 In tab. 2 sono riassunte le prestazioni del modello. Una buona performance del modello si ottiene quando: (a) le frane rilevate in campo ricadono nelle zone classificate dal modello come ad "alta" o "molto alta" suscettibilità (il modello riproduce correttamente la posizione delle frane rilevate in campo), e (b) la percentuali di bacino classificata ad "alta" o "molto alta" suscettibilità risulta essere relativamente contenuta (per evitare di avere una "overprediction" dei siti propensi all'instabilità). Per il bacino di Pizzano, ad esempio, la percentuale di bacino classificata a suscettibilità "molto alta" (T R = 010 anni) è pari all'1.8%, e la percentuale di frane che ricade 'altra parte, la percentuale di bacino identificata come poco suscettibile a fenomeni di innesco di frane (T R > 100 anni) risulta maggiore del 40% con, all'interno, solo l'1.1% delle frane inventariate. La metodologia ed il modello applicati mostrano dunque buone performance nel riprodurre i fenomeni franosi realmente avvenuti, a fronte di errori predittivi di entità contenuta. I risultati per i bacini di Fraviano e Cortina (che mostrano performance anche migliori rispetto al caso di Pizzano) confermano la bontà del metodo. 6. Sommario e conclusioni In questo lavoro è stata presentata una possibile metodologia per la definizione di mappe di suscettibilità nei riguardi di fenomeni franosi superficiali. La metodologia si -basato CI-Slam e consente di individuare, per zione critica che produce condizioni di collasso. Il tempo di ritorno può rappresentare un surrogato per la propensione del territorio allo sviluppo di frane superficiali indotte da eventi meteorici estremi (alto tempo di ritorno= bassa propensione, basso tempo di ritorno= alta propensione). Le mappe di suscettibilità che derivano da una tale metodologia si prestano quali utili strumenti di supporto per gli organi di protezione civile addetti al controllo e alla gestione del territorio. In termini di pianificazione urbanistica, la capacità di CI-Slam di lavorare su vaste aree e, allo stesso tempo, di delimitare processi franosi localizzati permette di pianificare lo sviluppo economico anche in zone alpine e appenniniche caratterizzate da situazioni geomorfologiche particolarmente complesse.

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