dispense spessore suoli

Modellistica per lo spessore del suolo

Geomorfologia applicata e telerilevamento

Department of Earth Sciences CENTRE OF COMPETENCE OF THE CIVIL PROTECTION DEPARTMENT

PRESIDENCY OF THE COUNCIL OF MINISTERS

S. Segoni, F. Catani [email protected]

Università degli Studi di Firenze, Dipartimento di Scienze della Terra, Via G. La Pira 4, 50121 Firenze

OBIETTIVI

• Importanza del parametro “spessore del suolo” nella

modellistica ambientale e nella gemorfologia applicata

in particolare;

•Metodologie per modellare la viariabilità dello spessore

del suolo (+ esercitazione);

• Influenza dello spessore del suolo nella modellazione

dell’innesco di frane superficiali.

Definizioni

Suolo:

“soil” = termine

ingegneristico

per designare il materiale

superficiale non consolidato

“copertura” (del regolite)

Definizioni

Regolite:

Merril (1897) = Massa incoerente composta da materiali

analoghi a quelli che costituiscono le rocce, ma in uno stato

variabile di degradazione fisica e meccanica.

Glossary of geology (Jackson 1997) = Termine generico per

indicare il manto o lo strato roccioso frammentato e non

consolidato, residuale o trasportato (…).

Taylor & Eggleton (2001) = materiale appartenente alla

litosfera continentale sovrastante la roccia inalterata e che

può includere altre rocce inalterate qualora siano

interdigitate o racchiuse da materiali sciolti o degradati. Può

essere di qualsiasi età.

Definizioni

Suolo:

“copertura” (del regolite)

Fino al primo netto

contrasto tra le proprietà

idrologiche e geotecniche

Spessore del suolo = DTB (depth to bedrock)

Definizioni

Importanza dello spessore

Scienze della Terra e “altro”…

Microzonazione sismica

Distribuzione dell’umidità del terreno e del contenuto d’acqua

Produttività delle colture

Dispersione dei flussi di calore

Modelli idraulici

Alluvioni e flash floods

Protezione del suolo

Modelli evolutivi del paesaggio

Frane superficiali


Frane superficiali

Frane superficiali

soil slips

debris flows

Assenza segnali precursori

Alta velocità grande potere distruttivo


Frane superficiali

Bagni di Lucca,

December 2008

Ischia,

April 2006 Messina,

November 2009

Sarno,

May 1998

Ceriana,

November 2000


Frane superficiali

Ischia, 2006 (4 morti)


Frane superficiali

Segoni et al., 2009

Catani et al., 2010

Soil thickness (m)

Johnson and

Sitar, 1990


Modello “infinite slope”: sensibilità del fattore di sicurezza (FS) allo spessore

Modellazione dello spessore

A quale scala (versante, bacino, regionale)

Con quali condizioni al contorno (geologia, contesto

morfoclimatico e geomorfologico)

A quale scopo ( precisione richiesta)


Misurazione mediante metodi diretti ed indiretti

Telerilevamento

“Esplorazione geologica del sottosuolo”

(penetrometro, geoelettrica … )

Trivella e pala!!!


SPESSORE COSTANTE

COSTANTE SU SUDDIVISIONI DELL’AREA

VARIABILE SPAZIALE


Variabile spaziale

Da cosa dipende lo spessore?


Variabile spaziale

Metodi fisicamente basati

Metodi statistici

Metodi geo-statistici

Metodi empirici morfometrici

Metodo empirico geomorfologico



0

0 exph

hP

t

e

Legge di conservazione

della massa (Heimsath et

al., 1999)

Soil production

from bedrock Soil loss for

sediment transport

ssrs qt

e

t

h ~

Simple creep Deep-dependent creep Overland flow

zKQ DD

nm

VV zhKQ pk

WW zAKQDietrich et al., 1995 Selby, 1993; Braun et al., 2001 Moore & Burch, 1986



a

ss zKq 2~(variazioni di spessore del suolo)

proporzionali alla curvatura di profilo.

