5.1.1 Stream power e Analisi digitale su base topografica (SPI)
Diversi sono i fattori che influiscono sulla dinamica del sedimento lungo il reticolo idrografico ma certamente un ruolo fondamentale è attribuibile all’assetto topografico del terreno. La morfologia esprime infatti la presenza di un gradiente energetico necessario per l’attivazione di processi di trasporto. In particolare, area contribuente e pendenza locale possono essere considerate rispettivamente come indici del potenziale verificarsi di una concentrazione di deflusso e della potenzialità erosiva dello stesso.
La disponibilità di modelli digitali del terreno sempre più accurati ha permesso di definire delle procedure semi automatiche che permettono di individuare le teste dei canali tramite la combinazione tra l'area di drenaggio contribuente (A) e la pendenza locale (S). La combinazione di queste variabili può essere considerata come indice del potenziale verificarsi di una concentrazione di deflusso e della potenzialità erosiva dello stesso (Desmet et al., 1999; Montgomery 1993).
Studi recenti (Marchi e Dalla Fontana, 2005; Wilson e Gallant 2000), hanno adottato un indicatore la cui base fisica può essere ricercata nel concetto di stream power (Ω):
Ω = ρ · g · Q · S [5.1]
Dove: ρ è la densità dell’acqua, g l’accelerazione gravitazionale, Q la portata e S la pendenza locale.
Assumendo la radice quadrata dell’area drenata (A) come surrogato della portata, hanno formulato un indice di stream power (SPI) su base topografica:
𝑆𝑃𝐼 = 𝐴0.5∗ 𝑆 [5.2]
Gli elementi del DEM che ricadono all’interno di aree di convergenza topografica e che hanno un SPI che eccede un certo valore di soglia identificano potenziali punti di inizio dei canali.
Tali operazioni sono facilmente implementabili mediante la “Command Line Window” del software ArcGis che permette di organizzare procedure di analisi semiautomatiche anche complesse, utilizzando file di testo nei quali si susseguono singole linee di comando da calcolare in successione. In questo caso è stato utilizzato lo strumento “Raster
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Calculator” che permette l’esecuzione di compiti multipli, ad esempio calcoli matematici utilizzando operatori e funzioni, creare query di selezione o di scrivere le linee di comando da inserire nella Command Line. Tramite questo comando è stato possibile calcolare il valore di SPI inserendo la seguente riga di calcolo: slope/100 * (Pow (flowaccumulation), 0.5)).
Per quanto detto, SPI rappresenta un valido indicatore del controllo esercitato dai fattori topografici sull’intensità potenziale dei processi d’erosione e di trasporto del sedimento che può essere facilmente calcolato sulla base di un modello digitale del terreno (DTM). Per questo motivo può essere utilizzato come alternativa al classico metodo della soglia costante per l’estrazione del reticolo idrografico.
5.1.2 Analisi digitale per l’individuazione dei punti di innesco
Sulla base del concetto di stream power può essere individuata l’impronta topografica di canali con prevalente dinamica di colata, dove, a condizioni stabili, la pendenza del canale è espressa come una funzione di potenza dell’area contribuente (relazione area pendenza):
𝑆 = 𝐾 ∗ 𝐴−𝑛 [5.3]
Nella quale S, è la pendenza del canale, A l’area contribuente e K e n coefficienti empirici.
Questo modello è spesso rappresentato in un diagramma logaritmico che rapporta l’area contribuente alla pendenza, nel quale i dati seguono una distribuzione lineare (Montgomery, 1993).
Tale diagramma, riportato in Figura 5.1, riassume i risultati raggiunti da Montgomery e Foufoula-Georgeiou (1993), dove il territorio viene ripartito in: area drenata e pendenza che definisce i versanti, valli non canalizzate, canali caratterizzati da dinamica di colata detritica e alluvionali.
L’inflessione nella curva di relazione area contribuente-pendenza indica la soglia morfometrica tra canali in cui predomina la dinamica fluviale da quelli in cui predomina la dinamica da colata detritica. I versanti sono definiti da una divergenza topografica e la dimensione del versante può essere approssimata da un’area drenata costante. Le valli non canalizzate occupano il gradiente più lontano per l’area drenata fornita. Il confine fra le valli non canalizzate e i canali fluviali è definito dalla soglia dipendente dalla pendenza che riflette sia la superficie del terreno che il clima (Montgomery e Foufoula-Georgiou, 1993). L’identificazione di un appropriato valore di K è il problema maggiore per l’estrazione del reticolo in un DEM. Questo parametro può variare in base alle precipitazioni e allo sforzo di taglio della superficie del terreno, quest’ultimo riflette sia le proprietà del suolo che il tipo e la densità della copertura vegetale (Montgomery e Foufoula-Georgiou, 1993).
