Erosione del suolo GA2015

Erosione del suolo

Filippo Catani Dispense del Corso di Geomorfologia Applicata

Tipi di erosione idrica • Erosione da impatto (splash erosion): Il processo avviene a seguito all’impatto delle gocce d’acqua che staccano le particelle e ne causano il movimento.

• Erosione laminare (sheet erosion): Legata allo scorrimento in superficie della porzione di acqua che non infiltra.

• Erosione per rigagnoli (rill erosion): Legata alla concentrazione delle acque che scorrono in superficie sotto forma di rigagnoli.

• Erosione per fossi (gully erosion): Legata all’approfondimento di alcuni rigagnoli, evolve rapidamente approfondendosi ed allargandosi

Si distingue una erosione areale (per impatto e laminare) da una erosione lineare (per rigagnoli e per fossi).

Ci sono poi l’Erosione Eolica e quella Fluviale propriamente detta, che però non vengono trattate in questa parte del corso.

Erosione laminare

Erosione a rivoli

Erosione incanalata

Erosione a solchi

Processo erosivo: cause principali • Il processo erosivo può essere messo in relazione a fattori di diversa natura.

Questi fattori possono agire secondo modalità diverse causando situazioni di diverso grado di pericolosità

Erosione del suolo

Naturale

Normale

Antropica

Anormale

Accelerata

Alta pericolosità

Bassa pericolosità

Ostacolata

Rapporto tra piovosità media annua ed erosione Senza vegetazione Tasso di erosione

La relazione esistente tra la piovosità ed il tasso di erosione è legata alla presenza di vegetazione.

Le zone piovose sono caratterizzate dalla presenza di vegetazione che attutisce l’effetto erosivo della precipitazione

Con vegetazione

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

Precipitazione media annua in mm

Tipi di erosione in relazione ai fattori che li determinano Fattore dominante ACQUA NEVE GHIACCIO VENTO GRAVITA’ ORGANISMI

Tipo di erosione IDRICA NIVALE GLACIALE EOLICA DI MASSA ORGANICA

FATTORI DI EROSIONE DI ENERGIA: DI RESISTENZA • erosività • erodibilità • entità del • gestione del ruscellamento suolo • energia del rilievo • lunghezza e pendenza

DI PROTEZIONE •copertura vegetale •gestione del suolo

Erosione

Precipitazione

Cicli stagionali

J FMAMJ J AS OND

• L’andamento nel corso dell’anno delle precipitazioni e della vegetazione mostra come questi influiscano in modo sensibile sull’andamento dell’erosione

Movimento di una particella di suolo conseguente all’impatto di una goccia di pioggia La presenza di una superficie inclinata condiziona la possibilità di spostamento delle particelle da parte di una goccia.

A) superficie piana B) superficie inclinata

A)

B)

Erosione da impatto

Pendenza del versante Erosione/ha

L’intensità dell’erosione risulta fortemente influenzata dalla pendenza e dalla lunghezza del versante questi influiscono sulla velocità dell’acqua e sull’angolo di incidenza della goccia.

Erosione/ha

Relazione fra intensità dell’erosione pendenza e lunghezza di un versante

Lunghezza del versante

Fasi di sviluppo di un fosso su un versante Interruzione della copertura vegetale per ruscellamento superficiale Formazione di una depressione Formazione della testata del fosso

Erosione alla base e collasso Arretramento della testata

Tipi litologici e caratteristiche geometriche dei fossi Tipo di substrato

Argille e argille limose coesive

Sez. Trasversale Sez. Longitudinale Profilo del fosso

Argille moderatamente coesive, sabbie debolmente cementate Limi moderatamente coesive Materiali granulari sciolti

Pinnacoli alla testata

Materiali grossolani

Materiali ben gradati

Influenza della rugosità della superficie sull’azione erosiva del vento La rugosità della superficie ha l’effetto di dissipare parte dell’energia del vento aumentando il moto vorticoso e riducendone la capacità erosiva.

A) superficie liscia B) superficie rugosa

velocità del vento

A uniforme

vortici velocità del vento

B uniforme

vortici

Tipi di trasporto eolico • Sospensione: interessa le particelle più piccole (<0.1 mm) che possono viaggiare anche per lunghe distanze.

• Reptazione (trascinamento): interessa le particelle di maggiori dimensioni (0.5 – 2 mm) che rotolano e strisciano sotto l’azione del vento.

• Saltazione: interessa particelle intermedie (0.05 0.5 mm) con rimbalzi. La traiettoria ha altezza diversa a seconda della massa delle particelle interessate.

Tipi di trasporto eolico Il tipo di trasporto eolico risulta influenzato dalla granulometria del materiale presente

Diametro (mm) 0.05

0.1

0.15

Intervallo dimensionale maggiormente vulnerabile

0.5

1.0

2.0

Effetti della deflazione eolica • Assottigliamento del suolo a spese degli orizzonti superiori del suolo.

• Arricchimento indiretto del suolo in materiale grossolano per rimozione selettiva delle particelle fini.

