Facoltà di Agraria Di.Pro.Ve. Modellizzazione dell erosione

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1 Facoltà di Agraria Di.Pro.Ve. Modellizzazione dell erosione

2 Generalità Un modello matematico di simulazione è un insieme di relazioni funzionali che descrivono formalmente il comportamento di un sistema dinamico. Il sistema fisico viene: - Sintetizzato - Analizzato La validità dell analisi dipende dalla capacità del modello stesso di rappresentare correttamente le relazioni tra le differenti componenti del sistema reale. Affinchè di un modello di simulazione venga fatto un corretto uso, bisogna sempre tener conto che alla base c è un processo di semplificazione e, quindi, delle limitazioni d uso insite nel modello stesso e delle necessità di utilizzare input il più possibile di qualità.

3 Generalità Per quanto riguarda il processo erosivo, i modelli di simulazione vengono usati: Per stimare l erosione del suolo in relazione a una combinazione già esistente di fattori (uso del suolo, tipo di suolo e morfologia, condizioni meteorologiche). Per valutare a livello complessivo l impatto ambientale di un intervento attraverso la stima degli effetti dell erosione e sedimentazione. Per pianificare le misure di conservazione da adottare (pianificazione territoriale).

4 Tipi di Modelli Empirici Empirical Models Concettuali o misti Conceptual Models Fisici Physics-based Models Si basano esclusivamente su dati provenienti da osservazioni di campo su parcelle standard. Stima approssimativa della perdita annua di suolo. Limite si applicabilità al di fuori delle condizioni per cui sono stati sviluppati. Inadatti a studiare il processo nel suo sviluppo dinamico. Tengono conto delle leggi di conservazione della massa e dell energia. Sono in grado di dare una descrizione della variazione spaziale dell erosione e della contemporanea sedimentazione. Utilizzando ancora nella descrizione del processo dati empirici si presentano con una impalcatura teorica troppo debole. Si pongono come obiettivo quello di riprodurre i meccanismi erosivi. Considerano tutti i principali fattori che influenzano il processo, la loro variabilità spaziale e temporale e le interazioni esistenti tra i sottoprocessi che generano il processo nel suo complesso. Si basano su un modello idrologico e su un sistema di equazioni che schematizzano l evoluzione dei singoli processi. Forniscono una simulazione distrubuita nel tempo e nello spazio indipendentemente dalle condizioni nelle quali sono stati calibrati.

5 Scala spaziale PRIMO ASPETTO da affrontare per la stima dell erosione per un modello matematico: definire la SCALA SPAZIALE del processo in studio. I modelli possono fondarsi su misure condotte a livello di : scala parcellare (plot size scale, superficie minore di 1 ha) es.usle Aumento della variabilità spaziale scala di versante o piccolo bacino (field size scale, fino a ha) es. EUROSEM scala di bacino (basin size scale, superficie maggiore di 1000 ha) es. WEPP Aumento campo di validità dei parametri in input

6 Scala Temporale SECONDO ASPETTO da affrontare per la stima dell erosione per un modello matematico risoluzione temporale adottata dal modello di previsione I modelli posso richiedere i dati in input a : scala di singolo evento (es. EUROSEM, WEPP) fino a media pluriennale (es. USLE) Aumento del dettaglio informazione richiesta Aumento dettaglio output prodotto

7 Richiesta dati dei modelli Empirici (Empirical Models) Fisici (Physics-based Models) Precipitazioni mensili Precipitazioni giornaliere Dettaglio dell evento Conoscenza di suolo, vegetazione e pratiche di gestione crescente

8 Risultati prodotti dai modelli Empirici (Empirical Models) Fisici (Physics-based Models) Scala Regionale Bacino (fino ha) Singolo Appezzamento Conoscenza di suolo, vegetazione e pratiche di gestione crescente

9 Esempio di Physics based model: EUROSEM (Morgan, 1998)

10 EUROSEM Modello a base fisica orientato a: Singolo evento Scala di bacino (dalla parcella a ha) Base fisica molto sviluppata Elevato dettaglio in tutti i processi Corredato da dati di default per le principali tipologie di suolo e vegetazione.

