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 2 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 3 Generalità Situazione opposta alle precedenti Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 17 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 18 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 19 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 20 Esempio di applicazione a scala di bacino Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 21 Esempio di applicazione Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 22 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 23 Caratterizzazione aree sorgenti di sedimento Sezione di chiusura Canale principale Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 24 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 25 Applicazione a scala regionale (Val Venosta) Area 1096 km2 e DTM LiDAR a 2.5 m di risoluzione Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 26 Applicazione a scala regionale (Val Maira) -1 Focus di analisi: bacini selezionati con target la rete idrografica principale Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 27 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 28 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 29 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 30 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 32 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 Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 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 Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 34 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. Valle Maira – 17 Ottobre 2014 – Analisi della connettività del sedimento in ambito montano 35
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