• Livellamento della superficie del suolo per colmamento delle depressioni e progressiva riduzione della rugosità

Esempio degli effetti della deflazione eolica

Erosione torrentizia e fluviale • Erosione verticale e o di fondo: detta anche incisione, favorisce l’approfondirsi dell’alveo • Erosione laterale: agisce sulle ripe favorendo fenomeni di crollo e l’allargamento dell’alveo • Erosione regressiva: arretramento verso monte della testata del corso d’acqua a causa di processi erosivi

Classificazione dell’erosione in base alla

quantità di suolo rimosso Livello di Intensità erosione mm

Intensità mc/ha

Attributo erosione

Erosione di 20 cm(anni)

1

<0.05

<0.5

2

0.05-0.5

0.5-5

Nulla o trascurabile Leggera

>400

3

0.5-1.5

5-15

Moderata

400-133

4

1.5-5

15-50

Severa

133-40

5

5-20

50-200

40-10

6

>20

>200

Molto severa Catastrofica

>400

<10

Modelli idrologico-erosivi ď&#x192;&#x2DC; Qualitativi o geomorfologici, basati su osservazioni dirette dei fenomeni e delle loro conseguenze sui suoli ď&#x192;&#x2DC; Semiquantitativi o parametrici, basati su parametri adimensionali ordinali che conducono alla costruzione di scale di potenziale relativo di erosione ď&#x192;&#x2DC; Quantitativi, basati su variabili con dimensioni fisiche. Forniscono dati di erosione del tipo ML-2T-1

Modelli costituiti da relazioni statistiche basate unicamente sull'osservazione di dati

EMPIRICI sperimentali senza che questi abbiano nessun

fondamento teorico

CLASSIFICAZIONE DEI MODELLI EROSIVI

CONCETTUALI

Modelli basati su relazioni teoriche che descrivono le interazioni fra le diverse componenti idrologiche (clima, topografia, parametri idrologici, etc.)

(Nearing et al., 1995)

Modelli caratterizzati da basi teoriche ed

equazioni fondate su relazioni che descrivono i

FISICAMENTE BASATI

processi erosivi da un punto di vista fisico. Tutti i meccanismi che controllano il processo erosivo vengono descritti singolarmente e ne vengono considerate le reciproche interazioni.

ghgg

23

Tipo di approccio allo studio dei processi erosivi QUALITATIVO

Metodologie basate sull'osservazione diretta dei fenomeni di degradazione - Carte geomorfologiche.

SEMIQUANTITATIVO

Metodologie che prevedono l'assegnazione di pesi ai diversi fattori dell'erosione proporzionali alla importanza che assumono nel processo erosivo.

QUANTITATIVO

Metodologie basate sulla parametrizzazione dei vari fattori Modelli matematici per la previsione dell'erosione.

24

Metodo qualitativo o geomorfologico • Si basa sull’osservazione diretta dei fenomeni di degradazione. Sono basati sul rilevamento e la cartografia geomorfologica.

• Valutazione forme • Valutazione stato di attività • Valutazione possibile evoluzione Legenda carta della dinamica delle forme

25

SuscettibilitĂ allâ&#x20AC;&#x2122;erosione su base geomorfologica Depth of rill,

spacing between rills and gullies (cm)

gullies (cm) <25

25-50

50-150

150-500

5-50

moderate

sligth

50-150

severe

moderate

sligth

150-500

severe

severe

moderate

Sligth

>500

severe

severe

severe

moderate

>500

slight

The criteria determing the classification are the density/frequency of erosion type and the erosion type and vegetation cover; from which the erosion classification derives.

erosions

erosion type

classes 1

no erosion

2

slight erosion

% Veg. Cover

Inter-rill, rill, shallow

4

5

moderate

Inter-rill, rill, shallow -

erosion

medium deep gully

moderate

rill, medium-deep gully,

erosion

bank erosion

severe erosion

6

rill, medium-deep, deep

Degra-

Erosion

dation

>90

green

<10

none

>75

light-

<25

slight

gully 3

Color

green >75

jellow

<25

moderate

51-75

brown

25-49

moderate

26-50

red

50-74

severe

< 25

dark-

>75

severe

gully, landslides

severe

rill, deep gully, badlands

erosion

severe mass movements

red

26

27

Esempio di approccio semiquantitativo – Metodo PSIAC  Assegna ai fattori responsabili dell’erosione un valore (peso) legato all’importanza che lo stesso ha nei confronti del processo erosivo.  Molto indicato per aree con notevole energia del rilievo e densa copertura

vegetale.  Permette il confronto tra versanti vicini stabilendo un grado di attitudine nella produzione di sedimenti e riconoscendo le aree più soggette alla produzione di sedimento.  Lavora utilizzando lo strumento della fotointerpretazione e costituendo una serie di carte tematiche.

Fattori analizzati nel metodo PSIAC - I  Litologia dei substrati, distinguendo la loro tipologia e loro caratteristiche meccaniche (cementazione, fratturazione, alterazione).  Caratteristiche dei suoli, la tessitura (più o meno fine), stato di aggregazione delle particelle, presenza di particolari minerali argillosi, presenza di orizzonti induriti, contenuto di sostanza organica.  Caratteristiche del clima, frequenza ed intensità degli eventi piovosi.  Regime dei deflussi, sia sui versanti che negli alvei.