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Figura 5.1 - Diagramma log-log, relazione area-pendenza (Montgomery e Foufoula Georgiou, 1993). Zimermann et al. (1997), a partire da diversi eventi di colata verificatisi in Svizzera hanno definito la seguente relazione empirica basata sulla pendenza locale e area contribuente:
𝑆 = 0.32 ∗ 𝐴−0.2 [5.4]
Dove S; è la pendenza locale (m/m) e A; è l’area contribuente (km2).
Il metodo Zimermann et al. (1997) indica che le celle, classificate come potenziale innesco delle colate detritiche, devono eccedere la suddetta soglia (Figura 5.2)
Figura 5.2 - Relazione tra pendenza locale e area contribuente per l’individuazione dei possibili punti di innesco delle colate detritiche (Cavalli e Grisotto, 2006).
Questo approccio trova fondamento nel fatto che, in presenza di sedimento disponibile per essere mobilizzato, l’innesco di una colata detritica canalizzata dipende dal superamento di valori critici di portata liquida e pendenza del canale. La relazione inversa fra area e pendenza esprime il concetto che nei canali a più forte pendenza è sufficiente, per l’innesco, una portata liquida inferiore rispetto a canali con valori di pendenza meno elevati. Per quanto riguarda la disponibilità di sedimento, nel presente studio si è assunto che per valori di pendenza locale maggiori di 38°, valore prossimo all’angolo di attrito
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interno caratteristico di materiali detritici spigolosi, la quantità di materiale detritico mobilizzabile sia modesta o trascurabile; tali aree sono state pertanto escluse dalle possibili zone d’innesco di colata. Valori elevati dell’area drenata sono solitamente associati a processi di trasporto solido al fondo ed in sospensione, non all’innesco di colate detritiche. Queste ultime possono, come è noto, interessare anche bacini di dimensioni piuttosto ampie (indicativamente, salvo casi particolari, fino a 10-15 km2) ma si originano solitamente in corrispondenza di aree contribuenti decisamente minori. Si è ritenuto che, oltre una soglia di area contribuente pari a 10 km2, sia improbabile il verificarsi di fenomeni di innesco di
una colata. L’imposizione di questa soglia nella determinazione delle celle di possibile innesco permette inoltre di eliminare gli artefatti creati dalle elaborazioni come, ad esempio, possibili punti d’innesco individuati in prossimità di grandi sbarramenti trasversali lungo i corsi d’acqua maggiori.
L’analisi è stata implementata con una procedura semi automatica all’interno dello strumento “Raster Calculator”. Seguendo le indicazioni dell’equazione [5.3], si è proceduto prima alla conversione del raster di accumulo dei deflussi in chilometri quadrati, poi, tramite lo strumento “Pow” che permette di calcolare l’elevazione di potenza richiesta del raster in ingresso, è stato applicato il secondo membro dell’equazione [5.3].
In seguito sono state identificate le aree con pendenza superiore a 38° (convertendo la pendenza in m/m) e sono state escluse, in quanto non capaci di trattenere sedimento mobilizzabile e, di conseguenza, in corrispondenza delle quali è improbabile che si verifichi l’innesco di colate detritiche. La relazione tra pendenza e area contribuente dell’equazione ha avuto completo svolgimento nell’ultima fase, in cui i punti di innesco sono stati individuati dall’imposizione del raster delle pendenze maggiore al secondo membro dell’equazione [5.3].
5.1.3 Mappa delle densità dei punti di innesco
La mappa di densità dei punti di innesco, è uno strumento di indagine preliminare che può essere adottato per definire le aree in cui è maggiore l’esposizione al rischio di colate detritiche e può, dunque, fornire informazioni utili alla pianificazione territoriale (Cavalli e Grisotto 2006).
Tale mappa è ottenuta mediante un tool di ArcGis basato sul concetto di Kernel Density (ESRI, 2004): attorno ad ogni punto, mediante una funzione statistica (quadratic kernel function descritta da Silverman, 1986), si adatta una superficie uniformemente distribuita di forma circolare. Il valore della superficie è più alto in corrispondenza del punto e diminuisce con l’aumentare della distanza dal punto fino a raggiungere il valore nullo alla distanza corrispondente al raggio d’indagine assegnato. La densità di ogni cella è calcolata sommando i valori di tutte le superfici che interessano il centro della cella stessa.
La procedura di calcolo utilizzata è stata implementata all’interno della funzione “Kernel Density”, dove sono stati inseriti i seguenti valori: cell size = 1 e raggio = 50 m.
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5.2 Applicazione della procedura automatica nell’area di Cortina d’Ampezzo