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Bertoldi, Gabriele (2014) Colate detritiche: dinamiche degli apporti di sedimento a scala integrata di bacino. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Flood-risk mitigation strategy is moving from fixed, structural and costly mitigation measures to more effective proactive solutions. This change is driven both by Flood Directive 2007/60/EC and limitations of financial resources and it requires a deep knowledge of the involved processes. In mountain catchments debris flow and debris floods are the most important sources of hazard and their impact on the fan areas is heavily conditioned by the sediment dynamics along the ‘transport’ reaches of the torrents. Last advances show how many cases of erosion and deposition within the transport reach greatly affects the total volume that is delivered to the fan as well the overall dynamics of the debris flow/flood event. Due to logistic and practical constraints this intermediate phase of the process has been scarcely investigated and the complex behavior of the sediment budgeting in torrent-streams is emerging.
The main objective of this work consists of collecting information on the evolution of the debris-flow sediment budget along Alpine torrents in order to provide novel data and analysis about erosive, depositional and recharging processes under different geological conditions. Moreover, economical and time resources become the limiting factor frequently and a priority ranking of the hazardous situation is mandatory when cost optimization and decisions about works priority are necessary and is also useful for monitoring projects connected with research or protective aims.
Two high frequency debris-flow catchments have been selected: the Rio Rudan basin in the geological setting of the Dolomites (near Cortina d’Ampezzo, Veneto Region, Italy) and the metamorphic dominated catchment of the Rio Gadria (near Lasa, Trentino Alto Adige, Italy), which has been recently instrumented These catchments belong to the network of the EU Project MONITOR II and the instrumental monitoring system will be in operation in May 2011.
Furthermore two adjacent catchments have been studied, where an extreme rainfall event was recorded. Debris flows occurred on the 15th of August 2010 in the ’Rio Val Molinara’ and ’Rio Val del Lago’ torrents (Baselga di Pinè, Trento, Italy) seriously damaging the village of Campolongo. Event magnitudes were estimated equal to 40.000 and 10.000 m3 respectively and were almost completely generated by channel and bank erosion. The two catchments have a drainage area of about 1 km2 and are characterized by porphyritic lithology and a dominant cover of conifer forest. Both basins were considered as sediment supply limited before the event and this evaluation was corroborated by more than 150 years of inactivity.
Periodical field monitoring has been carried out on Gadria and Rudan monitored reaches since summer 2011. 25 cross sections have been observed in the rio Rudan catchment along a 480 m torrent reach (slope of 36%) where additional sediment entrainment after debris-flow initiation takes place. 20 cross sections have been selected in the upper Rio Gadria basin and more precisely in two reaches close to debris-flow triggerring areas. Other 31 cross sections have been also monitored of the Rio Gadria main channel covering a stream length of 1.4 km downstream of the source areas. Topographical survey of these cross sections have been repeated periodically regardless the occurrence of rainstorm events, so directly detecting morphological changes and tracks of new flow depths on the banks. To monitor the recharging rates from the hillslopes surrounding the channel, some sediment traps have been also installed in the Rio Rudan and in the Rio Gadria (8 and 6 sediment traps respectively). Thanks to the time comparison of the cross sections under observation a sediment budget was conducted both for successive flood events and/or for silent periods. This budget has been related to morphological, geometric and flow dependent variables in order to detect the forcing and, in case it exists, a trend of the phenomena.
An intense field activity on Gadria catchment detected 208 active source areas affecting 13,8 % of the basin area. The above mentioned field surveys have been carried out at very steep slopes and they were partly limited by the respect of safe conditions for the surveyors. Thus, interrogation of digital landscape was necessary to identify the most interesting sub-basins in terms of sediment dynamics. The resulting number of unstable and potentially unstable slopes provided an inventory and a first mapping of the sediment source areas. The suitability of a 2 x 2 meters LiDAR DTM and DSM allowed a filtering of field-mapped source areas using a multi-factors analysis accounting for vegetation, ground roughness and image information.
Field observations on the degree of connectivity and activity of the source areas were combined with digital landscape indexes in order to produce a quantitative hazard hierarchization. It was proposed a new methodology which considers the hazard magnitude of a sediment source areas as a function of volume involved, expected mobility of the debris material, and disposition to motion. This last variable is strictly related to the potential energy of the debris-flow volume of each source area and to the nearness of the main channel. Field surveys in Val Molinara and Val del Lago have been carried out in summer 2011, providing geomorphic estimation of type of process (debris flow/debris flood), removed volumes, post-event sediment availability, local peak discharges and flow velocities of 150 homogeneous reaches subdivided into 200 cross sections. Field data were then compared with pre and postevent using high resolution DTMs (1 m grid cell size) derived from airborne laser scanner.