Fattori analizzati nel metodo PSIAC - II  Caratteristiche morfometriche e topografiche, legate all’energia del rilievo, lunghezza e pendenza dei versanti, nonché alla possibilità di formazione di apparati alluvionali.  Copertura del suolo, densità e frequenza del manto vegetale, presenza

di lettiera e di roccia affiorante.  Erosione sugli interfluvi, evidenza e frequenza delle forme elementari dell’erosione sia idrica (rigagnoli e fossi), di massa (frane), eolica (deflazione).  Erosione negli impluvi, profondità e frequenza dell’erosione di sponda, questa può essere ostacolata sia da particolari situazioni naturali che artificiali

Valutazione della produzione di sedimenti mediante lo PSIAC ď&#x192;&#x2DC; La somma dei vari parametri permette di classificare il bacino in una delle seguenti classi che premette di riconoscere lâ&#x20AC;&#x2122;attitudine

allâ&#x20AC;&#x2122;erosione.

Esempio di approccio semiquantitativo â&#x20AC;&#x201C; Metodo Parametrico Lineare

(Catani et al., 2001)

In aree mediterranee semi-aride i processi erosivi sono principalmente dallâ&#x20AC;&#x2122;equilibrio tra parametri idraulici e morfologici.

controllati

Differenti combinazioni di questi parametri si riflettono nella prevalenza spaziale di erosione per overland flow oppure per saturation overland flow e processi ipodermici quali il sifonamento ed il piping.

Metodo Parametrico Lineare Parametri utilizzati (semi-distribuiti)

erodibilità del suolo K, che caratterizza l’attitudine di un suolo all’erosione  uso del suoloV , che controlla la quantità di deflusso prodotto, la velocità dello stesso, l’evapotraspirazione potenziale e la coesione degli apparati radicali, le caratteristiche idrogeologiche del suolo in termini di conducibilità idraulica satura e non satura  coefficiente di infiltrazione relativa Ci, che controlla la distribuzione delle precipitazioni tra ambiente superficiale, ipodermico e profondo  area drenata specifica As, che è normalmente utilizzata come variabile sostitutiva del deflusso attraverso la sezione unitaria considerata  gradiente di pendenza locale del versante z, proporzionale alla velocità del flusso 2  curvatura del versante  z, direttamente correlata con l’erosione ipodermica e inversamente con quella di scorrimento superficiale 

Metodo Parametrico Lineare Esempio – Dati di base I

Scala di erodibilità relativa

Erodibilità dei suoli

Uso del suolo

Capacità di infiltrazione

Metodo Parametrico Lineare Esempio â&#x20AC;&#x201C; Dati di base II

Scala di erodibilitĂ relativa

Classi di pendenza Classi di curvatura Classi di area drenata

Metodo Parametrico Lineare Esempio – Valutazione del potenziale di erosione per O.F. e S.O.F. I valori vengono combinati tra di loro in modo lineare. I fattori ponderali wi sono assegnati con metodi di matrice come quelli suggeriti ad esempio da Hudson (1992).

Nel nostro caso otteniamo, per ogni elemento finito di calcolo, una espressione del tipo:

Ei  wK Ki  wV Vi  wz zi  w2 z  2 zi  wA Ai  w Ci Matrice di interazione variabili A, B, C, D

Determination of parameter weights

causes Code

interaction

0 1 2 3 4

none weak fair strong critical

effects

A

1

0

2

3

4

B

4

1

9

4

0

C

0

4

2

2

3

D

7

10

3

7

3

23

parameter A B C D

C 3

E 10

C+E C+E normweight 13 28.3 9.4

9 4 7

3 7 3

12 11 10

26.1 23.9 21.7

8.7 8.0 7.2

SUM

46

100

33

I = wAA + wBB + ...+wnN SUM

0 1 2 3

assegnazione valori ai parametri

Metodo Parametrico Lineare Esempio â&#x20AC;&#x201C; Risultati finali Erosione O.F.

Erosione S.O.F.

Modelli quantitativi ď&#x192;&#x2DC; Empirici basati su parametri determinati per via sperimentale ď&#x192;&#x2DC; Semi-empirici, basati sia su parametri sperimentali che su variabili fisiche derivate da equazioni costitutive ď&#x192;&#x2DC; Fisicamente basati, basati su equazioni costitutive che modellano tutti i processi fisici connessi con lâ&#x20AC;&#x2122;erosione del suolo. Possono a loro volta essere distinti in vari modi

Modelli fisicamente basati Una delle principali distinzioni è tra:

 Distribuiti nei quali, almeno in teoria, si tiene esplicitamente in considerazione la variabilità spaziale dei processi, delle variabili di ingresso, delle condizioni al contorno etc.  Aggregati, nei quali non c’è esplicita considerazione delle variazioni spaziali. Spesso sono costituiti da una combinazione di ODE con equazioni algebriche empiriche.

Esistono poi importanti distinzioni relative a scala spaziale e temporale di applicazione, scopi etc.

