UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l ambiente ed il territorio CORSO DI FRANE RELAZIONE CASO STUDIO USO DI INTERFEROMETRIA RADAR TERRESTRE DURANTE UN EMERGENZA: IL CASO DELL AUTOSTRADA A3 (REGIONE CALABRIA, ITALIA) MINACCIATA DA UNA FRANA DOCENTE: Prof.Ing. Michele Calvelllo STUDENTE: Nicola Flammia matricola Anno accademico

2 SOMMARIO 1. Illustrazione caso studio 2. Presentazione del lavoro sviluppato dagli autori 3. Analisi critica del lavoro 4. Bibliografia

3 1. Illustrazione caso studio 1.1 Descrizione del sito La frana, qui chiamata di Santa Trada per il nome dal ruscello che vi scorre vicino chiamato Fiumara di Santa Trada, è avvenuta il 30 gennaio vicino al comune di Villa San Giovanni (Fig. 1.1). Poiché non sono disponibili dati storici di possibili altre frane, non è possibile classificarla come nuova frana o riattivazione, tuttavia nelle mappe ufficiali del "Piano di Assetto Idrogeologico e del "Inventario delle frane in L'Italia "(IFFI) sono state mappate diversi frane in questa zona. Figura 1.1: Georeferenziazione della frana. La frana ha causato la chiusura di un tratto dell autostrada A3 ( Fig. 1.2 )nonostante non minacciasse direttamente la carreggiata. Tuttavia il completo collasso del fronte avrebbe potuto investire i pilastri del viadotto causando gravissimi danni e per questo motivo il Dipartimento di Protezione civile (DPC) ha deciso di installare un sistema di monitoraggio per un allerta precoce. Da un punto di vista geologico, questa area è caratterizzata da micascisti del Paleozoico e augen gneiss sovrapposti da biotite Paleozoica alterata e graniti moscoviti con sabbie pleistoceniche e conglomerati.

4 Figura 1.2: Vista dall alto della frana. Dal punto di vista morfologico il bacino di Santa Trada vede a destra del torrente rilievi di circa 700 m s. l. m. e di 600 m s. l. m. a sinistra. La frana di Santa Trada ha una altezza di 100 m e una larghezza massima di 90 m, l inclinazione iniziale era di fino a raggiungere i 40, il suo spessore è stimato fra i 3 e i 5 m. Le foto che seguono (Fig. 1.3) propongono la sua evoluzione dal 1 febbraio al 12 marzo Subito dopo l evento franoso, è stato installato un sistema GB InSAR e appena dopo 48 ore dal verificarsi della frana è stata avviata la campagna di monitoraggio, durata fino al 24 aprile quando lo stato di emergenza venne dichiarato concluso. Figura 1.3: Evoluzione della frana di Santa Trada

5 La geomorfologia della frana e indagini geologiche confermano che si tratta di uno scorrimento traslazionale con spessore compreso tra 3 e 5 m. 1.2 La tecnica GB-InSAR E stato scelto Il sistema GB InSAR per il monitoraggio della frana di Santa Trada, per le sue potenzialità come strumento di telerilevamento remoto. Nel caso in studio, l apparecchiatura GB InSAR, attuata dalla Ellegi LisaLab srl, è stata installata di fronte al pendio, sulla autostrada (Fig. 1.4). Figura 1.4: Installazione GB - InSAR Il sistema GB-InSAR è costituito da due parti principali, quella a microonde e la parte meccanica. La parte a microonde è costituita da uno scatterometro ad onda continua, radar in grado di stimare la capacità dell oggetto colpito dall onda elettromagnetica di retro-diffondere la stessa. Lo scatterometro agisce anche da sintetizzatore del segnale a microonde inviato all antenna trasmittente. Una seconda antenna, identica alla prima, è utilizzata per ricevere il segnale retro-diffuso e convogliarlo all opportuno ingresso che provvede alla misura. L antenna sintetica è realizzata muovendo il sistema delle due antenne lungo una traiettoria rettilinea mediante il sistema meccanico che viene completato dal supporto delle antenne che ne permette il corretto puntamento. Il sistema GB-InSAR può osservare aree contenute all interno di un cono simmetrico il cui angolo minimo di apertura al vertice varia tra i 30 e 60. Attraverso il confronto tra le fasi del segnale di due acquisizioni separate temporalmente, ma acquisite dallo stesso luogo e con gli stessi parametri di misura, il sistema mi permette di ricavare per i vari pixel che formano lo scenario osservato lo spostamento, lungo la direzione della linea di vista (LOS) del sistema, avvenuto durante l intervallo trascorso. In questo modo è possibile stimare lo spostamento e successivamente generare delle mappe di deformazione superficiale o di elevazione digitale. Considerando che l interferometria radar fornisce solo la componente di spostamento lungo la linea di vista del radar (LOS), il punto di vista del radar è stato scelto in modo che la sua LOS era più possibile parallela alla direzione prevista del moto della frana.