The complexity of the phenomena was analysed on multitemporal cross section dataset evidencing statistical distribution of thalweg erosion and deposition, sediment dynamics in channel network in different sediment supply and geology conditions and variables forcing these dynamics. Outcomes include linkages between the erosive depth and geomorphic and hydraulic variables, highlighting the importance of the surge depth in the studied events. Finally, this study reconstructed the basal normal, the shear stresses and the pore pressure, which are associated with the surge transit, determining thresholds for debris-flow erosion and calibrating empirical relations between the stresses and the measured erosion depths.

Abstract (italian)

La mitigazione del rischio idrogeologico sta subendo una modificazione importante, poiché, a causa della recente direttiva Alluvioni (2007/60/CE) e della scarsità di risorse degli enti locali, si vanno ricercando misure di mitigazione più economiche rispetto alle tradizionali opere strutturali di difesa. In area alpina un fattore fondamentale nella protezione dal rischio idrogeologico è relativo alla gestione e al controllo del sedimento mobilizzabile nei bacini e dai canali da colata detritica, variabile, quest’ultima, che si riflette direttamente sui costi di un progetto di sistemazione idraulico-forestale e sui costi di manutenzione delle opere attive e passive. Sussiste ancora, per quanto riguarda la valutazione delle dinamiche erosivo-deposizionali, un ampio margine di incertezza a causa della scarsità di dati di campo, che è imputabile soprattutto, alle difficoltà logistiche nel monitorare fenomeni impulsivi e fortemente distruttivi (Horton et al., 2008, Conway et al., 2009, Iverson et al., 2011, Schurch et al. 2011, McCoy et al., 2012).
Obiettivo principale di questo progetto è di contribuire alle conoscenze di base indirizzate alla modellazione a scala integrata di bacino delle colate detritiche, quindi di descrivere le forzanti geomorfiche che influenzano i pattern erosivi e deposizionali lungo il tratto di percorrenza di colate detritiche e fornire delle metodologie di ingadine e degli strumenti quali e quantitativi per la stima delle grandezze in gioco. L’alta variabilità del fenomeno sia intrinseca sia legata a differenze reologiche e litologiche del bacino di attività, impone inoltre di indagare tali forzanti sui diversi gruppi litologici delle Alpi. In particolare si è cercato di monitorare sia colate fangose che granulari che miste afferenti a litologie metamorfiche, magmatiche (in particolare intrusive) e dolomitiche.
I bacini di studio sono stati identificati differenziandoli per i tipi litologici maggiormente rappresentati sulle Alpi centro orientali, includendo sia bacini con eventi di colata detritica già verificati sia bacini in cui è probabile il verificarsi di eventi durante il periodo di dottorato. In particolari sono stati studiati 4 bacini montani, raggruppati in tre casi studio, due in Trentino, uno in Veneto ed uno in Alto Adige, descritti di seguito.
- Torrente Gadria: iniziato a studiare nel contesto del progetto Europeo Monitor II, con leader Partner la libera Università di Bolzano ed il sostegno della Ripartizione 30 (servizio opere idrauliche) della provincia di Bolzano. Il bacino ricade nel dominio metamorfico, è soggetto a colate detritiche con alta magnitudo ed alta frequenza ed è ad alimentazione solida illimitata. Sul bacino sono state realizzate stime geomorfiche, un modello per la priorizzazione della pericolosità delle aree sorgente di sedimento, monitoraggio per lo studio del sediment budget e modellazione.
- Torrente Rudan: bacino del dominio dolomitico in provincia di Belluno, con eventi frequenti e ad alimentazione solida illimitata, di elevato interesse per la recente costruzione di una briglia filtrante a monte dell'abitato di Peaio di Cadore. Sul bacino, studiato nel contesto di una consulenza per la regione nel 2002 da questo gruppo di ricerca, sono stati attivati monitoraggi sul sediment budget.
- Rio Molinara e Rio Val del Lago: bacini ad alimentazione solita limitata in Provincia di Trento, attivati con colata il 15 agosto 2010 e di forte interesse per l'evento ad alta magnitudo, elevati tempi di ritorno e forte componente erosiva. Sui bacini sono state effettuate stime geomorfiche, stime dei pattern erosivi e moedllazione bidimensionale. La base dati e le informazioni di base sono state fornite dal Servizio Bacini Montani della Provincia Autonoma di Trento.