USLE (Wischmeier & Smith, 1965) Si tratta di un modello a scala di parcella (aggregato) e semiempirico. Non tiene conto della rideposizione dei sedimenti presi in carico. Nella sua espressione originaria l’erosione è valutata in ton/ha anno come: E=R·K·L·S·C·P E = Quantità di suolo asportata ogni anno per unità si superficie (ton/ha anno) R = Erosività della pioggia (REcI30) K = Erodibilità del suolo, K=(cont.organico, tessitura, granulometria, permeabilità) L = Lunghezza del tratto di versante considerato S = Pendenza del tratto di versante considerato C = Fattore relativo alla tipologia delle colture ed alle tecniche colturali (0≤C≤1) P = Fattore relativo alla presenza ed alla efficacia di opere sistematorie (0≤P≤1)

USLE Distribuita - Generalità E’ possibile utilizzare la USLE o qualcuna delle sue modifiche (che riguardano principalmente i metodi per la determinazione dell’erosività della pioggia, in modo distribuito. E’ infatti possibile equiparare una cella di una griglia rettangolare finita ad una singola parcella. Il risultato dell’applicazione, che richiede un certo aggiustamento nei parametri e alcune ipotesi semplificative, produce come risultato un potenziale locale di erosione visto che non fornisce informazioni sul trasferimento di sedimenti tra celle.

E  R K  L S C  P In questo caso il parametro R, per bacini di piccole dimensioni (<10 km2), può essere considerato costante. Per superfici maggiori si dovrà invece definirne i valori in modo distribuito in base a dati sulla pluviometria dell’area. Gli altri valori vengono tutti distribuiti spazialmente sulla base della discretizzazione dei dati di ingresso. Per K ci si basa sulla carta dei suoli e sul relativo database delle proprietà tessiturali, granulometriche, idrogeologiche e chimiche medie. Per C e P si attribuiscono dati per classi di uso del suolo, sulla base dei dati di letteratura.

USLE Distribuita - R Il fattore R esprime come già detto il potenziale erosivo della pioggia, cioè la sua energia. Tale energia viene correttamente espressa dal prodotto tra energia cinetica E delle gocce di pioggia (dipendente dalla massa e dalla velocità di caduta delle stesse) e intensità massima I della pioggia stessa nell’intervallo di 30 minuti. Purtroppo il calcolo di R in questo modo è reso estremamente complesso dalla difficoltà di avere dati sulle intensità massime nei 30 minuti e dalla incertezza notevole nell’approssimazione della massa delle gocce di pioggia.

Si utilizzano perciò formule empiriche semplificate, quali ad esempio quella di Wishmeier e Smith (1965) che dipende solo dalla altezza H di pioggia di durata 6 ore e tempo di ritorno 2 anni:

R  0,417H d  6ore, Tr  2anni

2,17

Il valore di H viene stimato con la distribuzione di Gumbel (1967):

H    ln lnT  1 / T  / a dove μ = m - 0,45σ e α = 1,283/σ m = media di pioggia di durata uguale a 6 ore espressa in mm/h σ = deviazione standard T = tempo di ritorno che viene posto uguale a 2 Il valore di H per l’esercitazione è stato già calcolato per 3 stazioni pluviometriche (Ponte a Olmo, Vetta le Croci e Croci di Calenzano. Il dato deve però essere interpolato su tutta l’area, per poi calcolare R col map calculator di ArcView utilizzando l’espressione R=0.417*H2.17

USLE Distribuita - K Il fattore K esprime la erodibilità di un suolo, quindi la sua propensione ad essere asportato dalle acque di scorrimento superficiale. K dipende essenzialmente dalla natura granulometrica del suolo, dalla sua struttura, dal contenuto di sostanza organica e dalla permeabilità.

In simboli K nella USLE si ottiene con la seguente espressione:





100K  2,1M 1,14  104  12  a   3,25b  2  2,5c  3 dove: - M è un paramentro che tiene conto delle dimensioni delle particelle del terreno ed è calcolato come M = α(100 - γ), con α pari alla percentuale di materiale limoso e sabbioso molto fine (cioè caratterizzato da diametri compresi tra 0,1 e 0,002 mm) e γ pari alla percentuale di argilla (diametro <0,002mm); - a è la percentuale di sostanza organica nel terreno; - b che è la classe di tessitura del suolo secondo la classificazione utilizzata per l'abaco di Wischmeier e Smith (vedi slide successuva); - c è la classe di permeabilità del suolo secondo la stessa classificazione Nel nostro caso avremo valori costanti di M, a, b e c per ogni litologia della carta geologica. Il K verrà calcolato con un apposito foglio Excel già compilato per i valori suddetti. I valori di K ottenuti andranno poi aggiunti alla tabella della litologia come attributi nel campo nuovo, da creare, “k_usle”

Abaco per il calcolo di K (Wishmeier & Smith, 1965)

Nome Litologia

Alluvioni recenti Alluvioni terrazzate Arenarie Arenarie calcaree ed argillitiche Arenarie con argilliti e siltiti Arenarie con marne Arenerie e marne Arenarie e siltiti Argille Brecce calcaree ed argilloscisti Calcari argillosi fortemente tettonizzati Calcari della serie ofiolitifera Calcari marnosi Complesso caotico ed olistostromi Detrito di falda Ghiaie e ciottolami Marne Rocce vulcaniche basiche Sabbie Siltiti con arenarie

limo

argilla

20

sabbia molto fine 30

% s.o. Struttura PermeabilitĂ (a) (b) (c)

