MODELLO FLORENCE V. 2.0

MODELLO FLORENCE V. 2.0 PER LA STIMA DELLA PRODUZIONE MEDIA ANNUA NETTA BACINALE DI SEDIMENTO E PER LA VALUTAZIONE DELL INTERRIMENTO DEGLI INVASI ARTIFICIALI - BASI TEORICHE E ISTRUZIONI PER L USO DEL SOFTWARE ONLINE Firenze Febbraio 2015 - Bazzoffi P. (1), Rocchini A. (2) Consiglio per la Ricerca in Agricoltura e l Analisi dell Economia Agraria CRA-ABP Centro di Ricerca per l Agrobiologia e la Pedologia P.za M. D Azeglio 30 Firenze 50121 FIRENZE FI Italia invaso Bomba-Abruzzo (foto Bazzoffi) (1) Paolo Bazzoffi: Dirigente di ricerca, ha sviluppato il modello FLORENCE2 (2) Andrea Rocchini: CTER, ha sviluppato l interfaccia web online 1

Indice: Fondamenti teorici Descrizione e finalità applicative del del modello FLORENCE2 Pag 2 Natura del modello FLORENCE2, banca dati e variabili di modello Pag 3 Validazione del modello FLORENCE2 Pag 6 Istruzioni Istruzioni per l applicazione del software di calcolo FLORENCE2 v. 1.0 Pag 7 Stima della densità dei sedimenti e trasformazione in valore ponderale. Pag. 14 DESCRIZIONE DEL MODELLO FLORENCE2 Il Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura- CRA-ABP Centro di Ricerca per l Agrobiologia e la Pedologia di Firenze ha iniziato nel 1979 una serie di ricerche che hanno prodotto una serie di modelli denominati P.I.S.A. (Previsione Interrimento Serbatoi Artificiali) che sono andati affinandosi nel tempo, in relazione all aumento del numero di osservazioni Recentemente è stato messo a punto il modello FLORENCE2 per la stima della produzione potenziale media annua bacinale di sedimento sul lungo periodo (FLOw of watershed sediments Calulator based on geographic features Calcolatore del flusso di sedimenti dai bacini basato su caratteristiche geografiche ). Il modello FLORENCE2, si colloca fra i modelli previsionali non distribuiti, finalizzati alla determinazione della produzione media annua pluriennale di sedimento a scala bacinale e per la previsione dell interrimento degli invasi artificiali. La variabile stimata dal modello FLORENCE2 è il volume di sedimento umido medio annuo espresso in m 3 per km 2 di bacino imbrifero (m 3 km -2 anno -1 ) prodotto dal bacino idrografico e relativo ad una sezione di chiusura del bacino scelta dall utente. Qualora si voglia applicare il modello per stimare la quantità totale di sedimento deposto nel lago dopo un certo numero di anni, si dovrà moltiplicare il valore ottenuto per i km 2 di superficie del bacino imbrifero e per gli anni dall entrata in esercizio. Quando è presente un bacino imbrifero allacciato al bacino direttamente scolante nell invaso, i risultati possono risultare più incerti. La natura della variabile dipendente (volume di sedimento in condizione umida) consente la stima della capacità di invaso effettivamente sottratta al lago. Il modello FLORENCE2 è utilizzabile sia per la valutazione dei rilasci netti di sedimento al reticolo idrografico finalizzata agli studi ambientali, sia in fase di progetto di opere idrauliche minacciate dai sedimenti. Nel caso dei serbatoi artificiali, il modello FLORENCE2 può essere applicato per la previsione della progressiva perdita di capacità d'invaso dovuta ai sedimenti sia per la pianificazione della corretta gestione degli invasi già esistenti, in quanto consente la stima dei volumi depositati dall entrata in esercizio e la delimitazione dei sotto-bacini, all interno dell intero bacino imbrifero tributario del lago, che sono maggiormente responsabili della produzione di sedimento. Ciò al fine di concentrare in tali zone gli interventi conservativi (e con essi gli stanziamenti economici) atti a ridurre la produzione di sedimenti, quali: sistemazioni agrarie e idraulico forestali, consolidamento dei versanti, misure agroambientali PAC ecc. Il modello FLORENCE2 è stato formulato per rispondere alle seguenti finalità: 1)Disporre di uno strumento previsionale collaudato. 2)Fornire all utente un dato previsionale sulla produzione bacinale netta di sedimenti, in termini volumetrici, particolarmente utile nella fase pianificatoria e di gestione. 3) Essere facilmente e velocemente applicabile in ambiente GIS. 4) Poter utilizzare, per la determinazione delle caratteristiche fisiografiche e climatiche necessarie 2