Heimsath et al., 1999 Braun et al., 2001

Difetti: complessità, costi, limitazioni concettuali


Metodi statistici

modelli statistici multivariati:

DTB attributi morfometrici

- Ziadat (2005) - 148 km2 area characterized (bassa energia del

rilievo) DTB ~ pendenza; esposizione; curvatura; CTI (Ln (Ac / tan S))

- Tsai et al. (1999) – 60 km2

Orizz A poco correlato (max 0.18 con quota)

A= 11,6 - 0,002 ELE

Orizzonte B, B+C, Soil molto correlato con S e Cont. Framm. litici

B = 70,1 –0,606 S – 0,519 SS

- Tesfa et al. (2009) – 28 km2 10 variabili morfometriche, land cover


Metodi geo-statistici

Kriging

DTB modellazione geostatistica



Z-model, based on elevation (Saulnier et al. 1997)

S-model, based on slope gradient (Saulnier et al. 1997)

Sexp-model, based on slope gradient (De Rose 1996; Salciarini et al. 2006)

Soil

thickness

Elevation

(or slope)



minmax

minmax

minmax hh

zz

zzhh i

i

max

min

minmax

minmax 1

tantan

tantan1

h

hhh i

i

In funzione della quota

In funzione della pendenza

Saulnier et al., 1987

Saulnier et al., 1987

Area drenata (Ryan et al., 2000) DTB = - 0.31 + 0.128 ln Ac

Wetness index (Lee and Ho, 2009) DTB = C Ln (Ac / tan S)


Modello GIST (empirico geomorfologico)

Soil thickness = ƒ(C x P x S)

where

C = f(curvature) hillslope morphology

P = f(position) hillslope toposequence

S = f(slope) lithology

and

ƒ geology So

il t

hic

kn

ess (

cm

)

Calibration function

(Test site n°1, “Pianalto” lithostratigraphic unit)

1)

Morfologia ≠ Geomorfologia

3)

2)

Convex slope

Convex-concave slope

Convex-concave-convex slope

drainage network

Hillslope profile typology

GIST (fattore C: curvatura e geomorfologia)

Modello a nove unità (Dalrymple et al., 1968)

In ogni unità osserviamo

una relazione distinta tra

topografia e spessore del

suolo

Downslope

Indice di posizione

IP = U

(U + D) Upslope

GIST: fattore P (posizione e geomorfologia)

51.3°

0°

tgS

1

1

Pendenza: parametro soglia oltre la quale

si presuppone innesco di movimento

di massa

Soglia differenziata su

base litologica

Alluvional plain

Conglomerates

Flysch and hard rocks

Shales

Silt loam terrains

GIST: fattore S (pendenza e litologia)

Local slope

Symbol, name

Legend:

Test site Geography Geology Geological setting Area

1 - Terzona Hilly catchment (Chianti)

Central Italy

Pliocene and

Quaternary

terrains

Subhorizontal dip 24km2

2 - Armea Mountain basin (Alps)

Northern Italy Cretaceous flysch Faults, trusts, recumbent folds 33km2

3 - Ischia Island

South Tyrrhenian Sea

Volcanic rocks and

terrains

Horst and graben. Lava

domes, craters, calderas 46km2

Geological map

Lithology Measure

points

Soil thickness

Soil

thickness

Test site n°1: Terzona creek basin Test site n°2: Armea creek basin

GIST: risultati

Soil thickness

Test site n°3:

Ischia Island

Modello GIST: risultati

Area test Errore

assoluto medio

Residuo

minimo

Residuo

massimo

Deviazione

standard

1- TERZONA 11cm -46cm +56cm 8,54

2- ARMEA 23cm -68cm +69cm 17,1

3- ISCHIA 26cm -116cm +119cm 33,62

Z-model, basato sulla quota (Saulnier et al. 1997)

S-model, basato sulla pendenza (Saulnier et al. 1997)

S_exp-model, basato sulla pendenza (Salciarini et al. 2006)

Quota

(o pendenza)

Risultati:

Paragone con altri modelli

S

Z GIST

TERZONA: distribuzione

spaziale dei residui(cm)

RISULTATI:

Paragone con altri modelli

36

25

8

0 0

18

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

Absolute error (cm)

Fre

qu

en

cy

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

Armea: modello Z

Istogramma di frequenza degli errori assoluti

18

31

1418

49

24

0

10

20

30

40

50

60

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

Errore assoluto (cm)

freq

uen

za

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

Armea - modello S

Istogramma di frequenza degli errori assoluti

36

2529

80

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

Errore assoluto (cm)

freq

uen

za

0 - 15 16 - 30 31- 50 51- 75 76 - 100 >101

ARMEA: istogrammi di frequenza degli errori assoluti

Modello Errore assoluto

medio

S 103cm

Z 78cm

GIST 23cm

Z-model S-model

GIST-model

RISULTATI: paragone con altri modelli

RISULTATI: paragone con altri modelli

ISCHIA: istogrammi di frequenza dei residui ed errore assoluto medio

S = 180cm Z = 120cm

S_exp =

39cm

GIST = 26cm

Modelli morfometrici GIST

S (1 solo parametro

morfometrico)

Z (1 solo parametro

morfometrico)

sGIST (3 parametri

morfometrici; no

geomorfologia)

GIST (3 parametri

morfometrici +

geomorfologia)

Errore assoluto

medio 94cm 53cm 47cm 11cm

Errore assoluto

massimo 146cm 114cm 115cm 56cm

Risultati migliori

MORPFOLOGIA E GEOMORFOLOGIA

GIST

Migliore dei modelli emp. morf.