M

K

10

2

3

2

4500

0,0405

20 20

30 50

10 10

1,9 2,7

3 2

2 1

4500 6300

0,0409 0,0476

30

30

20

2,7

1

2

4800

0,0322

30

30

30

3

1

3

4200

0,0287

30 30 30 30

30 30 40 10

20 20 10 50

3 2,8 2,9 2,1

1 1 1 1

2 2 2 6

4800 4800 6300 2000

0,0309 0,0318 0,0454 0,021

30

20

30

2,4

3

3

3500

0,0327

30

20

35

2,7

3

4

3250

0,0328

30 35

20 15

30 30

3 3

2 2

3 3

3500 3500

0,0267 0,0267

35 30 10 40

10 20 30 20

35 20 10 20

2,6 2,7 2,5 2,9

4 4 4 2

5 2 2 3

2925 4000 3600 4800

0,0376 0,0373 0,0343 0,0388

30 20 40

20 50 30

30 10 10

2,7 2,3 2,8

3 2 1

3 1 4

3500 6300 6300

0,0318 0,0499 0,0525

USLE Distribuita - LS Per L ed S, o meglio per il cosiddetto fattore topografico LS, le cose sono un po’ più complesse perché la lunghezza da considerare non è quella della singola cella o elemento finito ma quella media a monte dello stesso. In base a quanto utilizzato da O’Loughlin (1986) il parametro LS può tuttavia essere stimato con buona approssimazione in base all’area drenata As, utilizzata come approssimazione della lunghezza del versante a monte della cella considerata (Bianchi et al., 2001).



*

LS  L

 22.13

m*

65.41 sin   4.56  sin  0.065 2

dove L* viene calcolato come As0.6, m* varia tra 0.4 e 0.6 dipendentemente dalla pendenza e  è l’angolo del pendio nell’intorno finito della cella. Altri autori (Moore et al., 1993) propongono invece la relazione:

 A  LS  n  1 s   22.13

n

 sin   0.0896

m

con n costante pari a 0.4 ed m costante pari a 1.3

USLE Distribuita – Calcolo dell’area drenata in ambiente GIS

La accumulazione di flusso, o area drenata (upslope contributing area), esprime l ’ estensione (in pixel o in m2) del sottobacino drenato dal pixel considerato (area in rosso nella figura a lato rispetto al punto P). Il calcolo di questa quantità a partire da un DTM richiede il GRID delle direzioni di flusso connesse. Si tratta di una procedura iterativa che si propaga all’indietro, controllando quali celle inviano il flusso verso il pixel considerato. Per ognuna di queste la procedura viene ripetuta finché non si arriva al crinale. Il conteggio finale cumulato indica il numero di celle dell ’ area a monte.

Il calcolo può tener conto, eventualmente, della divergenza del flusso se prevista nella matrice delle direzioni.

USLE Distribuita – C e P Il fattore C esprime l’effetto di protezione esercitato mediamente, nell’arco dell’anno, dalla copertura vegetale. Mediamente nell’anno significa che una vegetazione molto rigogliosa in una stagione ma completamente spoglia nell’altra produce comunque un effetto di protezione minore che nel caso di coperture continue.

E’ per questo che i seminativi (specie a causa del periodo dell’aratura, sarchiatura e semina) sono altamente esposti ad erosione ed è per lo stesso motivo che i vigneti, specie se organizzati a rittochino, sono ancor più vulnerabili.

I valori di C, variabili tra 0 (massima protezione) ed 1 (nessuna protezione), vengono assegnati in base a dati di letteratura derivanti da esperimenti di campagna e risultati reali riscontrati in tutto il mondo su tipologie diverse di uso del suolo.

Nella nostra visione semplificata delle cose faremo dipendere C direttamente dalle classi di uso del suolo del CORINE land cover.

Si tratta quindi di assegnare a tutti i poligoni corine nuovi valori (nel campo “c_usle”) relativi al fattore C, secondo quando fornito in una tabella già compilata per l’area di indagine. Infine il file shape dovrà essere convertito in grid usando il valore c_usle.

Il discorso relativo a P è ancor più semplice: esso viene di solito posto uguale ad 1 (nessun intervento di protezione dall’erosione) in modo da individuare lo scenario peggiore possibile e precederne le conseguenze in caso di abbandono delle tecniche di conservazione del suolo.

Valore di C Classe di uso del suolo Aree a pascolo naturale e praterie d'alta quota Aree a vegetazione boschiva e arbustiva in evoluzione Aree industriali o commerciali

0,013 0,12 0 0,15

Aree prevalentemente occupate da colture agrarie con spazi naturali Boschi di conifere

0,005

Boschi di latifoglie

0,007

Boschi misti

0,009

Brughiere e cespuglieti

Cantieri Oliveti Prati stabili Seminativi in aree non irrigue Sistemi colturali complessi Tessuto urbano

0,12 0 0,38

0,012 0,25 0,3 0

Calcolo finale Al termine delle operazioni viste avremo 4 grid da moltiplicare tra loro, utilizzando il map calculator di ArcView/Analysis:

E (ton/ha anno) = [grid R]*[grid K]*[grid LS]*[grid C]*1 La valutazione dei valori finali ottenuti può essere fatta in base a tabelle standard come la seguente, oppure in base ad esperimenti di taratura in campagna.

da 0 a 1 t/(ha anno): perdita nulla o trascurabile da 1 a 10 t/(ha anno): basso rischio da 10 a 30 t/(ha anno): rischio moderatamente elevato da 30 a 100 t/(ha anno): rischio elevato da 100 a 400 t/(ha anno): rischio molto elevato > 400 t/(ha anno): catastrofico

USLE Distribuita Esempio Dati del modello (comprendono anche dati relativi al modello di frana)

Carta dellâ&#x20AC;&#x2122;erosione potenziale (Torrente Virginio)

WEPP (Water Erosion Prediction Project) Si tratta di un modello a scala di versante (aggregato) e fisicamente basato.