alla sua applicazione, i layers informatici già disponibili. 5)Massimo grado di oggettività nell'attribuzione del valore alle variabili, attraverso una metodologia ben definita di determinazione dei valori che escluda il bias di misurazione. 6)Possibilità di identificare le aree, all interno del bacino tributario dei sedimenti, ove concentrare gli interventi sistematori per ridurre l'erosione. 7)Fornire valori validi, sul lungo periodo, ad altri specialisti per calcoli di trasporto e rilascio di sostanze inquinanti di varia natura. NATURA DEL MODELLO FLORENCE2, BANCA DATI E VARIABILI DI MODELLO. Per la formulazione del modello sono stati utilizzati i dati morfo-fisiofrafici di 59 sistemi bacinoserbatoio distribuiti sul territorio nazionale a partire da 72 sistemi considerati inizialmente (fig 1). I valori di sedimentazione in parte sono stati rilevati direttamente e in parte derivano da fonti bibliografiche. Dal dataset di 72 casi sono stati esclusi i sistemi per i quali la sedimentazione non è risultata correlata ad alcun parametro fisiografico, segno evidente che la bontà del dato sedimentario era dubbia o che i sedimenti presenti nell invaso erano dovuti a fattori non controllati. Il modello è una ensemble di reti neurali sviluppato in ambiente Statsoft (procedura Intelligent Problem Solving) utilizzando il modulo RETI NEURALI in ambiente STATISTICA v.7.0 (Statsoft) usando la procedura Back Error Propagation (BEP) (Rumelhart et al. 1986) durante i cicli di apprendimento (fig. 2). Fig. 1 Localizzazione dei sistemi bacino-serbatoio di origine del modello FLORENCE2 3

Fig. 2 Struttura del modello FLORENCE2 (ensemble di 5 reti neurali) Nella formulazione delle reti neurali, le variabili di bacino vengono presentate alle reti a livello dello strato neurale di input e la variabile produzione bacinale di sedimento, m 3 km -2 anno -1 viene prodotta a livello del neurone di output. Per la definizione del modello ottimale si è preventivamente utilizzata una procedura IPS (Intelligent Problem Solver) per la ricerca della migliore configurazione della rete e delle variabili morfologiche e fisiografiche maggiormente correlate con la variabile stimata. La medesima analisi è stata condotta utilizzando il software NNMODEL32 (neural Fusion) che aggiunge una maggiore flessibilità nella ricerca del miglior modello, attraverso la scelta ragionata delle variabili di input. Il pruning delle variabili di ingresso è stato effettuato a partire da un insieme di 20 variabili. Le variabili mantenute nel modello sono descritte in tabella 1. Nella tabella 2 vengono mostrate le statistiche descrittive delle variabili del dataset, al fine di consentire all utilizzatore di applicare il modello in modo corretto; vale a dire utilizzando valori delle variabili di input che siano compresi all interno dei valori minimi e massimi (in rosso) delle singole variabili che hanno dato origine al modello FLORENCE2. 4

