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Analisi della connettività del sedimento in ambito
montano
Convegno Valle Maira (CN)
17-18 Ottobre 2014
M. Cavalli, S. Crema, B. Goldin, L. Marchi
[email protected]
San Damiano (CN), 17/10/2014
Generalità
I bacini montani presentano una grande variabilità dei processi erosivi e di trasporto di sedimenti
Un’efficace connessione dei versanti con la rete canalizzata si esplica tramite efficienti processi di
trasferimento dei sedimenti (e.g. debris flows)
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Generalità
Particolari condizioni morfologiche (e.g. circhi glaciali, fasce periglaciali) possono generare un
disaccoppiamento (‘decoupling’) tra versanti e canali inibendo il trasferimento del sedimento verso
valle di ampie aree del bacino.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Generalità
Situazione opposta alle precedenti
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Generalità
Relazioni con la rete idrografica e la morfologia locale del bacino
-Distanza dalla sezione di chiusura del bacino (o da una data sezione di riferimento);
-Presenza di particolari situazioni morfologiche (o antropiche) in grado di favorire o inibire il
convogliamento del sedimento dalle aree instabili alla rete idrografica.
Aree sorgenti di sedimento
separate da aree non interessate
da erosione o trasporto di
sedimento.
Aree sorgenti di sedimento a diretto contatto con
la rete idrografica
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Sediment delivery problem
• Solo una piccola frazione del sedimento eroso all’interno del
bacino riesce a raggiungere la sezione di chiusura ed essere
rappresentato sotto forma di sediment yield -> sediment
delivery problem (Walling,1983);
• Il deposito dei sedimenti nei bacini spiega la discrepanza tra
l’erosione e l’effettiva produzione di sedimenti;
• La comprensione delle dinamiche interne di trattenuta del
sedimento in un bacino offre in qualche modo una chiave di
lettura che è in grado di risolvere il sediment delivery problem.
Walling DE. 1983. The sediment delivery problem. Journal of Hydrology
65: 209–237
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Connettività del sedimento
• Definizione: il grado di connessione dei flussi di sedimento
all’interno di un territorio
• Nei bacini esistono tre tipi di collegamento (Fryirs, 2013):
9 Laterale: versante-canale;
9 Longitudinale: canale e interazione tributario-corso d’acqua;
9 Verticale: interazioni superficie-sottosuolo
• Questi collegamenti possono essere interrotti da differenti
tipologie di sink: buffers, barriers e blankets.
• Necessità di una caratterizzazione spaziale;
Fryirs K. 2013. (Dis)Connectivity in catchment sediment cascades: a fresh look
at the sediment delivery problem. Earth Surf. Process. Landforms 38: 30–46
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Approccio geomorfometrico
Geomorfometria: “Scienza che si occupa dell’analisi quantitativa della superficie terrestre”
(Hengl e Reuter, 2009)
La rappresentazione digitale del terreno (DEM) è un’informazione fondamentale per la
comprensione e lo studio dei processi.
LiDAR: Light Detection And Ranging
•Tecnologia sempre più diffusa per l’acquisizione di dati topografici ad alta risoluzione.
•Il LiDAR aerotrasportato consente rilievi della superficie (x, y, z) con elevata accuratezza.
DTM
DSM
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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DEM
DEM
DEM LiDAR
LiDAR
da Carta
(10
(2 Tecnica
xx210
m)m)Provinciale (10 x 10 m)
Indice di connettività
Borselli L., Cassi P., Torri D., 2008. Prolegomena to sediment and flow connectivity in
the landscape: a GIS and field numerical assessment. Catena, 75(3), 268-277
L’indice di connettività (IC) è
calcolato usando due
componenti:
Upslope component Dup
potenziale convogliamento del
sedimento verso valle del
sedimento prodotto a monte.
Downslope component Ddn
lunghezza del percorso che il
sedimento deve affrontare per
raggiungere un sink o un
target.