Valuta lâ&#x20AC;&#x2122;erosione sia a scala di evento che su base annuale e tiene conto di tutti i principali processi fisici conosciuti che influenzano lâ&#x20AC;&#x2122;erosione. Esiste anche una versione semi-distribuita, per adesso prototipale.

Componenti idrologiche di WEPP

Bilancio idrologico in WEPP

WEPP Schema del modello (da Spicchi, 2001) CLIMA

OPERATORE

Infiltrazione Deflusso Bilancio idrologico

Conduttività

EROSIONE

Erodibilità

Distribuzione spaziale e temporale dell’erosione e della risedimentazione

INTERFACCIA

DATA BASES Clima Suolo Piante

GRAFICA

Aggiustamenti temporali

IRRIGAZIONE

SUOLO

COLTIVAZIONI Pratiche agricole

INPUT FILES Suolo Pendenza Management Clima

Irrigazione Canali Struttura del bacino

Aggiustamenti temporali

IDROLOGIA

WEPP – Eq. Costitutive del modulo erosivo La componente erosiva del modello è basata sulle seguenti equazioni costitutive per i processi di rill e interrill (che WEPP separa):  Eq. di continuità per i sedimenti per la descrizione del trasporto nei rill:

dG  D f  Di dx

dove G è il carico solido (kg s-1 m-1), x è la distanza lungo il versante, Df il tasso di erosione nei rill (kg s-1 m-2) e Di il tasso di trasferimento tra interrill e rill (kg s-1 m-2).  Eq. di distacco di sedimenti nei rill, basato sul superamento di uno sforzo di taglio critico da parte della corrente e sul fatto che il carico solido sia inferiore alla capacità di trasporto Tc (kg s-1 m-1):

 G D f  Dc 1    Tc  dove Dc è la capacità di distacco per flusso incanalato (kg s-1 m-2). Quando lo sforzo di taglio della corrente supera quello critico del suolo, la capacità di distacco Dc si esprime come:

Dc  Kr  f  c  nel quale Kr (s m-1) è l’erodibilità del canale, f è lo sforzo di taglio della corrente e c quello critico.

Interfaccia grafica

55

File Climatico

4.20 1 0 0 Station: DELPHI IN CLIGEN VERSION 4.2 Latitude Longitude Elevation (m) Obs. Years Beginning year Years simulated 40.58 -86.67 204 44 1 1 Observed monthly ave max temperature (C) 1.4 3.8 10.1 17.7 23.6 28.5 30.1 28.9 25.7 19.3 10.9 3.7 Observed monthly ave min temperature (C) -8.0 -6.2 -1.2 4.5 9.9 15.1 17.1 15.9 11.9 5.8 0.6 -5.1 Observed monthly ave solar radiation (Langleys/day) 125.0 189.0 286.0 373.0 465.0 514.0 517.0 461.0 374.0 264.0 156.0 111.0 Observed monthly ave precipitation (mm) 51.4 49.0 67.4 91.3 94.4 100.3 108.9 93.0 72.5 69.3 71.3 65.3 da mo year prcp dur tp ip tmax tmin rad w-vl w-dir tdew (mm) (h) (C) (C) (l/d) (m/s)(Deg) (C) 1 1 1 8.7 2.42 0.02 1.01 -1.1 -8.9 54. 6.2 286. -5.1 2 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 -6.4 -13.7 95. 6.4 271. -10.1 3 1 1 3.2 1.64 0.07 1.01 -4.1 -13.3 146. 3.6 142. -19.4 4 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 10.4 -14.7 117. 6.7 292. -18.8 5 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 0.9 -0.4 89. 6.1 257. -0.4 6 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 8.4 3.1 82. 6.6 264.

1.1 7 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 -3.9 -6.7 103. 4.1 68. -7.5 8 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 7.2 -2.3 151. 2.8 187. -6.1 9 1 1 21.9 0.86 0.80 4.80 1.5 -0.9 143. 6.1 9. -2.9 10 1 1 0.0 0.00 0.00 0.00 4.1 -10.9 134. 4.3 311. -3.6

Soil Loss Graph

56

Struttura del WEPP

57

WEPP – Eq. Costitutive del modulo erosivo  La sedimentazione avviene quando il carico G è maggiore della capacità di trasporto Tc. Cioè:

Df 

V f q

Tc  G 

dove Vf è l’effettiva velocità di caduta dei sedimenti, q è il deflusso per larghezza unitaria (m2 s-1) e  è un coefficiente che tiene conto della turbolenza generata dalle gocce di pioggia.  L’erosione di interrill è invece controllata da un apposito parametro :



LDi te Tce tr

R  Di  Kiadj I e ir SDRRR Fnozzle  s  w

dove Kiadj è la erodibilità di interrill, Ie la intensità di pioggia effettiva, ir il tasso di runoff sul versante, SDRRR un sediment delivery ratio funzione della rugosità e della granulometria del suolo, Fnozzle un fattore per tener conto degli effetti di irrigazione, Rs la spaziatura tra i rill e w la larghezza di questi ultimi. Tce è la capacità di trasporto alla fine del versante, L la lunghezza dello stesso, tr è la durata della pioggia e te il tempo totale durante il quale l’intensità di pioggia supera la capacità di infiltrazione del suolo.