6 Figura 1.5: Installazione GB - InSAR I vantaggi legati all utilizzazione della tecnologia GB-InSAR sono certamente la possibilità di non dover accedere necessariamente all area da monitorare che può risultare pericolosa o impossibile da raggiungere, ancora la disponibilità di funzionamento 24h al giorno, 7 giorni su 7, 365 giorni all anno, l estrema velocità d installazione e la possibilità di generare mappe di spostamenti in qualsiasi condizioni di illuminazione e atmosferiche. Central frequency 17.1GHz Bandwidth 200MHz Length of the synthetic aperture 2m Minimum distance from the target 100m Maximum distance from the target 400m Range resolution 0.75m Azimuth resolution at 100m 0.44m Azimuth resolution at 400m 1.75m Tabella 1.1: Parametri utilizzati durante la campagna di monitoraggio

7 2. Presentazione del lavoro svolto dagli autori Grazie alle mappe di deformazione fornite dal GB InSAR gli autori hanno studiato l evoluzione temporale della frana e hanno valutato i volumi di materiale coinvolti. Sono stati anche messi in relazione questi dati con quelli della piovosità per valutare l influenza delle precipitazioni sull attività della frana al fine di una previsione accurata degli scenari di rischio necessari per adottare dei piani di emergenza. 2.1 I risultati del GB-InSAR Secondo le mappe raccolte durante la campagna di monitoraggio (Fig. 2.1), la zona instabile ha un'estensione di quasi 6000m 2 con un volume coinvolto di circa m 3. Le mappe di spostamento ottenute mostrano anche che la frana può essere divisa in 3 settori (settore superiore, settore occidentale, settore orientale; Fig. 2.2), caratterizzato da comportamenti differenti in termini di spostamento cumulato e in termini di dinamiche. Sono stati ipotizzati due diversi scenari di rischio: La frana potrebbe evolvere in una serie di piccoli crolli; in questo caso non sarebbero probabilmente pregiudicati i pilastri dell'autostrada, anche se potrebbe bloccare una strada secondaria presente ai piedi del pendio. La frana potrebbe collassare nel suo complesso. In tal caso il pilastri potrebbero essere danneggiati; inoltre potrebbe generare una diga di detriti sulla Fiumara di Santa Trada. Figura 2.1: Mappa di spostamento

8 Figura Errore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..2: In alto l immagine power del SAR, confrontata con la fotografia sottostante entrambe scattate dalla posizione del radar. A e B: aree stabili; C : pendio a NW; D e E : aree instabili; F : autostrada A3; 1 settore superiore; 2 settore orientale; 3 settore occidentale. Nel settore superiore della frana, sono stati selezionati sei punti rappresentantivi per estrapolare il profilo temporale dello spostamento recuperato dalle mappe interferometriche (Fig. 2.3).

9 Figura Errore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..2: Diagramma spostamento cumulato tempo e velocità tempo Durante la campagna di monitoraggio sono state rilevate diverse fasi di accelerazione che sono riassunte in tabella. Periodo di riferimento Velocità [mm/h] 1 Febbraio 5 Febbraio 5.5(media) 6 Febbraio 14 Febbraio 14(massima) 1 Marzo Forte accelerazione seguita da una riduzione della velocità 21 Marzo Forte accelerazione seguita da una riduzione della velocità 22 Marzo 24 Aprile 0.5(media) Tabella 2.1: Periodo di riferimento velocità Per comprendere la dinamica di tutta la frana e per evidenziare la differenza dei tre settori sono stati elaborati mappe di spostamento cumulativi, che coprono un intervallo di tempo di circa 7 giorni (Fig. 2.4).

10 Figura 2.4: Mappa di spostamento cumulato. (a) 02/02/09 09/02/09; (b) 06/02/09 13/02/09; (c) 13/02/09 20/02/09; (d) 20/02/09 27/02/09; (e) 20/03/09 27/03/09; (f) 17/04/09 24/04/09. E stata registrata nella prima settimana dopo il collasso una deformazione cumulata massima per il settore superiore che ha superato gli 800 millimetri in 7 giorni. Il settore orientale è stato caratterizzato da una deformazione cumulata che ha raggiunto 750 mm dovuta ad una frana minore avvenuta il 4 febbraio all'interno del corpo di quella principale vicina al settore orientale, dopo alcune precipitazioni. L'evoluzione di quest'ultima frana è mostrata da un mosaico di interferogrammi incrementali (Fig. 2.5).