Tabella 1. Variabili del modello FLORENCE2 Variabile Tipo di Sigla Unità di Descrizione Variabile misura Produzione di dipendente Sediment m 3 km- 2 anno -1 Produzione specifica di sedimento. sedimento o Volume di sedimento umido (in condizione di deposito lacustre sommerso) prodotto per unità di area di Superficie del bacino idrografico Sediment Delivery Ratio bacino imbrifero tributario, per anno. indipendente Ar.Bac. km² Area del bacino imbrifero, compresa area lago. indipendente SDR Numerica SDR = 0,4724 A -0,125. Dove SDR= Rapporto di Rilascio dei Sedimenti A= Area del bacino idrografico in km 2 Superficie erodibile Pendenza media del bacino Densità di drenaggio indipendente indipendente Sup.Erod. km² Pend. Med. % Area di tutta la superficie arativa, più 1/16 della superficie agraria e forestale non arativa, esclusa la roccia affiorante e le aree impermeabilizzate dall uomo. Pendenza media del bacino imbrifero da DEM 75m Lunghezza complessiva del reticolo indipendente Dens. Dren. km -1 idrografico, in km, diviso la superficie bacinale in km² (Horton,1932) Piovosità indipendente Pioggia mm Pioggia media annua pluriennale Temperatura indipendente Temp. C Temperatura media annuale pluriennale Numero di frane N.Frane n. n. di frane censite presenti nei bacini dal censimento CNR-GNDCI delle aree del paese colpite da frane per il periodo 1918-1990. 5

Tabella 2. Statistiche descrittive delle variabili di modello relative ai 59 sistemi bacino-serbatoio. Variabili Media Mediana m 3 km- 2 anno -1 844.31 582.68 0.01 4403.21 878.24 1.72 3.72 Volume di invaso m 3 10 6 26.329 5.000 0.02 325.0 55.025 3.703 16.054 anni_esercizio 24.915 24.000 2 59.000 16.159 0.290-0.966 Ar.Bac. 122.77 48.17 0.34 801.48 181.48 2.29 4.80 Temp. 12.14 13.00 4.00 17.00 3.67-0.80-0.30 Dens. Dren. 2.93 2.48 0.54 9.42 1.93 1.56 2.35 Pioggia 993.60 879.93 487.50 2493.96 366.76 1.74 3.91 Sup.Erod. 36.44 7.96 0.04 321.99 60.02 2.80 9.44 N_Frane 3.68 1.00 0.00 76.00 10.56 5.88 39.17 Pend. Med. 24.24 18.51 3.81 59.08 15.70 0.72-0.76 Minimo Massimo Dev.Std. Asimmetria Curtosi VALIDAZIONE DEL MODELLO FLORENCE2 Al fine della validazione si è utilizzata una procedura di cross-validation del tipo one-at-a-time producendo 59 sub-modelli di collaudo, derivanti ciascuno dall analisi di 58 osservazioni. Si è cioè escluso dal data-set un sistema bacino-serbatoio, a turno, ed il valore di interrimento osservato per ciascun serbatoio escluso è stato comparato con la stima effettuata dal sub-modello di collaudo formulato per mezzo delle 58 osservazioni residue (Haan 1977). Evidentemente, per l ottenimento di una cross-validation coerente, ciascun sub-modello di collaudo è stato formulato forzando la rete neurale a utilizzare le medesime variabili di input del modello definitivo, e non il gruppo di variabili che di volta in volta risultava migliore per ciascun dataset di cross-validation. La regressione fra i valori osservati e predetti è risultata altamente significativa, con un coefficiente di determinazione R 2 =0,73. Pertanto il modello definitivo, formulato con tulle le 59 osservazioni può ritenersi validato. DATASET DI 59 CASI (Esclusione di una osservazione) MODELLO TEST Valore osservato APPLICAZIONE DEL MODELLO TEST AL CONFRONTO CASO ESCLUSO Valore predetto Fig. 3 Procedura di cross valdation 6

Fig. 4 Effettiva efficacia predittiva del modello FLORENCE2 (grafico in basso) verificata per mezzo della cross-validation. ISTRUZIONI PER L APPLICAZIONE DEL SOFTWARE FLORENCE2 Il software FLORENCE2 è di facile applicazione. Esso permette la stima della produzione netta di sedimenti espressa come volume di sedimento umido medio annuo in m 3 per km 2 di bacino imbrifero (m 3 km -2 anno -1 ). Le istruzioni per l uso dell Interfaccia Web sono in fondo a questo manuale, nel capitolo Guida all uso dell interfaccia Web. Nel capitolo che segue si illustrano le metodologie da seguire per la determinazione di alcune variabili da immettere manualmente nella suddetta interfaccia. Determinazione delle variabili specifiche del bacino di interesse dell utente L utente può immettere manualmente il valore di ciascuna delle 8 variabili di modello digitandone il valore nelle corrispondenti caselle di input. Comunque, per evitare che dati tratti da banche dati di diversa origine possano determinare errori predittivi, si consiglia di far calcolare al software la maggior parte delle variabili, attraverso la selezione dei comuni entro i quali è compreso il bacino idrografico e per il quale si intende stimare la produzione di sedimento. L utente potrà eventualmente modificare i valori calcolati in automatico, immettendo i propri valori. Comunque, nel calcolo delle variabili, l utente dovrà attenersi alle istruzioni di questo manuale, al fine di evitare errori predittivi. Alcune variabili quali: l Area del bacino idrografico, la Superfcie erodibile e la Densità di drenaggio devono essere obbligatoriamente calcolate dell utente, in quanto risulta impossibile la loro derivazione tramite la selezione dei Comuni. 7