⎛ Dup
IC = log 10 ⎜⎜
⎝ D dn
⎞
⎟
⎟
⎠
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Indice di connettività
Upslope component
Dup = W ⋅ S ⋅ A
W : fattore peso medio dell’area contribuente a monte
S : pendenza media dell’area contribuente a monte (m/m)
A : area drenata (m2)
Downslope component
Ddn = ∑
i
di
Wi ⋅ S i
di : lunghezza dell’ i esima cella lungo il percorso verso valle (m)
Wi : fattore peso dell’ i esima cella
Si : pendenza dell’ i esima cella (m/m)
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Pendenza (S)
Steepest descent method
30m
67
56
49
52
48
37
58
55
22
30m
67 − 52
= 0.50
30
67 − 48
= 0.45
30 2
Pendenza S (m/m)
S < 0.005 => S = 0.005 per evitare ∞ nell’equazione
della componente downslope
S > 1 => S = 1 per evitare bias di alti valori di IC in aree
a forte pendenza (e.g. pareti subverticali)
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Weighting factor (W)
•Il fattore peso (Weighting factor – W) intende rappresentare
l’impedenza dei flussi idrici e sedimentari.
•Nel modello di Borselli et al. (2008) si utilizza il C factor della
USLE – RUSLE
•Varia da 0 a 1
•Alti valori W: bassa impedenza
•Bassi valori W: alta impedenza
•
•
In ambiente montano le
condizioni morfologiche locali
giocano
un
ruolo
predominante;
Con DTM ad alta risoluzione è
possibile
quantificare
la
variabilità topografica a scala
locale.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Indice di scabrezza-1
• Un importante contributo alla comprensione della morfologia dell’area di studio può essere
fornito dal calcolo di un indicatore di tipo distribuito in grado di misurare la variabilità locale
delle quote ad una scala d’indagine di pochi metri, consentita solamente dai DTM ad alta
risoluzione.
• Diversi metodi sono stati proposti in letteratura per misurare la scabrezza superficiale a
partire dai dati LiDAR (McKean e Roering, 2004; Glenn et al., 2006, Frankel e Dolan,
2007).
• Approccio basato sulla Neighborhood Analysis
implementato in molti software (ArcGis, Saga etc.).
• La Neighborhood Analysis si basa sulla caratteristica
locale dei dati.
• Possibili differenti operazioni di tipo matematicostatistico.
Il valore in ogni cella del raster di output è funzione di un intorno di celle che verranno
incluse nel calcolo a seconda della dimensione della finestra mobile scelta
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Indice di scabrezza-2
DTM LIDAR
DTM
MEDIATO
MEDIA
FINESTRA 5X5
DIFFERENZA
CELLA PER CELLA
TOPOGRAFIA
RESIDUA
DEV.STANDARD
FINESTRA 5X5
INDICE
SCABREZZA
Il valore di scabrezza assegnato ad ogni cella
corrisponde alla variabilità topografica alla scala di
indagine (risoluzione DTM - dimensione della finestra di
calcolo)
Cavalli et al., 2008 e Cavalli e Marchi, 2008
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Weighting factor (W)
⎛
⎞
RI
⎟⎟
W = 1 − ⎜⎜
MAX
(
RI
)
⎝
⎠
Limite inferiore = 0.001
L’indice di scabrezza necessita di essere standardizzato per tre principali motivi:
(i)Avere lo stesso range di variazione della pendenza (0 – 1);
(ii)Rimuovere il bias dovuto ad elevati valori di scabrezza (e.g. pareti subverticali)
(iii)Disporre di valori confrontabili con il fattore C utilizzato come peso nel modello
originario.
Diversi vantaggi:
•Il peso è stimato in modo oggettivo;
•Si evita l’ utilizzo di dati tabellati;
•Il modello di connettività richiede solo un DTM in input.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Direzioni di deflusso (D∞)
Proportion
flowing to
neighboring
grid cell 4 is
α1/(α1+α2)
4
α2
α1
Steepest direction
downslope
Proportion flowing to
neighboring grid cell 3
is α2/(α1+α2)
3
2
Flow
direction.
5
1
6
8
7
Tarboton, 1997. A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing
Areas in Grid Digital Elevation Models, Water Resources Research, 33(2): 309-319.
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D8 vs D∞
Cavalli M., Trevisani S., Comiti F., Marchi L., 2013. Geomorphometric assessment of spatial
sediment connectivity in small alpine catchments. Geomorphology, 188, 31-41.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Esempio di applicazione a scala di bacino
Bacini
Gadria e Strimm
(Val Venosta, BZ)
Litologia: micascisti, gneiss e
filliti.
Uso del suolo: foreste di
conifere, prateria alpina, suolo
nudo e detrito sciolto.
Precipitazione annua: circa
500 mm nel fondovalle, forte
increment con la quota.
Gadria: area 6.36 km2,
pendenza media 79.1%, rilievo
1394 – 2945 m.