11 Utilizzazione di EUROSEM Usabile per: Analisi climatica per la valutazione di eventi significativi e per predizioni a scala annuale e poliennale Simulazione di alternative di gestione e di eventuali interventi tecnici Occorre: rappresentazione della superficie del suolo in piani e canali Definizione dell evento di pioggia Definizione dei parametri generali di calcolo Parametrizzazione dei singoli elementi Suolo Vegetazione

12 Schema Generale Pioggia Direttamente al suolo Throughfall Intercettata dalla vegetazione Vegetation Storage (temporaneo) Dalle foglie al suolo (Leaf drainage) Scorrimento lungo i flusti (Stemflow) Energia cinetica per splash Pioggia netta

13 Schema Generale Pioggia netta Energia cinetica per splash Infiltrazione Flusso - Onda cinematica Altezza lama d acqua Capacità di trasporto del flusso Distacco dovuto al flusso Erosione Idrica Splash erosion Trasporto / Deposizione Condizioni della superficie del suolo: effetto su distaccamento dovuto al flusso idrico, storage superficiale, trasporto e deposizione dei sedimenti

14 Intercettazione Le precipitazioni, fornite al modello come altezza di pioggia, R (mm), per ogni singolo time step durante l evento, sono suddivise in: o o piogge che arrivano direttamente al suolo; piogge che vengono intercettate dalla vegetazione (IC, mm). Quest ultime sono calcolate in base all equazione: IC = R * COV In cui COV (-) è la frazione della superficie coperta dalla vegetazione.

15 Intercettazione La pioggia intercettata dalla vegetazione è immagazzinata o sulle foglie o sui fusti Anche se l altezza della pioggia intercettata ed immagazzinata può essere trascurabile rispetto al totale, si tratta di un parametro di importante definizione per il meccanismo di splash erosion. L altezza della pioggia intercettata ed immagazzinata (IC store, mm) è definita come: IC store = IC max [1 exp (R cum / IC max )] Dove IC max (mm) è la massima altezza della pioggia immagazzinata dalla copertura vegetale.

16 Intercettazione La pioggia che è intercettata dalla vegetazione e non va a far parte dello storage, è definita come Temporal Intercepted Throughfall (TIF, mm). IC - ICstore= Temporarily Intercepted Throughfall Questa raggiungerà la superficie del suolo: - cadendo dalle foglie (Leaf drainage, LD) o - scorrendo lungo i fusti (Stemflow, SF). Il calcolo di quest ultimo è basato sulla capacità di immagazzinamento idrico delle foglie (TIF, Temporal Intercepted Throughfall, mm) e dell'angolo di inserzione delle foglie stesse sul fusto (PA, gradi). Quindi SF = 0.5 TIF (cos PA sin 2 PA) (caso prato) SF = 0.5 TIF (cos PA) (altre colture) dove PA è l angolo di inserzione delle foglie rispetto al fusto. TIF è Temporarily Intercepted Throughfall. Leaf drainage = TIF - Stemflow

17 Infiltrazione L infiltrazione è modellizzata usando l equazione (Smith and Parlange, 1978) e dipende da: Ks, umidità iniziale (θ ini ), umidità alla saturazione (θ sat ), tensione al fronte di inumidimento (G): f c K s exp( F/ B) exp( F/ B) 1 dove: f c è il tasso di infiltrazione (mm min -1 ) B = G (θ sat θ ini ) F = quantità d acqua già infiltrata nel terreno K s = conducibilità idraulica satura (mm min -1 )

18 Infiltrazione Il processo di infiltrazione comprende tre stadi: 1) Inizialmente l infiltrazione è funzione dell intensità di pioggia f(t) = r(t) 2) L infiltrazione è pari alla capacità massima di infiltrazione f(t) = Fp A questo punto l infiltrazione segue l equazione di Smith e Parlange. fc 3) L intensità di pioggia scende al di sotto della capacità di infiltrazione Ks. r(t) < Ks Entrano in gioco i rilievi microtopografici attraverso un fattore RECS che descrive la rugosità della superficie e rappresenta, concettualmente, l altezza media del runoff quando la superficie è interamente coperta d acqua. (1) (2) (f c ) (3)

19 Immagazzinamento in superficie Si verifica quando si ha una riduzione delle superfici bagnate. Quando I intensità di pioggia scende al di sotto della capacità di infiltrazione, emergono i rilievi microtopografici.