Per quanto riguarda il calcolo della Pendenza percentuale media del bacino idrografico, vengono fornite istruzioni dettagliate più avanti nel testo. Nell esempio che segue si descrivono i passi che l utente dovrà seguire, ricordando che il valore delle variabili dovrà essere espresso nelle unità elencate in tabella 1. 1) Il primo passo consiste nella delimitazione del bacino idrografico. Di esso si dovrà calcolare l area in km 2. L utente avrà cura di eliminare dal computo le parti di bacino sottese da invasi artificiali o le cui acque defluiscono fuori dal bacino a causa di canalizzazioni e che quindi sottraggono sedimenti alla sezione di chiusura del bacino idrografico considerato. 2) Il secondo passo consiste nell individuazione della province e dei comuni il cui territorio, in tutto o in parte, ricade nel bacino idrografico. Una volta individuate la/le province e il/i comuni, si selezionerà la prima provincia nell apposito menù a tendina. Automaticamente apparirà una finestra tabellare che consentirà all utente di selezionare i comuni della provincia che ricadono nel bacino idrografico. In fondo a questa finestra è data possibilità all utente, tramite un tasto di comando, di aggiungere altre provincie e di proseguire nell aggiunta di altri comuni reiterando a piacimento la procedura di selezione. Al termine della selezione/aggiunta di tutti i comuni l utente potrà procedere al calcolo automatico dei parametri, cliccando sull apposito tasto di comando che si trova in fondo alla finestra tabellare. 8

3) Il calcolo della densità di drenaggio ( lunghezza totale del reticolo idrografico in km diviso l area del bacino km 2 ) dovrà essere effettuato, per la parte relativa al calcolo della lunghezza totale del reticolo idrografico, utilizzando le tavolette al 25.000 dell IGM. Si avverte l utente che l utilizzo di documenti cartografici redatti ad un dettaglio maggiore di quello a scala 1:25.000 (ad es: carte tecniche a scala 1:10.000 o a scala maggiore) o ad un dettaglio inferiore (es: documenti in scala 1: 50.000 o a scala inferiore) produrranno risultati inattendibili. Anche la derivazione del reticolo idrografico in automatico (ad es: in ambiente GIS) produrrà risultati inattendibili. 9

Il reticolo idrografico considerato dovrà essere quello relativo ai corsi d acqua naturali ( eliminando quindi dal calcolo le canalizzazioni artificiali dell acqua). Le zone ove il corso d acqua si anastomizza (ad esempio nei fondo valle) dovranno essere valutate come tratto fluviale singolo, come nel seguente esempio: 10