Errori accettabili (valore e distribuzione spaziale)

“Portabilità”

- Valido in contesti gologici / geoografici diversi

- Ridotti problemi di scala

GIST: conclusione

3 parametri

morfometrici Geomorfologia e litologia

Inadeguatezza dei modelli empirici morfometrici

Principali innovazioni del modello GIST:

Influenza dello spessore del suolo nella

modellazione dell’innesco di frane superficiali

Different methods to produce

distributed soil thickness maps

and their impact on the reliability

of shallow landslide modeling

at catchment scale Second World Landslides Forum

6th October 2011, Rome, Italy

Department of Earth Sciences CENTRE OF COMPETENCE OF THE CIVIL PROTECTION DEPARTMENT

PRESIDENCY OF THE COUNCIL OF MINISTERS

S. Segoni, F. Catani [email protected]

Università degli Studi di Firenze, Dipartimento di Scienze della Terra, Via G. La Pira 4, 50121 Firenze

OBJECTIVES

• Importance of soil tickness in shallow landlides slope

instability modeling

• How errors in soil thickness influence the performance

of slope stability models

• Best practices to feed slope stability models with

respect to soil thickness

SLOPE STABILITY SIMULATOR

SHALLOW LANDSLIDES

• Modello di analisi fisicamente

basato ad alta risoluzione

spaziale e temporale

• Progettato per l’operatività su

larga scala

• Adatto a sistemi di allerta

real time

• Elaborazione dati rapida Spessore

del suolo Parametri

geotecnici

Morfologia

Instabilità

Pressione

interstiziale

Intensità

pioggia Fattore di

Sicurezza

h

t

d

dh xKL h

h

xsin

yKL h

h

y zKZ h

h

zcos

h Z Z 1d

ZZI

KZR

t

Z 2 / 4D0 cos2

h Z Z 1d

ZZI

KZR

t

Z 2 / 4D0 cos2

Rt T

Z 2 / 4D0 cos2

FStan

tan

c '

NSzsin

ua uw tanb

NSzsin

FStan

tan

c '

NS z h Sh sin

h z,t w tan

NS z h Sh sin

terreno insaturo

terreno saturo

precipitazione in corso

precipitazione cessata

Modello fisicamente basato

High Resolution Slope Stability Simulator (HIRESSS)

Modello idrologico Modello stabilità

Modello idrologico:

- Modello basato sulle equazioni di

Richards

- Modelazione della diffusività

idraulica

Modello geotecnico:

- Pendio indefinito

- Effetto della suzione

- Modellazione peso di volume

- Analisi a profondità variabile

Segoni S, Rossi G, Catani F (2011) Improving basin scale shallow landslide modelling using reliable soil thickness maps. Nat Hazards.

DOI 10.1007/s11069-011-9770-3.

Rossi G (2011) A physically based distributed slope stability simulator to analyze shallow landslides triggering in real time and at large scale. PhD thesis,

Universita` degli Studi di Firenze, Department of Earth Sciences, Florence, Italy

SLOPE STABILITY SIMULATOR

SHALLOW LANDSLIDES

Hydrological module (Richards’ equation)

Slope stability module

(Iverson’s infinite slope + suction effects in unsaturated soils)

Pressure head spatial (3D) and temporal distribution

Factor of safety spatial and temporal distribution

SOIL THICKNESS MODELS

“Morphometric” models

Z-model, based on elevation (Saulnier et al. 1997)

S-model, based on slope gradient (Saulnier et al. 1997)

Sexp-model, based on slope gradient (De Rose 1996; Salciarini et al. 2006)

Soil

thickness

Elevation

(or slope)

Soil thickness = ƒ(C x P x S)

GIST (Geomorphologically Indexed Soil Thickness)


GIST model

Catani F., Segoni S., Falorni G (2010) An empirical geomorphology-based approach to the spatial prediction of soil thickness at catchment scale.