Nei casi di studio le dinamiche di sedimento sono state considerate in modo spazialmente integrato, andando dall'origine del sedimento stesso fino alla deposizione e focalizzando l'attenzione sulla parte intermedia del processo, ossia i fenomeni di bulking e de-bulking in canale (Theule et al., 2012). Sono state approntate in primo luogo metodologie di rilievo standardizzate, con margini di adattamento per i singoli bacini. Le stime geomorfiche, realizzate con il metodo D'Agostino e Marchi (2003), modificato aggiornandolo con la base dati ed il software attuali, in particolare per il trattamento dei dati topografici, è stato utilizzato come analisi di base per ricostruire lo stato di ricarica dei bacini (Borselli et al., 2008, Kienholz et al., 2010). Laddove necessario, come sul Gadria, una profonda compenetrazione tra analisi GIS avanzata delle topografie derivate dai DTM si è resa necessaria per l'ottimizzazione delle stime stesse. Sui bacini ad alimentazione solida limitata (val del Lago e val Molinara) è stata approntata una procedura per la stima dei pattern erosivi degli eventi già verificati, mentre sui bacini con attività frequenti sono stati realizzati dei sistemi di rilievo multitemporale della mobilitazione del sedimento in canale e sulle aree sorgente (Berger et al., 2011, McCoy et al., 2012, Theule et al., 2012).
Le stime geomorfiche hanno permesso di individuare un criterio per l'individuazione quantitativa dei bacini ad alimentazione solida limitata ed illimitata, e di confrontare i casi di studio con i dati bibliografici.
Il modello di priorizzazione della aree sorgente di sedimento sviluppato è basato su due scale concettuali: una di bacino ed una di area sorgente. Alla prima scala con un indicatore viene valutata l'attitudine del bacino a produrre colate detritiche, mentre alla scala di area sorgente viene vengono valutate con due indicatori la propensione all'innesco dell'area (upslope) e la capacità di far pervenire volume alla sezione di chiusura (downslope). Gli indicatori sono poi raggruppati in un indice che ha mostrato una buona efficacia sia nel confronto con la localizzazione delle sistemazioni storiche, sia nell'attivazione delle aree sorgente di 3 eventi considerati.
Gli studi sui pattern erosivi nei bacini ad alimentazione solida limitata sul rio val del Lago e sul rio Val Molinara hanno permesso di individuare per questi bacini le variabili maggiormente influenzanti la componente erosiva, in particolare le variabili dinamiche (velocità e portata) e la profondità del flusso. La pendenza ricopre un ruolo ambiguo e non dominante, in accordo con quanto trovato da altri autori. Maggiori analisi sono necessarie per quanto riguarda le varabili fisiche del fenomeno, come gli sforzi normale e tangenziali e la pressione basale. Tali analisi saranno effettuate durante il terzo anno di dottorato.
Dai risultati delle analisi multi temporali risulta evidente come le colate hanno un impatto morfologico molto maggiore rispetto ai lunghi periodi senza evento, anche contraddistinti da portate liquide importanti in relazione al canale in esame. Le sediment trap hanno permesso invece di individuare la produzione di sedimento in area sorgente, evidenziando valori maggiori in ambito dolomitico che non in quello metamorfico. Per entrambe le componenti l'associazione del tempo di ritorno della pioggia con la magnitudo di evento non sembra approppriata a descrivere il fenomeno.
La propagazione nel reticolo idrografico sembra essere il meccanismo principale di accrescimento volumetrico (e quindi reologico-fisico) delle colate detritiche, in una dinamica di erosione e deposito estremamente complessa. Tassi di erosione e deposito medi indicano il comportamento medio della colata e, sulla scala spaziale del reticolo idrografico, pur mantenendosi su valori non elevati possono accrescere considerevolmente il volume della colata stess. La pendenza, purchè elevata e superiore a certi valori soglia, sembra non avere un ruolo centrale e diretto nell'erosione da colata detritica in canale, andando invece ad influenzare la distribuzione degli sforzi sul controrno della sezione mentre un buon previsore per stimare la profondità erosiva sembra essere invece l'altezza del fronte di colata.
I fenomeni erosivi da colate detritiche sembrano avere una forte componente stocastica, che va attenuandosi al crescere della magnitudo di evento facendo emergere le forzanti fisiche che guidano e condizionano il fenomeno. Come indicato dai più recenti studi in materia, l'equilibrio tra gli sforzi normale e tangenziale e l'effetto del fronte sulla pressione interstiziale sembrano essere il fattore maggiormente condizionante la capacità erosiva della colata sia con una matrice dolomitica, che con una matrice vulcanica che con una matrice metamorfica.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:D'Agostino, Vincenzo
Ph.D. course:Ciclo 26 > Scuole 26 > TERRITORIO, AMBIENTE, RISORSE E SALUTE
Data di deposito della tesi:29 January 2014
Anno di Pubblicazione:March 2014
Key Words:Colate detritiche, pericolo, erosione, deposito
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/08 Idraulica agraria e sistemazioni idraulico-forestali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Codice ID:6546
Depositato il:14 Nov 2014 14:18
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