sostituzione grafica di un alveo multiplo con un unico segmento 4) Calcolo della pendenza media bacinale: La procedura di calcolo automatica fornisce il valore di pendenza percentuale (%) media dell insieme dei comuni selezionati da DEM 75x75 m (la pendenza media è ottenuta tramite l applicazione della media ponderata sulle aree, mentre la pendenza massima è quella massima riscontrata fra tutti i comuni). Se il bacino idrografico coincide geograficamente con i territori comunali selezionati, si potrà utilizzare i valori di pendenza media calcolati in automatico. Se invece il bacino è compreso all interno del territorio di un comune (ma non coincide con esso) oppure comprende pezzi di più comuni, l utente dovrà ricavare da solo il valore di pendenza. A tal fine, è obbligatorio applicare procedure di calcolo automatico (ad es. in ambiente GIS) che derivino le pendenze da un modello digitale del terreno (DEM) con cella 75 x 75 m. Qualora si disponesse di un DEM a dettaglio maggiore si dovrà effettuare un ricampionamento a 75m prima di procedere al calcolo delle pendenze, in quanto l utilizzo di modelli digitali del terreno a dettaglio diverso determinerà un risultato erroneo. 5) calcolo della superficie erodibile: Come già riportato in tabella 1, questa variabile consiste nell area di tutta la superficie arativa, più 1/16 della superficie agraria e forestale non arativa, esclusa la roccia affiorante e le aree impermeabilizzate dall uomo (soil sealing). Per la definizione di questa variabile l utente si dovrà munire di un uso del suolo che, nella delineazione dei poligoni all interno del bacino idrografico, distingua le superfici agricole fra quelle ove viene impiegato l aratro e altri strumenti di lavorazione del suolo da quelle aree ove ciò non avviene. Nell esempio sottostante si notino i colori: verde=boschi, pascoli; giallo=arativi, vigneti ecc, rosso=roccia affiorante; rosa=zone urbane 11

Qualora l utente utilizzasse la legenda Corine Land Cover, potrà moltiplicare i km 2 di ciascun uso del suolo per il fattore Superficie erodibile elencato in tabella 3. Pertanto, l area erodibile totale, in km 2, si otterrà sommando i prodotti dei km 2 di superficie di ciascun uso del suolo per il corrispondente fattore di superficie erodibile della tabella 3. Si raccomanda, ove possibile, l utilizzo di una legenda idonea a ben discriminare gli usi del suolo che prevedono la lavorazione del suolo rispetto a quelli ove il suolo non viene lavorato. 12

Tabella 3. Legenda CLCr e fattore moltiplicativo per il calcolo della Superficie erodibile. Legenda Corine Land Cover LIVELLO 1 LIVELLO 2 LIVELLO 3 Fattore Superficie erodibile 1.1 Tessuto urbano 111 - Tessuto urbano continuo 0 112 - Tessuto urbano discontinuo 0 121 - Unità industriali o commerciali 0 1.2 Unità industriali 122 - Reti di strade e binari e territori associati 0 commerciali e di 123 - Aree portuali 0 trasporto 124 - Aeroporti 0 1 Superfici artificiali 2 Aree agricole 3 Foreste e aree semi naturali 4 Terre umide 5 Corpi d'acqua 1.3 Miniere, discariche e luoghi di costruzione 1.4 aree con vegetazione artificiale 2.1 Seminativi 2.2 Colture permanenti 131 - Luoghi di estrazioni di minerali 0 132 - Discariche 0 133 - Luoghi di costruzione 0 141 - Aree di verde urbano 0 142 - Strutture di sport e tempo libero 0 211 - Seminativi non irrigati 1 212 - Suolo permanentemente irrigato 1 213 - Risaie 0 221 - Vigneti 1 (*) 222 - Frutteti e frutti minori 1 (*) 223 - Oliveti 1 (*) 2.3 Pascoli 231 - Pascoli 0,0625 2.4 Aree agricole eterogenee 3.1 Foreste 3.2 Associazione di vegetazione erbacea e/o arbusti 3.3 Spazi aperti con poca o nessuna vegetazione 4.1 Terre umide interne 4.2 Terre umide costiere 5.1 Acque interne 5.2 Acque marine 241 - Colture annuali associate a colture permanenti 0,53125 242 - Coltivazione complessa 0,53125 243 - Suoli principalmente occupati dall'agricoltura 1 244 - Aree di agro-selvicoltura 0,53125 311 - Foreste a latifoglie 0,0625 312 - Foreste a conifere 0,0625 313 - Foreste miste 0,0625 321 - Prateria naturale 0,0625 322 - Lande e brugheria 0,0625 323 - Vegetazione sclerofila 0,0625 324 - Transizione suolo boscoso/arbusti 0,0625 331 - Spiagge, dune e piani di sabbia 0 332 - Roccia nuda 0 333 - Aree scarsamente vegetate 0,0625 334 - Aree bruciate 0,0625 335 - Ghiacciai e nevi perenni 0 411 - Paludi interne 0 412 - Torbiere 0 421 - Paludi di sale 0 422 - Saline 0 423 - Piani intertidali 0 511 - Corsi d'acqua 0 512 - Corpi d'acqua 0 521 - Lagune costiere 0 522 - Estuari 0 523 - Mare 0 (*) valore da attribuire ai frutteti, ai vigneti e agli oliveti inerbiti = 0,053125 13