Strimm: area 8.5 km2,
pendenza media 61.8%, rilievo
1394 – 3197 m.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Esempio di applicazione a scala di bacino
1
2
IC calcolato per valutare la connettività tra:
1. Versanti e sezione di chiusura del bacino (IC outlet);
2. Versanti e corso d’acqua principale e laghi (IC channels).
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Esempio di applicazione a scala di bacino
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Esempio di applicazione
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Confronto tra bacini
IC outlet
Minimum
Maximum
Mean
Median
First quartile
Third quartile
Standard deviation
Gadria
-6.101
-0.153
-3.345
-3.395
-3.588
-3.161
0.361
Strimm
-6.820
-0.423
-3.819
-3.809
-4.146
-3.454
0.542
Cordon
-8.173
-1.343
-4.602
-4.604
-4.943
-4.293
0.509
IC sinks
Minimum
Maximum
Mean
Median
First quartile
Third quartile
Standard deviation
Gadria
-5.491
2.646
-2.220
-2.325
-2.620
-1.928
0.571
Strimm
-6.299
2.149
-2.564
-2.495
-3.311
-1.936
0.904
Cordon
-7.800
1.741
-3.572
-3.710
-4.199
-3.039
0.876
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Caratterizzazione aree sorgenti di sedimento
Sezione di chiusura
Canale principale
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Applicazione a scala regionale
Obiettivi
•Testare l’applicabilità dell’indice in un contesto regionale
caratterizzato da grande variabilità di morfologia e uso del suolo;
•Investigare l’effetto della risoluzione del DTM sui risultati
dell’indice;
•Testare due differenti fattori peso;
•Studiare la comparabilità dei valori di connettività tra bacini di
diverse dimensioni.
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
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Applicazione a scala regionale (Val Venosta)
Area 1096 km2 e DTM LiDAR a 2.5 m di risoluzione
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Applicazione a scala regionale (Val Maira) -1
Focus di analisi: bacini selezionati con target la rete idrografica principale
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Applicazione a scala regionale (Val Maira) -2
• Aree a bassa connettività in corrispondenza di zone caratterizzate da morfologia
glaciale;
• Aree di questo tipo possono essere trattate come veri e propri sink e quindi
scorporate dall’analisi;
• Aree a morfologia fluviale presentano invece alti valori dell’indice.
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IC vs risoluzione del DTM
IC all’outlet
IC all’Adige
•
•
•
incremento di IC al diminuire della risoluzione;
incremento più marcato nell’applicazione
all’Adige;
incremento imputabile alla semplificazione dei
percorsi dovuto all’aumento delle dimensione
della cella.
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n Manning vs scabrezza topografica
• Diversi pattern di connettività per diversi fattori peso utilizzati;
• Generalmente si ottengono valori più bassi di IC utilizzando la n di Manning.
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IC vs dimensioni del bacino -1
Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano
31
IC vs dimensioni del bacino -2
Upslope component
•
•
Downslope component
i dati mostrano una correlazione positiva tra l’area del bacino e la component
downslope;
nessuna evidente correlazione tra area del bacino e la component upslope.
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Tools
Implementazione in ArcGIS
Input working
Directory
Pits removed
DTM raster
Input rasters
cell size
Output Index of
Connectivity
raster
•
•
Weighting
factor raster
Versione per ArcGIS 10.1 (con Service Pack 1!) e 10.2.
Richiede l’installazione di TauDEM 5.1 http://hydrology.usu.edu/taudem/taudem5/downloads.html
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33
Tools
Implementazione open-source (SedInConnect 1.1)
•
•
non richiede l’utilizzo di GIS commerciali;
incorpora la funzione Sink.
http://www.sedalp.eu/download/tools.shtml
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Conclusioni
•
L’indice di connettività sì è dimostrato estremamente utile per una rapida
caratterizzazione della dinamica del sedimento nei bacini alpini;
•
Mediante un approccio integrato che include la mappatura delle aree
sorgenti di sedimento è possibile non solo stimare la disponibilità generale di
sedimento, ma anche la probabilità che questo materiale raggiunga specifici
target di interesse;
•
L’indice
di
connettività
può
essere
utilizzato
per
confrontare
quantitativamente anche bacini di diversa dimensione fornendo utili
informazioni sui processi dominanti che li caratterizzano;
•
I tool sviluppati nell’ambito del progetto SedAlp rappresentano un nuovo
strumento d’analisi a disposizione di stakeholder e personale coinvolto
operativamente nella gestione del territorio.
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