LISEM (Limburg Soil Erosion Model – De Roo et al., 1996)

LISEM è un modello fisicamente basato e distribuito adatto alla applicazione in bacini di piccole dimensioni (< 100 km2). E’ stato messo a punto per la previsione del deflusso e della produzione e trasporto dei sedimenti durante e immediatamente dopo singoli eventi piovosi. E’ quindi un modello a scala di evento, non adatto a valutazioni della erosione annuale. Il modello è in grado di tener conto degli effetti dovuti ai differenti usi del suolo e pratiche conservative.

LISEM – Componenti del modello LISEM è costituito da una serie di componenti che tengono conto di:            

pioggia intercettazione della precipitazione immagazzinamento in depressioni superficiali infiltrazione movimenti verticali dell’acqua nel suolo deflusso superficiale diffuso deflusso incanalato distacco di sedimenti da impatto e deflusso ipodermico distacco di sedimenti per deflusso superficiale capacità di trasporto dei flussi effetti del passaggio di mezzi meccanici sul suolo effetti di strade pavimentate

Legame tra DTM e componenti di flusso del LISEM

In LISEM il flusso e gli altri parametri a variabilità spaziale connessa con la topografia, vengono direttamente estratti dalla analisi di DTM all’interno dell’interfaccia per i dati geografici, rappresentata da GIS raster-based PCRaster (Van Deursen & Wesseling, 1992)

LISEM – Equazioni costitutive per l’erosione Il modello di distacco di sedimenti utilizzato da LISEM è mutuato dal modello Eurosem (Morgan et al., 1992). Si ha un bilancio tra erosione (di impatto Ds e di flusso Df ) e sedimentazione Dp:

e  Ds  D f  Dp La determinazione di Ds (kg s-1) avviene secondo l’equazione:





Ds  2.82 As  Ke  e1.48h  2.96  P  A

dove As è la stabilità degli aggregati di suolo, Ke è l’energia cinetica della pioggia, h la profondità della lama d’acqua, P è il totale di pioggia che nell’intervallo di tempo di calcolo raggiunge il suolo, A è la superficie sulla quale ha luogo l’impatto delle gocce, w la larghezza del flusso, C la concentrazione di sedimenti e Vs la velocità di deposizione di questi ultimi.

Il distacco o sedimentazione per flusso sono invece: D  Y Tc  C Vs w  dx

dove D può essere sia Df che Dp, Tc è la capacità di trasporto del flusso e Y un coefficiente adimensionale di efficienza che serve a considerare gli effetti della coesione del suolo. La capacità di trasporto è nel LISEM funzione dello stream power (Hack, 1973):

Tc   s  c  c 

d

in questa espressione s è la densità del materiale,  è lo stream power e c il valore critico di quest’ ultimo secondo la definizione di Govers (1990). c e d sono coefficienti sperimentali che dipendono dalla granulometria media (d50) del materiale.

LISEM â&#x20AC;&#x201C; Interfaccia base

LISEM â&#x20AC;&#x201C; Inserimento dati

LISEM â&#x20AC;&#x201C; Simulazione

LISEM â&#x20AC;&#x201C; Risultati grafici simulazione in PCRaster

Un esempio Il bacino del Flumendosa

66

Organizzazione del lavoro e utilizzazione dei dati

Modello digitale del terreno Carta litologica Carta pedologica

DATI STORICI TELERILEVAMENTO LAVORO DI CAMPAGNA

Carta dell’uso del suolo Carta delle unità di territorio

Dati litologici

Dati pedologici

GIS (Arcview)

Dati climatici

Dati derivanti da foto aeree

Simulazioni di pioggia e test di infiltrazione

MODELLING (WEPP)

VALUTAZIONE DEL DEFLUSSO E DELLA PERDITA DI SUOLO

67

Procedura di messa a punto del modello LITOLOGIA

VALORI MISURATI USO DEL SUOLO

SIMULAZIONI DI PIOGGIA E BACINI ATTREZZATI GEOMORFOLOGIA

COMPARAZIONE E TARATURA

CLIMA

MODELLI IDROLOGICO-EROSIVI TOPOGRAFIA

VALORI STIMATI PEDOLOGIA

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Simulatori di pioggia

Simulatore grande - 4,5mX1m

Simulatore piccolo â&#x20AC;&#x201C; 1mX1m

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Monte Perdedu (53,70 mm/h) 0.4

Coeff. Deflusso misurato = 64,7%

l/min.

0.3

Coeff. Deflusso stimato = 64,3%

0.2

Errore

0.1

= -0,6%

0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

IntensitĂ della precipitazione

min.