Stima della densità dei sedimenti e trasformazione del dato volumetrico in dato ponderale. Nel caso si voglia esprimere la produzione dei sedimenti in termini ponderali ( t km -2 anno -1 ) come, ad esempio, per la programmazione delle operazioni di sfangamento degli invasi, è necessaria la determinazione della massa volumica dei sedimenti (massa di sedimento secco su volume umido). Questa determinazione è possibile se si conosce la natura dei materiali. Fra i modelli disponibili sono da menzionare, per la loro validità, l equazione di Lara e Pemberton (1963) e quella di Lane e Koelzer (1943) oppure la tabella approntata dal Soil Conservation Service (Ven te Chow, 1964). Negli studi condotti dal CRA-ABP, l equazione di Lara e Pemberton è quella che ha fornito le stime più realistiche della massa volumica dei sedimenti (Bazzoffi et al. 1995). Essa si presenta come segue: Y = 16,02. ( Wa. Pa + Wl. Pl + Ws. Ps ) (1) ove: Y= g/cm 3 ; Pa, Pl, Ps = percentuali, rispettivamente, di argilla, limo e sabbia (USDA, 1975) nel trasporto solido; Wa = Coefficiente per la frazione argilliforme, che assume rispettivamente i valori di: 26; 35; 40; 60 per: 1) sedimenti sempre sommersi; 2) sedimenti talvolta scoperti; 3) sedimenti normalmente scoperti; 4) sedimenti d'alveo fluviale; Wl = Coefficiente per la frazione limosa, che assume (analogamente al coefficiente Wc) i valori: 70; 71; 73; 73; Ws = Coefficiente per la sabbia, con valore pari a 97 per tutti i tipi di sedimento. In genere, per convertire in peso (in modo grossolano) il volume di sedimenti sommersi di natura limoso/argillosa, si può moltiplicare i m 3 di sedimento per il valore medio di densità apparente umida 0,866 t/m 3 (ricavato sperimentalmente dal CRA-ABP in anni di ricerche). Tale valore corrisponde al peso secco diviso il volume umido. Il software FLORENCE2 utilizza tale valore per effettuare la presentazione del dato di produzione media annua di sedimento in termini ponderali (t km -2 anno -1 ). 14

GUIDA ALL USO DELL INTERFACCIA WEB La registrazione si effettua dalla pagina di login. Una volta effettualo l accesso si scelgono i comuni nel cui territorio ricade il bacino idrografico. Per fare ciò occorre scegliere la Provincia nella quale ricade il bacino idrografico (se il bacino ricade in più province si ripete la procedura, come riportato in questo esempio). Si apre il menù a tendina della provincia e si seleziona quella di interesse (in questo esempio è Firenze) 15

Si seleziona/selezionano spunta) il comune/comuni di pertinenza del bacino idrografico (mettendo la Effettuata la selezione dei comuni si scorre lo schermo fino in fondo utilizzando la barra di scorrimento laterale a destra, quindi si clikka sul pulsante estrai comuni selezionati Appare la seguente schermata, dalla quale è possibile: aggiungere comuni della medesima provincia o che ricadono in un altra provincia. 16

Elaborare i comuni selezionati. Ricominciare l elaborazione (per azzerare tutto e ricominciare). Dopo aver selezionato tutti i comuni di interesse si clikka su elabora comuni selezionati Appare la seguente schermata nella quale occorre inserire i valori mancanti di: Area Bacino imbrifero Densità di drenaggio (vedi sopra, per spiegazione di questo parametro) Superficie erodibile (vedi sopra, per spiegazione di questo parametro) I valori calcolati in automatico dei parametri: Temperatura, Precipitazioni, numero Frane censite e Pendenza media possono essere modificati, editando a mano. 17

Una volta inseriti i valori si clikka su Concludi l elaborazione E si ottiene la schermata dei risultati come segue: 18