11 Figura 2.5: Mosaico di interferogrammi incrementali del 4 Febbraio. Il 4 febbraio la frana ha raggiunto una velocità massima di 38mmh -1. Pochi giorni più tardi (dal 6 febbraio 2009;. B nella figura 2.4) si è avuto un periodo caratterizzato da una diminuzione della velocità di deformazione; successivamente è iniziato un nuovo periodo durante il quale lo spostamento cumulato nel settore occidentale ha raggiunto valori superiori a 950 millimetri in 7 giorni (C in Fig. 2.4). All inizio dell'ultima settimana di febbraio, la velocità di spostamento è diminuita progressivamente da valori di circa 400mm in 7 giorni (fine Febbraio;. D in Fig 2.4) a valori di circa 45mm in 7 giorni (metà di aprile; F in Fig. 2.4); è stato registrato una piccola accelerazione (E in Fig. 2.4) alla fine di marzo, dopo intense precipitazioni (pioggia cumulata in 2 giorni: 40 mm). 2.2 L influenza delle piogge sul movimento della frana Per uno dei sei punti utilizzati per ricavare i diagrammi di figura 2.3, si è effettuato un confronto tra gli spostamenti e le precipitazioni (Fig. 2.6). I valori di pioggia cumulata sono stati misurati nei pressi di Scilla, a circa 3,5 km NW dal sito e nei mesi precedenti al fenomeno franoso i valori erano superiori alla media stagionale (dicembre 2008 con 146 mm, gennaio 2009 con mm). Le prime due settimane di monitoraggio sono state caratterizzate da pioggia quasi continua (più di 96 millimetri); in questo periodo la velocità della frana ha raggiunto 140mmday -1. Altri due periodi di forti precipitazioni sono stati registrati nel corso della campagna di monitoraggio, il primo tra il 4 e il 7 marzo(30,6 millimetri di pioggia in 72 h) e la

12 seconda tra il 20 e il 22 marzo (39,6 millimetri in 51 h). L'ultima tempesta, anche se di minore intensità (16,4 millimetri in 36 h), si è verificata tra il 12 e il 14 aprile, ma apparentemente non ha influenzato la frana. Figura Errore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..6: Confronto tra spostamento e precipitazioni cumulate - tempo Figura Errore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..7: Confronto tra spostamento cumulato e precipitazioni di 3 giorni antecedenti - tempo Un confronto tra gli eventi di pioggia e cinematica della frana mostra uno sfalsamento temporale. Inoltre, anche se esiste una stretta correlazione tra precipitazioni e accelerazione della frana, non ogni evento di pioggia induce un corrispondente aumento del tasso di spostamento (come durante l evento del 12 aprile - 14 aprile). Questo può essere spiegato considerando la pioggia antecedente. In Fig. 2.7 viene tracciato spostamento cumulato (punto P6) in funzione dei tre giorni di precipitazioni antecedenti ed analizzando queste correlazioni è possibile valutare che lo spostamento misurato è legato alla durata delle precipitazioni (Fig. 2.6), mentre il ritardo di accelerazione della frana sembra essere proporzionale alla pioggia antecedente (Fig. 2.7). Ovviamente, a causa della breve durata del monitoraggio, queste osservazioni rappresentano una descrizione del comportamento della frana durante il periodo di monitoraggio. Come è stato osservato esiste una stretta relazione tra precipitazioni e spostamenti, e questo potrebbe portare ad una riattivazione per nuove precipitazioni intense. Durante la campagna è

13 stato osservato che anche il pendio quello rivolta a NW, si è fratturato in alcuni punti (Fig. 2.2 settore C). Sebbene lo spessore del materiale coinvolto in questo settore è moderato (probabilmente meno di 1 m), rappresenta una minaccia diretta per l autostrada situata proprio di fronte al pendio. Per questo motivo, è stata fatta l'analisi interferometrica anche per questo settore ma dato che non rientrava nell'obiettivo iniziale della campagna, l'allineamento tra il LOS del radar e la direzione ipotizzata di movimento del pendio non è stato ottimale infatti gli spostamenti registrati dalla GB-InSAR rappresentano solo una componente (in questo caso una percentuale compresa tra il 15% e il 35%) dello spostamento totale. Una mappa di spostamento cumulativo, che coprono un intervallo di tempo di 59 giorni (tra il 4 febbraio e il 4 aprile) mostra uno spostamento massimo cumulato di circa 5mm (Fig. 2.8). Figura Errore. Nel documento non esiste testo dello stile specificato..8: Mappa di spostamento 04/02/09-04/04/09