Deflusso misurato Monte Perdedu (38,20 mm/h)

Deflusso simulato

0.25

Coeff. Deflusso misurato = 55,5%

l/min.

0.2

Coeff. Deflusso stimato = 52,5%

0.15 0.1

Errore

0.05

= -5,4%

0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

IntensitĂ della precipitazione

min.

Deflusso misurato

l/min.

Monte Perdedu (23,9 mm/h)

Deflusso simulato

0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

Coeff. Deflusso misurato = 44,8% Coeff. Deflusso stimato = 35,8% Errore 0

10

20

30 min.

40

50

= -20,1%

60

70

Risultato simulazioni localitĂ Montepiscu

Montepiscu (31,4 mm/h)

Coeff. deflusso misurato = 13,4%

Conc. torbida (g/l)

1 0.8

Coeff. deflusso stimato = 9,7%

0.6

Erosione misurata = 3,99 g (0,106 t/ha)

0.4 0.2

Erosione stimata = 2,52 g (0,067 t/ha)

0 0

10

20

30

40

50

60

Tempo (min.)

Coeff. deflusso misurato = 24,4% Coeff. deflusso stimato = 27,8% Erosione misurata = 13,10 g (0,364 t/ha) Erosione stimata = 12,62 g (0,351 t/ha)

71

Localizzazione del Rio Uvini Uso del suolo

Rio Uvini

%

Pascolo

30,9%

Vigneti e oliveti

-

Seminativo

6,2%

Bosco

60,0%

Altro

2,9%

Classi di pendenza

%

<10%

20,6%

10-20%

19,7%

20-40%

46,0%

>40%

13,7%

72

Suddivisione in versanti del Rio Uvini Un bacino è definito come uno o più profili di versante che drenano in uno o più canali o zone di raccolta delle acque Il bacino più piccolo possibile include un versante ed un canale

73

Risultati della simulazione sul Rio Uvini per lâ&#x20AC;&#x2122;anno idrologico 1992-93 PROF.

DEF. (mm)

S. L. (t/ha)

SUP. (%)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

140,28

0,641 0,47 0,49 0,65 0,97 0,46 0,42 0,003 0,004 0,001 0,94 2,608 0,06 0,012 0,014 0,02 0,017 0,01 0,002 0,03

3,997 5,364 6,735 6,182 5,658 3,422 3,12 2,784 1,209 2,274 4,221 3,936 14,57 2,119 8,904 2,832 1,71 10,932 4,553 5,493

107,87 108,22 130,78 152,18 197,04 147,85 98,13 86,27 430,05 106,77 96,87 97,53 71,02 75,47 73,82 86,55 51,6 81,32 50,49

Coeff. deflusso misurato = 22,4% Coeff. deflusso stimato = 17,5%

DEF. TOT. (mm) S. L. TOT. (t/ha)

5,607 5,786 7,289 8,085 8,610 6,743 4,613 2,732 1,043 9,779 4,507 3,813 14,210 1,505 6,720 2,091 1,480 5,641 3,702 2,773 106,729

0,0256 0,0252 0,0330 0,0402 0,0549 0,0157 0,0131 0,0001 0,0000 0,0000 0,0397 0,1027 0,0087 0,0003 0,0012 0,0006 0,0003 0,0011 0,0001 0,0016 0,3642

SUP. (ha)

20,3 27,3 34,3 31,4 28,8 17,4 15,8 14,2 6,1 11,6 21,5 20,0 74,1 10,8 45,3 14,4 8,7 55,6 23,2 27,9 508,7

Errore = - 21,9% 74

Confronti dati stimati/dati misurati

Coeff. deflusso misurato = 22,4% Coeff. deflusso stimato = 17,5%

Errore = - 21,9%

Trasporto solido misurato = 58,4 t

Errore = + 4,1% Trasporto solido stimato = 60,8 t

75

Metodo adottato per la stima del trasporto solido Erosione stimata X S.D.R. (Sediment Delivery Ratio) Stima WEPP = 0,364 t/ha

Sediment Delivery Ratio

X

Superficie del bacino = 508,7 ha

R L

Maner (1958)

log SDR  2,94259  0,82362co log

Roehl (1962)

log SDR  4,50047  0,23043log 10S  0,51022co log

R  2,78594log RB L

0 ,1842 USSCS (1971) SDR  0,34 A

76

Stima dell’erosione all’intero bacino del Flumendosa Realizzata mediante l’applicazione del WEPP a oltre 150 profili rappresentativi delle 48 tipologie di suoli presenti e tenendo conto dei diversi usi del suolo.

Il risultato è stato ottenuto sulla base della media pesata in proporzione alla superficie di ogni unità di territorio.

UNITA' DI TERRITORIO

A B C D E F G H I L M

% 56,78 15,50 3,60 1,62 13,41 1,88 0,06 0,37 1,65 2,13 3,00 100%

soil loss 2,82 1,65 0,13 0,69 1,53 0,01 23,91 0,28 0,65 4,47 4,10

erosione unitaria (t/ha) 1,601 0,256 0,005 0,011 0,150 0,000 0,015 0,001 0,011 0,095 0,123 2,323

Erosione stimata = 2,323 t/ha*y 77