STIMA DELL'EROSIONE IDRICA PARCELLARE IN DUE SITI SPERIMENTALI ITALIANI

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. STIMA DELL'EROSIONE IDRICA PARCELLARE IN DUE SITI SPERIMENTALI ITALIANI V. Bagarello 1, V. Ferro 1, G. Giordano 1, F. Mannochi 2, F. Todisco 2 (1) Dipartimento dei Sistemi Agro-Ambientali, Facoltà di Agraria, Università degli Studi di Palermo, Viale delle Scienze, Palermo, Italy (2) Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale, Facoltà di Agraria, Università degli Studi di Perugia, Via G. Duranti 93, Perugia, Italy SOMMARIO Gli studi più avanzati sul processo dell'erosione idrica riconoscono che il deflusso superficiale è un fattore indipendente di primaria importanza per la previsione del fenomeno, ma i modelli di stima che utilizzano il deflusso misurato devono essere ulteriormente verificati. Nel lavoro è stata sviluppata una procedura di stima della perdita di suolo alla scansione del singolo evento, usando le misure acquisite sulle parcelle nude realizzate alle stazioni sperimentali di Masse in Umbria e Sparacia in Sicilia. Entrambi i suoli hanno un basso contenuto di sabbia (5-7%) ma il suolo di Masse presenta un contenuto di limo (59%) apprezzabilmente più elevato di quello di Sparacia (33%). Il modello USLE-MM, originariamente sviluppato a Sparacia, ha fornito stime di perdita di suolo soddisfacenti in entrambe le località, a conferma dell importanza del deflusso per la stima dell erosione parcellare alla scansione del singolo evento e dell interesse applicativo dello schema proposto. L indagine ha altresì evidenziato che le caratteristiche del suolo hanno un maggiore effetto sull erosione quando l'evento presenta un attitudine erosiva relativamente modesta. Parole chiave: erosione idrica; previsione della perdita di suolo; modelli empirici; USLE-MM 1 INTRODUZIONE Gli studi più avanzati sul processo dell'erosione idrica alla scansione del singolo evento riconoscono che il deflusso superficiale è un fattore indipendente di primaria importanza nella modellazione del fenomeno (Kinnell & Risse, 1998). La perdita di suolo, A e (M L -2 ), relativa al singolo evento erosivo è data, infatti, dal prodotto del deflusso superficiale, V e (L 3 L -2 ), per la sua concentrazione di sedimenti, C e (M L -3 ). Poiché, secondo Kinnell (1997), C e dipende dal rapporto tra l indice di aggressività della USLE/RUSLE, EI 30 (Wischmeier & Smith, 1978; Renard et al., 1997), e l altezza di pioggia complessiva, P e, la stima di A e può essere effettuata con il cosiddetto modello USLE-M, in cui l indice di erosività è pari al prodotto tra EI 30 e il coefficiente di deflusso dell evento, Q R (Kinnell & Risse, 1998; Kinnell, 2007, 2010). Per la stazione

2 V. Bagarello, V. Ferro, G. Giordano, F. Mannochi, F. Todisco sperimentale di Sparacia, in Sicilia, Bagarello et al. (2010) hanno proposto il modello USLE-MM, nel quale il prodotto Q R EI 30 è elevato a un esponente maggiore dell unità: in cui A eup = A e /LS, è la perdita di suolo normalizzata, LS è il fattore topografico calcolato in accordo con Nearing (1997) e Renard et al. (1997), e b 1 e c 1 sono coefficienti empirici. Nelle verifiche condotte, la USLE-M e la USLE-MM hanno fornito previsioni di perdita di suolo apprezzabilmente più accurate di quelle ottenute con la USLE (Kinnell & Risse, 1998; Bagarello et al., 2008, 2010). I nuovi modelli messi a punto non possono essere tuttavia ritenuti alternativi alla USLE, principalmente per due ragioni: i) la stima di A e presuppone, in pratica, il ricorso a una metodologia di valutazione del deflusso superficiale (Kinnell & Risse, 2000; Nearing, 2000) e ii) le verifiche di applicabilità dei modelli proposti sono ancora parziali. Con riferimento a quest ultimo aspetto, la USLE-MM è stata recentemente verificata, con esiti incoraggianti, alla stazione sperimentale di Masse, dell'università di Perugia (Bagarello et al., 2011), realizzata su un suolo più erodibile di quello di Sparacia. L indagine ha altresì evidenziato che l effetto del tipo di suolo sull erosione parcellare si attenua nel caso di eventi particolarmente erosivi. I risultati ottenuti necessitano ovviamente di ulteriori conferme, anche per le stesse stazioni di Masse e Sparacia, in considerazione dell estrema complessità dei processi di erosione idrica. Uno schema interpretativo del fenomeno erosivo di valenza generale non si modifica infatti a seguito del progressivo aggiornamento del campione di misure di deflusso e di perdita di suolo disponibili. L obiettivo della presente indagine è stato quello di verificare l applicabilità della USLE-MM alle stazioni di Masse e Sparacia, usando anche le misure di deflusso e di erosione più recenti. Inoltre, si è stabilito un confronto tra le due località al fine di verificare l effetto delle caratteristiche climatiche e pedologiche sulle relazioni messe a punto. (1) 2 MATERIALI E METODI La stazione sperimentale di Sparacia del Dipartimento dei Sistemi Agro-Ambientali dell Università di Palermo, attiva, per la misura contemporanea del deflusso e dell erosione, dal 2002, include parcelle sperimentali di diversa lunghezza, λ (λ=11, 22, 33 e 44 m), e larghezza, w (w = 2, 4 e 8 m), inclinate del 14.9% (Tab. 1). La stazione sperimentale di Masse del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale dell Università di Perugia, realizzata nel 2007, include parcelle sperimentali lunghe 11 e 22 m, larghe 2, 4 e 8 m e con una pendenza del 16% (Tab. 1). Il suolo ha un basso contenuto di sabbia in entrambe le stazioni (5-7%); a Masse prevale la frazione limosa (59%) mentre a Sparacia è quella argillosa (62%). Le parcelle sperimentali sono mantenute nude e lavorate periodicamente a rittochino. Per ogni evento erosivo, vengono effettuate simultaneamente misure di perdita di suolo, A e (t ha -1 ) e di deflusso superficiale, V e (mm), e vengono rilevate le caratteristiche della precipitazione (Tab. 1)

3 Stima dell'erosione idrica parcellare in due siti sperimentali Italiani Tabella 1. Caratteristiche salienti delle due stazioni e dei dati di pioggia, deflusso e perdita di suolo (s, pendenza; λ, lunghezza della parcella; N ev, numero di eventi erosivi; N s, numero di coppie perdita di suolo-deflusso; P e, altezza di pioggia dell'evento; EI 30, indice di aggressività della pioggia; V e, deflusso; A e, perdita di suolo; CV, coefficiente di variazione). In entrambe le stazioni, la misura della perdita di suolo parcellare presuppone l intercettazione del deflusso superficiale, il suo accumulo in vasche di sedimentazione e la stima del valore medio della concentrazione di sedimenti mediante la curva di calibrazione del sistema (Bagarello et al., 2004; Todisco et al. 2011). Per ogni evento, vengono determinati l altezza totale di pioggia, P e (mm), e l'indice di aggressività dell evento, EI 30 (MJ mm h -1 ha -1 ) (Wischmeier & Smith, 1978). Nell indagine di Bagarello et al. (2011), sono state utilizzate 200 coppie di valori A e, Q R EI 30 per Masse e 316 per Sparacia. In questa indagine, le dimensioni campionarie sono risultate rispettivamente pari a 277 e 353. Tutte le analisi statistiche sono state effettuate a un livello di probabilità, P = RISULTATI Nella prima fase dell indagine è stata verificata l applicabilità della USLE-MM nelle due stazioni di misura. In entrambi i casi, l adattamento della (1) ai rilievi sperimentali ha fornito valori del coefficiente di correlazione, R, elevati e significativamente maggiori di zero, evidenziando che l incremento della dimensione campionaria non ha pregiudicato il rilievo di una relazione statisticamente significativa tra A eup e Q R EI 30 (Fig. 1). Un test F ha inoltre dimostrato che l'incremento di devianza residua dovuto all interpolazione del complesso di misure (Masse e Sparacia) con un modello unico (b 1 e c 1 non dipendenti dalla stazione) è statisticamente significativo. L'ipotesi di coincidenza dei due modelli è quindi risultata inaccettabile. Anche l'ipotesi di parallelismo è stata rigettata. Il confronto tra le coppie di misure (A eup, Q R EI 30 ) ricavate nelle due stazioni ha evidenziato una sovrapposizione dei dati limitatamente ai valori più elevati di Q R EI 30. Nel caso di eventi poco erosivi, i valori di A eup sono risultati, per fissato indice di erosività, tendenzialmente maggiori a Masse rispetto a Sparacia. Il valore di Q R EI 30 discriminante gli eventi molto erosivi da quelli poco erosivi può essere posto pari a 6 MJ mm ha -1 h -1, come già suggerito da Bagarello et al. (2011). La mediana di EI 30 calcolata per gli eventi molto erosivi (Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1 ) è risultata più elevata di quella corrispondente agli eventi poco erosivi di un fattore compreso tra 1.9 e 5.1, a seconda della stazione. Un risultato qualitativamente simile è stato ottenuto anche per Q R, con un rapporto tra le mediane pari, in questo caso, a Pertanto, nel

4 V. Bagarello, V. Ferro, G. Giordano, F. Mannochi, F. Todisco passaggio da un evento poco erosivo a uno molto erosivo sono aumentati entrambi i termini del prodotto Q R EI 30, ma l incremento è risultato maggiore per il primo che per il secondo dei due fattori. Figura 1. Relazione tra la perdita di suolo unitaria, A eup, e Q R EI 30 (coefficiente di deflusso, Q R indice di aggressività della pioggia, EI 30 ) per le stazioni di Masse e Sparacia Figura 2. Relazione tra la perdita di suolo unitaria, A eup, e Q R EI 30 (coefficiente di deflusso Q R indice di aggressività della pioggia, EI 30 ) per le stazioni di Masse e Sparacia e per Q R EI 30 < 6 MJ mm ha -1 h -1 e Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1 Sulla base della discriminazione operata, sono stati stimati i coefficienti della (1) per le due stazioni, considerando separatamente gli eventi poco erosivi (Q R EI 30 < 6 MJ mm ha -1 h -1 ) e quelli molto erosivi (Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1 ). Tutti i coefficienti di determinazione, R 2, sono risultati statisticamente significativi (Fig. 2). L analisi dei risultati ha indotto inoltre a non rigettare l ipotesi di parallelismo delle due rette di Fig. 2 per Q R EI 30 < 6 MJ mm ha -1 h -1 e quella di coincidenza per quanto riguarda le due rette ricavate per gli eventi molto erosivi. Pertanto, sono stati ricalcolati i parametri della (1) imponendo per Q R EI 30 < 6 MJ mm ha -1 h -1 l unicità dell esponente nelle due stazioni e fissando l invarianza di entrambi i coefficienti nei due siti sperimentali per Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1. In particolare, per gli eventi poco erosivi si è ottenuto (Fig. 3):

5 Stima dell'erosione idrica parcellare in due siti sperimentali Italiani Sparacia (2a) Masse (2b) mentre, nel caso di erosività elevate, il modello messo a punto si scrive: (3) Figura 3. Relazioni tra la perdita di suolo unitaria, A eup, e Q R EI 30 (coefficiente di deflusso Q R indice di aggressività della pioggia, EI 30 ) per Q R EI 30 < 6 MJ mm ha -1 h -1 (unico esponente e valori diversi del fattore scale per Masse e Sparacia) e Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1 (modello unico per le due stazioni) I valori di R 2, pari rispettivamente a 0.50, 0.60 e 0.42, sono risultati statisticamente significativi. Tenuto conto che i fattori di scala delle eqq.(2) (0.028 e 0.113) e (3) (0.041) rappresentano, nello schema USLE-MM, l erodibilità del suolo, l analisi ha suggerito che gli effetti del tipo di suolo sull erosione idrica sono risultati più rilevanti nel caso di eventi poco erosivi che in condizioni di elevata erosività. In particolare, nel primo caso, il suolo di Masse è risultato più erodibile di quello di Sparacia. L erodibilità dei due suoli ha assunto il medesimo valore in condizioni di elevata erosività. Un indice di erosività che include EI 30 e Q R consente ragionevolmente di tenere conto sia del distacco dovuto principalmente alla pioggia che del trasporto operato dal deflusso. Un erosività elevata è indicativa di un evento che mostra una notevole attitudine sia al distacco che al trasporto, per cui il processo erosivo risulta poco dipendente dalle caratteristiche del mezzo erodibile. Queste ultime peculiarità svolgono un ruolo significativo nei riguardi della perdita di suolo nel caso di eventi con una capacità di distacco e/o di trasporto limitata. In questa indagine, l erosione è risultata maggiore a Masse che a Sparacia in quanto i due suoli, che hanno pressappoco lo stesso contenuto di particelle grossolane, si differenziano con riferimento alle frazioni limosa e argillosa, per cui il suolo più erodibile è quello, in effetti, maggiormente eroso. Nell indagine di Bagarello et al. (2011), i valori di b 1 corrispondenti alle eqq.(2a),

6 V. Bagarello, V. Ferro, G. Giordano, F. Mannochi, F. Todisco (2b) e (3) sono risultati rispettivamente pari a 0.030, e mentre, per c 1, si è ottenuto 1.34 e Pertanto, l utilizzazione di un maggior numero di misure ha determinato soltanto qualche cambiamento nei coefficienti di taratura del modello. Sono rimasti immutati gli aspetti salienti dell analisi e, cioè, la verifica dell applicabilità della USLE-MM, la differenziazione tra eventi poco erosivi e quelli di elevata erosività, l unicità dell esponente o del modello, a seconda dell erosività. Per pervenire a una calibrazione ancora più rappresentativa del modello, è probabilmente necessario integrare il database di Masse con eventi molto erosivi (Q R EI 30 > 100 MJ mm ha -1 h -1 ), finora campionati esclusivamente alla stazione di Sparacia. Nelle eqq.(2) e (3), i valori di c 1 sono risultati pressappoco coincidenti. Appare pertanto ragionevole ipotizzare che sviluppi ulteriori del modello possano basarsi su un indice di erosività unico, indipendentemente cioè dal valore assunto da Q R EI 30, e su un fattore di erodibilità che varia con continuità al variare del suddetto prodotto, in modo da consentire previsioni di perdita di suolo monotonicamente crescenti al crescere dell erosività. 4 CONCLUSIONI L indagine, basata su 630 coppie di misure contemporanee di deflusso e di erosione effettuate alle stazioni sperimentali di Masse e Sparacia, ha in primo luogo confermato l applicabilità della USLE-MM per la stima della perdita di suolo parcellare alla scansione dell evento. Questo risultato è indicativo della adeguatezza dell indice di erosività proposto a descrivere sia il processo di distacco che quello di trasporto delle particelle di suolo. Il modello messo a punto risulta unico per due stazioni nel caso di erosività elevate (Q R EI 30 > 6 MJ mm ha -1 h -1 ). L erodibilità è più elevata a Masse che a Sparacia per bassi valori di Q R EI 30. In altri termini, l effetto del tipo di suolo sull erosione parcellare si è attenuato al crescere dell attitudine dell evento erosivo a determinare processi di distacco e di trasporto. Ulteriori indagini, che dovranno anche includere diverse tipologie di suolo, potranno fornire indicazioni sull unicità dell indice di erosività nell intero campo dei possibili valori di Q R EI 30 e renderanno possibile la deduzione di metodologie di stima del coefficiente di deflusso parcellare e del fattore di erodibilità del suolo. BIBLIOGRAFIA Bagarello V, Di Piazza GV, Ferro V Manual sampling and tank size effects on the calibration curve of plot sediment storage tanks. Transactions of the American Society of Agricultural Engineering 47: Bagarello V, Di Piazza GV, Ferro V, Giordano G Predicting unit plot soil loss in Sicily, south Italy. Hydrological Processes 22: , doi: /hyp Bagarello V, Ferro V, Giordano G Testing alternative erosivity indices to predict event soil loss from bare plots in Southern Italy. Hydrological Processes 24: , doi: /hyp Bagarello V., Ferro V., Giordano G., Mannocchi F., Todisco F., Vergni L Predicting event soil loss from bare plots at two Italian sites. Proposto per la pubblicazione a Hydrological Process. Kinnell PIA Runoff ratio as a factor in the empirical modeling of soil erosion by individual rainstorms. Australian Journal of Soil Research 35: 1-13.

7 Stima dell'erosione idrica parcellare in due siti sperimentali Italiani Kinnell PIA Runoff dependent erosivity and slope length factors suitable for modeling annual erosion using the Universal Soil Loss Equation. Hydrological Processes 21: Kinnell PIA Event soil loss, runoff and the Universal Soil Loss Equation family of models: A review. Journal of Hydrology 385: Kinnell PIA, Risse LM USLE-M: Empirical modeling rainfall erosion through runoff and sediment concentration. Soil Science Society of America Journal 62: Kinnell PIA, Risse LM Reply to Comments on USLE-M: Empirical modeling rainfall erosion through runoff and sediment concentration. Soil Science Society of America Journal 64: Nearing MA A single continuous function for slope steepness influence on soil loss. Soil Science Society of America Journal 61: Nearing MA Comments on USLE-M: Empirical modeling rainfall erosion through runoff and sediment concentration. Soil Science Society of America Journal 64: Renard KG, Foster GR, Weesies GA, McCool DK, Yoder DC Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). USDA Agriculture Handbook, USDA: Blacksburg, VA; 703. Soil Survey Staff Keys to Soil Taxonomy. 10th edn, USDA-Natural Resources Conservation Service, Washington, DC. Todisco F., Vegni L., Mannocchi F., Bomba C Calibration of the soil loss measurement method at the Masse experimental station. CATENA, in Press (accepted 06 February 2011) Wischmeier WH, Smith DD Predicting rainfall erosion losses. A guide to conservation planning. US Dept. Agric. Agricultural Handbook, USDA: Blacksburg, VA; 537.