20 Infiltrazione Effetto Scheletro 1) Presenza dello scheletro: riduce la porosità totale B roc = B(1-ROC) dove ROC è la % di scheletro. 2) Posizione dello scheletro rispetto alla superficie: influenza la conducibilità idraulica. Ks roc = K s (1±PAVE) - PAVE scheletro è inglobato nel suolo (riduce porosità) + PAVE scheletro è posizionato sulla superficie (protegge la struttura) dove PAVE è la frazione di area superficiale coperta da scheletro.

21 Infiltrazione Effetto vegetazione Le aree basali dei fusti riducono l infiltrazione: 1 K sveg K s 1 PBASE dove K sveg è la conducibilità idraulica satura con la vegetazione. PBASE è l area totale occupata dalla base dei fusti.

22 Runoff Quando l intensità della precipitazione netta supera la capacità di infiltrazione e l immagazzinamento in superficie è soddisfatto, l eccesso idrico genera lo scorrimento superficiale (runoff). Per poter simulare il runoff il modello prevede la separazione dell area di studio in piani (interill) e canali (rill).

23 Trasformazione della superficie in piani e canali

24 Geometria: Interill e Rill Dati richiesti in input per i piani (interill): Area (lunghezza x larghezza) Pendenza del piano Dati richiesti in input per i canali (rill) (sezione trapezoidale): Lunghezza e larghezza (= 0) Larghezza della base del canale Pendenza della sponda sinistra e destra del canale.

25 Runoff Il runoff nei piani e canali è modellizzato come una lamina d acqua superficiale mono-dimensionale, la cui portata (Q) è funzione del raggio idraulico (r). Q = u A = α p r m Essendo r = A/p u = flusso m = 5/3 α = (s) 0.5/n n = numero di Manning

26 Numero di Manning

27 Erosione Splash Erosion Il distacco di suolo causato dall effetto Splash è funzione dell energia cinetica che viene separata per: pioggia diretta - DT (diametro dipendente dall intensità) pioggia caduta dalle foglie - LD (diametro fisso di 4.8 mm, energia in funzione dell altezza media della vegetazione) DET = k (KE) e -bh dove DET = quantità di particelle di suolo distaccate per effetto Splash (g m -2 ) k = indice di erodibilità del suolo (g J -1 ); dipende dalla tessitura. KE = energia cinetica totale delle pioggia (J m -2 ) = (KE(DT) + KE(LD) h = altezza della lamina d acqua (mm) b = esponente che esprime relazione tra quantità di suolo distaccatasi e altezza della lamina d acqua (attenuazione della KE delle gocce che devono superare una lama d acqua di altezza h prima di impattare sul terreno). La relazione assume che il distacco delle particelle del suolo da splash erosion decresce esponenzialmente all aumento dell altezza della lamina d acqua.

28 Erosione Runoff Il distacco delle particelle di suolo dovuto al ruscellamento viene simulato secondo la teoria generalizzata di erosione-deposizione proposta da Smith et al. (1994). La capacità di trasporto riflette un equilibrio dinamico continuo tra i due processi. La capacità erosiva è indipendente dalla concentrazione dei sedimenti sospesi in quanto esclusivamente correlata all energia posseduta. Il tasso di erosione del flusso (Eq) è quindi contemporaneo ad un tasso di deposizione pari a w C v s, dove w è l altezza del flusso, C la concentrazione dei sedimenti e v s la velocità media di sedimentazione.