In revision for Water Resource Research. Water Resour Res 46:W05508

Where

C = f(curvature) hillslope morphology

P = f(position) hillslope toposequence

S = f(slope gradient) lithology

and

ƒ geology

Convex profile Convex-concave profile

Convex-concave-convex profile

ARMEA BASIN (Alps, Liguria)

TEST SITE

Extension: 37 km2

Max slope: 51°

Mean slope: 26°

Geology: Cretaceous Flyschs; faults,

trusts and folds

4 soil thickness maps


S Model Z Model

Sexp Model GIST Model

Validation


Z-model S-model Sexp-model GIST model

Maximum underestimation -1.18 -1.16 -2.04 -1.30

Maximum overestimation 1.61 2.01 1.70 1.91

Mean absolute error 0.68 1.03 0.45 0.33

Mean error 0.57 0.97 -0.18 -0.01

Standard Deviation 0.48 0.56 0.57 0.48

Skewness -0.18 -1.05 0.27 0.94

Kurtosis -0.77 2.29 2.3 3.20

Input data

APPLICATION TO SLOPE STABILITY

Geological formation C

(KPa)

Φ

(°)

γ

(kN/m3)

Ks

(m/s)

Colluvial and eluvial deposits 4 28 20 1*10-3

Alluvial deposits 3 27 20 2*10-3

Ventimiglia Flysch (massive

sandstones) 5 27 24 2*10-4

Ventimiglia Flysch (pelites and

sandtones) 12 18 23 3*10-6

Sanremo Flysch (marlstones

and mudstones) 11 21 24 3*10-5

Sanremo Flysch (mudstones

and marlstones) 10 22 24 2*10-5

Bordighera sandstone (distal

facies) 7 29 24 8*10-4

SOIL THICKNESS

1. S model

2. Z model

3. Sexp model

4. GIST model

Rainfall 8 December 2006 event (24 hourly time steps)

S Model Z Model

Sexp

Model GIST

Model

FS maps

APPLICATION TO SLOPE STABILITY

December 2006

LANDSLIDES INVENTORY

8 December, 2006

141 shallow landslides

(soil slips and debris

flows)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

<100 101 - 200 201- 500 500 - 1000 1001 - 2000 2000 - 7000

Num

be

r o

f

lan

dslid

es

Extension of landslides (m2)

VALIDATION

Landslides occurred

Yes No

Landslides

predicted

Yes True positives (A) False positives (B)

No False negatives (C) True negatives (D)

Sensitivity=a/(a+c)

Specificity=d/(b+d)

Likelihood ratio=Sensitivity/(1-specificity)

S Model Z Model Sexp Model GIST Model

FS maps

VALIDATION

S Z Sexp GIST

Sensitivity 0.87 0.81 0.05 0.40

Specificity 0.60 0.61 0.97 0.91

Likelihood ratio 2.20 2.09 1.99 4.50

Relationships between validation statistics: LINEAR CORRELATION COEFFICIENTS

DISCUSSION

Max

und.

Max ov. mean

abs err

mean

error

St

Dev

Skew Kur

Likel. ratio 0.25 0.42 -0.58 -0.37 -0.58 0.71 0.56

Sensitivity 0.91 0.24 0.78 0.94 -0.29 -0.69 -0.49

Specificity -0.78 -0.09 -0.85 -0.96 0.15 0.80 0.62

Efficiency -0.78 -0.09 -0.85 -0.96 0.14 0.80 0.62

Misclass.

Rate 0.78 0.09 0.85 0.96 -0.14 -0.80 -0.62

Pos. pred.

Power 0.25 0.42 -0.58 -0.37 -0.58 0.71 0.56

Neg. pred.

power -0.91 -0.29 -0.80 -0.95 0.25 0.71 0.45

Soil thickness error statistics

Slo

pe

sta

bilit

y s

tati

sti

cs

CONCLUSIONS

Factor of Safety (FS) very sensitive to soil thickness

Same slope stability model sensitive/specific depending on the input data

Sensitivity \ specificity (FS) mean error (soil thickness)

Overall performance (likelihood ratio)skewness (soil thickness)

SISTEMATIC SOIL THICKNESS ERRORS TO BE AVOIDED !!!

The best results were achieved when more complex geomorphologic

criteria (GIST model) were used to obtain soil thickness maps

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION

Based on the paper

Segoni S, Rossi G, Catani F (2011)

Improving basin scale shallow landslide modelling

using reliable soil thickness maps.

Natural Hazards

DOI 10.1007/s11069-011-9770-3 (open access)

dispense spessore suoli

Documents

geotecniche spessore

parametro spessore

definizioni suolo

modellazione dellinnesco

suolo modelli evolutivi

suolo geomorfologia

metodi diretti

firenze obiettivi importanza