14 3. Analisi critica del lavoro Visto la situazione di emergenza approvo a pieno la scelta del sistema di monitoraggio GB-InSAR data la rapidità nell installazione e la capacità di garantire flessibilità e monitoraggio in tempo reale. Tali aspetti diventano di fondamentale importanza per le autorità locali dato che possano attivare prontamente i sistemi di allarme. Un limite del sistema GB-InSAR in questa campagna di monitoraggio sta nel fatto che direzione di spostamento della frana e la linea di vista (LOS) dello strumento non hanno stessa direzione, andando quindi a monitorare spostamenti che sono inferiori rispetto a quelli reali. Gli autori hanno comunque svolto con cura il lavoro riguardo al monitoraggio della frana di Santa Trada, giungendo a due diversi scenari di rischio futuro; individuando altre criticità della zona, come la frana posizionata a NW rispetto all area di studio. Un problema nella campagna di monitoraggio potrebbe essere la scelta dei punti monitorati, che hanno influenzato i risultati ottenuti. Inoltre data le scarse informazioni sull origine della frana, ritengo che effettuare delle indagini sul campo, per tracciare un profilo stratigrafico, individuare superfici di scorrimento sarebbe stato molto utile. Inoltre individuare il regime della falda avrebbe chiarito maggiormente la correlazione tra precipitazioni e movimento franoso. Dato comunque il forte legame tra spostamenti ed eventi piovosi, emerso dallo studio, proporrei un sistema di mitigazione del rischio che consenta il drenaggio delle acque superficiali cosi da ridurre la pericolosità ovvero la probabilità che il fenomeno si verifichi Gli autori non hanno sottolineato il caso in cui si venga ad innescare una frana di dimensioni maggiori generando un flusso di detriti che andrebbero a formare una diga sul ruscello Fiumara di Santa Trada, che nel tempo potrebbe instabilizzarsi e poi raggiungere la frazione di Cannitello, in particolare il rione Porticello. Gli autori non hanno, quindi, ipotizzato questo terzo scenario di rischio. Non si è pensato di continuare il monitoraggio in quell area ma ci si è limitati al periodo di emergenza. Cosa accadrà quando altri eventi piovosi eccezionali si abbatteranno su quell area? Le autorità locali e la Protezione Civile saranno in grado di gestire un emergenza di questo tipo? Ritengo quindi di fondamentale importanza approfondire lo studio attraverso un ulteriore campagna di monitoraggio dell intera zona con particolare attenzione alla frana a NW dell area di studio che minaccia direttamente la carreggiata dell autostrada. Inoltre sarebbe stato opportuno condurre un analisi in maniera più accurata sul secondo scenario di rischio, ovvero collasso generale con danneggiamento dei pilastri, studiando l energia d impatto della massa in frana e l urto di questa contro i pilastri. In questo modo era possibile valutare la resistenza dell intero viadotto e determinare la probabilità di collasso dell intera struttura viaria che rappresenta a mio avviso lo scenario più e catastrofico.

15 4. Bibliografia Antonello, G., Casagli, N., Farina, P., Leva, D., Nico, G., Sieber, A.J., and Tarchi, D.: Ground-based SAR interferometry for monitoringmass movements, Landslides 1, 21 28, Atzeni, C., Basso, M., Canuti, P., Casagli, N., Leva, D., Luzi, G., Moretti, S., Pieraccini, M., Sieber, A. J., and Tarchi, D.: Ground-based SAR interferometry for landslide monitoring and control, ISSMGE Field Workshop on Landslides and Natural/Cultural Heritage, Trabzon (Turkey), August 2001, , (CNR GNDCI Pub. No.2375), 2001a. Barbieri, M., Corsini, A., Casagli, N., Farina, P., Coren, F., Sterzai, P., Leva, D., and Tarchi, D.: Space-borne and ground-based SAR interferometry for landslide activity analysis and monitoring in the Appennines of Emilia Romagna (Italy): review of methods and preliminary results, European Space Agency, (Special Publication) ESA SP 550, , Barla, G., Antolini, F., Barla, M., Mensi, E., and Piovano, G.: Monitoring of the Beauregard landslide (Aosta Valley, Italy) using advanced and conventional techniques, Eng. Geol., 116, 3 4, , Casagli, N., Farina, P., Leva, D., Nico, G., and Tarchi, D.: Groundbased SAR interferometry as a tool for landslide monitoring during emergencies, Geoscience and Remote Sensing Symposium, Proceedings IGARSS 03, IEEE International 4, , Luzi, G., Pieraccini, M., Mecatti, D., Noferini, L., Guidi, G., Moia, F., and Atzeni, C.: Ground-based radar interferometry for landslides monitoring: atmospheric and instrumental decorrelation sources on experimental data, IEEE T. Geosci. Remote Sens., 42, 11, , Tarchi, D., Casagli, N., Fanti, R., Leva, D., Luzi, G., Pasuto, A., Pieraccini, M., and Silvano, S.: Landslide monitoring using ground-based SAR interferometry: an example of application to the Tessina landslide in Italy, Eng. Geol., 69, 15 30, Guida alla valutazione e all impiego della tecnologia GB-InSAR LiSALab nel monitoraggio dei dissesti idrogeologici.