29 Erosione Runoff Il tasso netto di distacco delle particelle di suolo dovuto al ruscellamento (DF) DF = Eq wc DF = w vs (TC C) Equilibrio: concentrazione dei solidi sospesi = capacità di trasporto (TC) il tasso di distacco del suolo è nullo. Coesività del suolo riduce la sua attitudine al distacco, devo introdurre un coefficiente β pari a 0.79 e -0.85J, dove J rappresenta la coesività DF = β w vs (TC C)

30 Erosione Runoff La capacità di trasporto TC viene modellizzata: Rill È funzione della forza dell unità di corrente ω = u S Interill (fz modificata da Eveart, 1991) Ω = u 1.5 / h 2/3 dove u è la velocità media del flusso S è la lunghezza del piano su cui il rill si forma

31 Erosione Runoff Conoscendo Q, A e u e sapendo qual è la concentrazione di solidi sospesi nel flusso a monte, il modello è capace di stimare per ciascun intervallo di tempo il tasso netto di perdita di suolo secondo l equazione: e = DET + β w v s (TC C) Quando il tasso di distacco delle particelle del suolo per l impatto delle gocce (DET) è sufficientemente piccolo e la concentrazione dei sedimenti nel flusso (C) eccede la capacità di trasporto (TC), e diventa negativo e rappresenta il tasso netto di deposizione. Questa situazione può verificarsi quando: - DET è molto basso - Runoff e sedimenti passano da un piano con una certa pendenza ad un altro con un gradiente minore.

32 File di input piogge xxx.pcp Parametri suolo/veg. xxx.par

33 File output File.din (output dinamico) File.st (output statistico) File.aux (output ausiliario).

34 File output dinamico Contiene: i nomi dei file in input utilizzati. l ammontare tot dei sedimenti rimossi in ciascun elemento. L area dell elemento I dati relativi al volume del deflusso L altezza del deflusso La concentrazione dei sedimenti sospesi La quantità tot di sedimento rimosso in ciascun elemento per ciascun intervallo di tempo di simulazione Il bilancio idrologico dell evento

35 File output statistico Contiene: le informazioni relative al bacino e ai parametri in input una somma riassuntiva dell erosione/deposizione di ciascun elemento Le caratteristiche dell idrogeologia e dei solidi in sospensione distaccati dall evento La variazione di dimensioni dei rill occorsa in seguito all erosione/sedimentazione Un calcolo del bilancio idrologico

36 File output ausiliario Contiene: i mm di pioggia caduti (RAIN) i mm di pioggia caduti direttamente al suolo (TFALL) e quelli passati attraverso le foglie (DRIP) e lungo i fusti (STEM) L intensità di pioggia L energia cinetica di TFALL e DRIP per ciascuno coppia tempo-pioggia Lo storage nella vegetazione (VEGSTORE) e la capacità di storage massimo

37 Modelli: come procede la ricerca? La tendenza è quella di indirizzare la ricerca e lo sviluppo verso physic based models! L esigenza di operare il passaggio da un approccio empirico, dedotto per la previsione della sola perdita di suolo media annua parcellare, ad uno fisicamente basato, che consente stime a scansioni temporali più brevi (anno, evento) trova un importante motivazione nel fatto che, anche in un intervallo di tempo pluriennale, l erosione media di un area può essere determinata da un numero modesto di eventi di elevata efficacia erosiva. Es. Larson et al. (1997) territorio statunitense, ha rilevato che la perdita di suolo misurata in un solo anno a Morris (MN), su parcelle inclinate nel 6% su suolo di medio impasto, è risultata pari al 60% di quella complessivamente rilevata in un decennio di osservazioni! La previsione della sola erosione media di un periodo pluriennale può essere allora limitativa nella scelta di interventi di conservazione del suolo che non risultano idonei a contrastare efficacemente le ablazioni nei pochi casi in cui, per la particolare combinazione tra caratteristiche meteorologiche, di suscettibilità del suolo all erosione e di forma di utilizzazione del territorio, si verificano eventi erosivi particolarmente rilevanti.

38 Bibliografia Articoli: Merritt W.S., Letcher R.A., Jakeman A.J. (2003) A review of erosion and sediment transport models Enviromental Modelling & Software, 18, Morgan et al. (1998) The European soil erosion model (EUROSEM): a dynamic approach for predicting sediment transport from filed and small catchments. Earth Surface Processes and Landforms, Vol. 23, Testi: Toy, Foster, Renard (2002) Soil erosion - Processes, prediction, measurement and control. Wiley. Bagarello V., Ferro V., (2006) Erosione e conservazione del suolo McGraw-Hill. Link: