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 Antropica

Normale Anormale Accelerata Ostacolata

Alta pericolosità

Bassa pericolosità

Rapporto tra piovosità media annua ed

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

Precipitazione media annua in mm Ta

sso

di e

rosi

on

e 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750

Con vegetazione

Senza vegetazione

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:

• erosività

• entità del ruscellamento

• energia del rilievo

• lunghezza e pendenza

DI RESISTENZA

• erodibilità

• gestione del suolo

DI PROTEZIONE

•copertura vegetale

•gestione del suolo

Ero

sio

ne

Pre

cip

itaz

ion

e

J F M A M J J A S O N D

Cicli stagionali

• 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

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

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.

Ero

sio

ne/

ha

Ero

sio

ne/

ha

Pendenza del 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

Argille e argille limose coesive

Argille moderatamente coesive, sabbie debolmente cementate

Limi moderatamente coesive

Materiali granulari sciolti

Sez. Longitudinale Sez. Trasversale Tipo di substrato

Materiali grossolani

Materiali ben gradati

Pinnacoli alla testata

Profilo del fosso

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

velocità del vento

vortici

uniforme

uniforme

vortici

A

B

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

Diametro (mm) 0.05 0.1 0.15 0.5 1.0 2.0

Intervallo dimensionale maggiormente vulnerabile

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

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

erosione

Intensità

mm

Intensità

mc/ha

Attributo

erosione

Erosione di

20 cm(anni)

1 <0.05 <0.5 Nulla o

trascurabile

>400

2 0.05-0.5 0.5-5 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 Molto

severa

40-10

6 >20 >200 Catastrofica <10

Modelli idrologico-erosivi

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

ghgg 23

CLASSIFICAZIONE

DEI

MODELLI EROSIVI

(Nearing et al., 1995)

unicamente sull'osservazione di dati

sperimentali senza che questi abbiano nessun

fondamento teorico

EMPIRICI

Modelli caratterizzati da basi teoriche ed

equazioni fondate su relazioni che descrivono i

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.

FISICAMENTE BASATI

Modelli basati su relazioni teoriche che

descrivono le interazioni fra le diverse

componenti idrologiche (clima, topografia,

parametri idrologici, etc.)

CONCETTUALI

Modelli costituiti da relazioni

statistiche basate

24

Tipo di approccio allo studio dei processi

erosivi

Metodologie basate sull'osservazione diretta dei fenomeni di

degradazione - Carte geomorfologiche. QUALITATIVO

Metodologie che prevedono l'assegnazione di pesi ai diversi

fattori dell'erosione proporzionali alla importanza che assumono

nel processo erosivo. SEMIQUANTITATIVO

Metodologie basate sulla parametrizzazione dei vari fattori -

Modelli matematici per la previsione dell'erosione. QUANTITATIVO

25

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

26

Depth of rill,

gullies (cm)

spacing between rills and gullies (cm)

<25 25-50 50-150 150-500 >500

5-50

moderate

sligth

50-150

severe

moderate

sligth

150-500

severe

severe

moderate

Sligth

>500

severe

severe

severe

moderate

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

classes

erosion type

% Veg.

Cover

Color

Degra-

dation

Erosion

1

no erosion

>90

green

<10

none

2

slight erosion

Inter-rill, rill, shallow

gully

>75

light-

green

<25

slight

3

moderate

erosion

Inter-rill, rill, shallow -

medium deep gully

>75

jellow

<25

moderate

4

moderate

erosion

rill, medium-deep gully,

bank erosion

51-75

brown

25-49

moderate

5

severe

erosion

rill, medium-deep, deep

gully, landslides

26-50

red

50-74

severe

6

severe

erosion

rill, deep gully, badlands

severe mass movements

< 25

dark-

red

>75

severe

Suscettibilità all’erosione su base geomorfologica

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

La somma dei vari parametri permette di classificare il bacino in una delle seguenti classi che premette di riconoscere l’attitudine all’erosione.

Esempio di approccio semiquantitativo – Metodo Parametrico Lineare (Catani et al., 2001)

In aree mediterranee semi-aride i processi erosivi sono controllati principalmente dall’equilibrio tra parametri idraulici e morfologici.

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

curvatura del versante 2z, direttamente correlata con l’erosione ipodermica e inversamente con quella di scorrimento superficiale

Metodo Parametrico Lineare Esempio – Dati di base I

Uso del suolo

Erodibilità dei suoli

Capacità di infiltrazione

Scala di erodibilità relativa

Metodo Parametrico Lineare Esempio – Dati di base II

Scala di erodibilità relativa

Classi di pendenza

Classi di curvatura

Classi di area drenata

iiAiziziViKi CwAwzwzwVwKwE

22

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:

causes

A 1 0 2 3

4 B 4 1 9

4 0 C 0 4

2 2 3 D 7

effects 10 3 7 3 23 SUM

Code interaction

0 none

1 weak

2 fair

3 strong

4 critical

Matrice di interazione variabili A, B, C, D parameter C E C+E C+E norm weight

A 3 10 13 28.3 9.4

B 9 3 12 26.1 8.7

C 4 7 11 23.9 8.0

D 7 3 10 21.7 7.2

SUM 46 100 33

Determination of parameter weights

I = wAA + wBB + ...+wnN 0 1 2 3

assegnazione valori

ai parametri

Metodo Parametrico Lineare Esempio – Risultati finali

Erosione O.F. Erosione S.O.F.

Modelli quantitativi

Empirici basati su parametri determinati per via sperimentale Semi-empirici, basati sia su parametri sperimentali che su variabili fisiche derivate da equazioni costitutive Fisicamente basati, basati su equazioni costitutive che modellano tutti i processi fisici connessi con l’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 (REcI30)

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.

PCSLKRE

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

17,22,6417,0 anniToredHR r

aTTH //1lnln

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: 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”

35,2225,312101,2100 414,1 cbaMK

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

Nome Litologia limo sabbia molto fine

argilla % s.o. (a)

Struttura (b)

Permeabilità (c)

M K

Alluvioni recenti 20 30 10 2 3 2 4500 0,0405

Alluvioni terrazzate 20 30 10 1,9 3 2 4500 0,0409

Arenarie 20 50 10 2,7 2 1 6300 0,0476

Arenarie calcaree ed argillitiche 30 30 20 2,7 1 2 4800 0,0322

Arenarie con argilliti e siltiti 30 30 30 3 1 3 4200 0,0287

Arenarie con marne 30 30 20 3 1 2 4800 0,0309

Arenerie e marne 30 30 20 2,8 1 2 4800 0,0318

Arenarie e siltiti 30 40 10 2,9 1 2 6300 0,0454

Argille 30 10 50 2,1 1 6 2000 0,021

Brecce calcaree ed argilloscisti 30 20 30 2,4 3 3 3500 0,0327

Calcari argillosi fortemente tettonizzati 30 20 35 2,7 3 4 3250 0,0328

Calcari della serie ofiolitifera 30 20 30 3 2 3 3500 0,0267

Calcari marnosi 35 15 30 3 2 3 3500 0,0267

Complesso caotico ed olistostromi 35 10 35 2,6 4 5 2925 0,0376

Detrito di falda 30 20 20 2,7 4 2 4000 0,0373

Ghiaie e ciottolami 10 30 10 2,5 4 2 3600 0,0343

Marne 40 20 20 2,9 2 3 4800 0,0388

Rocce vulcaniche basiche 30 20 30 2,7 3 3 3500 0,0318

Sabbie 20 50 10 2,3 2 1 6300 0,0499

Siltiti con arenarie 40 30 10 2,8 1 4 6300 0,0525

065.0sin56.4sin41.6513.22

2**

m

LLS

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).

mn

sAnLS

0896.0

sin

13.221

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:

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

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 – Calcolo dell’area drenata in ambiente GIS

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.

Classe di uso del suolo Valore di C

Aree a pascolo naturale e praterie d'alta quota 0,013

Aree a vegetazione boschiva e arbustiva in evoluzione 0,12

Aree industriali o commerciali 0

Aree prevalentemente occupate da colture agrarie con spazi naturali 0,15

Boschi di conifere 0,005

Boschi di latifoglie 0,007

Boschi misti 0,009

Brughiere e cespuglieti 0,12

Cantieri 0

Oliveti 0,38

Prati stabili 0,012

Seminativi in aree non irrigue 0,25

Sistemi colturali complessi 0,3

Tessuto urbano 0

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

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.

USLE Distribuita Esempio

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

Carta dell’erosione potenziale

(Torrente Virginio)

WEPP (Water Erosion Prediction Project)

Si tratta di un modello a scala di versante (aggregato) e fisicamente basato. Valuta l’erosione sia a scala di evento che su base annuale e tiene conto di tutti i principali processi fisici conosciuti che influenzano l’erosione. Esiste anche una versione semi-distribuita, per adesso prototipale.

Componenti idrologiche di WEPP Bilancio idrologico in WEPP

DATA BASES

Clima

Suolo

Piante

CLIMA

IDROLOGIA Infiltrazione

Deflusso

Bilancio idrologico

EROSIONE

IRRIGAZIONE

SUOLO

COLTIVAZIONI Pratiche agricole

Distribuzione spaziale

e temporale dell’erosione e

della risedimentazione

INTERFACCIA

GRAFICA

INPUT FILES

Suolo

Pendenza

Management

Clima

Irrigazione

Canali

Struttura del

bacino

OPERATORE

Conduttività

Erodibilità

Ag

giu

sta

me

nti

tem

po

rali

Ag

giu

sta

me

nti

tem

po

rali

WEPP Schema del modello (da Spicchi, 2001)

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:

if DDdx

dG

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):

c

cfT

GDD 1

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:

cfrc KD

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

55

Interfaccia grafica

56

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

File Climatico

57

Struttura del WEPP

La sedimentazione avviene quando il carico G è maggiore della capacità di trasporto Tc. Cioè:

WEPP – Eq. Costitutive del modulo erosivo

GTq

VD c

f

f

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 :

r

e

ce

i

t

t

T

LD

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.

w

RFSDRIKD s

nozzleRRireiadji

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

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)

Legame tra DTM e componenti di flusso del LISEM

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:

pfs DDDe

La determinazione di Ds (kg s-1) avviene secondo l’equazione: APeKAD h

ess 96.282.2 48.1

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: dxwVCTYD sc

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):

dcsc cT

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 – Interfaccia base

LISEM – Inserimento dati

LISEM – Simulazione

LISEM – Risultati grafici simulazione in PCRaster

66

Un esempio Il bacino del Flumendosa

67

DATI STORICI

TELERILEVAMENTO

LAVORO DI CAMPAGNA

Dati climatici Dati pedologici Dati litologici Dati derivanti

da foto aeree

Simulazioni di

pioggia e test

di infiltrazione

GIS (Arcview)

MODELLING

(WEPP)

VALUTAZIONE DEL DEFLUSSO

E DELLA

PERDITA DI SUOLO

Organizzazione del lavoro e utilizzazione dei dati Carta litologica

Carta pedologica

Carta dell’uso del suolo

Carta delle unità di territorio

Modello digitale del terreno

68

LITOLOGIA

PEDOLOGIA

GEOMORFOLOGIA

USO DEL SUOLO

CLIMA

TOPOGRAFIA

SIMULAZIONI DI PIOGGIA

E

BACINI ATTREZZATI

MODELLI

IDROLOGICO-EROSIVI

VALORI STIMATI

VALORI MISURATI

COMPARAZIONE

E

TARATURA

Procedura di messa a punto del modello

69

Simulatore grande - 4,5mX1m

Simulatore piccolo – 1mX1m

Simulatori

di pioggia

70

Monte Perdedu (53,70 mm/h)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

min.

l/m

in.

Coeff. Deflusso misurato = 64,7% Coeff. Deflusso stimato = 64,3% Errore = -0,6%

Intensità della precipitazione

Deflusso misurato

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

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

min.

l/m

in.

Coeff. Deflusso misurato = 55,5% Coeff. Deflusso stimato = 52,5% Errore = -5,4%

Monte Perdedu (23,9 mm/h)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 10 20 30 40 50 60

min.

l/m

in.

Intensità della precipitazione

Deflusso misurato

Deflusso simulato

Coeff. Deflusso misurato = 44,8% Coeff. Deflusso stimato = 35,8% Errore = -20,1%

71

Montepiscu (31,4 mm/h)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60

Tempo (min.)

Co

nc.

torb

ida

(g

/l)

Risultato simulazioni località Montepiscu

Coeff. deflusso misurato = 13,4%

Coeff. deflusso stimato = 9,7%

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

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

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)

72

Localizzazione del Rio Uvini

Rio Uvini

Uso del suolo

%

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%

73

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

74

PROF. DEF. (mm) S. L. (t/ha) SUP. (%) DEF. TOT. (mm) S. L. TOT. (t/ha) SUP. (ha)

1 140,28 0,641 3,997 5,607 0,0256 20,3

2 107,87 0,47 5,364 5,786 0,0252 27,3

3 108,22 0,49 6,735 7,289 0,0330 34,3

4 130,78 0,65 6,182 8,085 0,0402 31,4

5 152,18 0,97 5,658 8,610 0,0549 28,8

6 197,04 0,46 3,422 6,743 0,0157 17,4

7 147,85 0,42 3,12 4,613 0,0131 15,8

8 98,13 0,003 2,784 2,732 0,0001 14,2

9 86,27 0,004 1,209 1,043 0,0000 6,1

10 430,05 0,001 2,274 9,779 0,0000 11,6

11 106,77 0,94 4,221 4,507 0,0397 21,5

12 96,87 2,608 3,936 3,813 0,1027 20,0

13 97,53 0,06 14,57 14,210 0,0087 74,1

14 71,02 0,012 2,119 1,505 0,0003 10,8

15 75,47 0,014 8,904 6,720 0,0012 45,3

16 73,82 0,02 2,832 2,091 0,0006 14,4

17 86,55 0,017 1,71 1,480 0,0003 8,7

18 51,6 0,01 10,932 5,641 0,0011 55,6

19 81,32 0,002 4,553 3,702 0,0001 23,2

20 50,49 0,03 5,493 2,773 0,0016 27,9

106,729 0,3642 508,7

Risultati della simulazione sul Rio Uvini per l’anno idrologico 1992-93

Coeff. deflusso misurato = 22,4%

Coeff. deflusso stimato = 17,5% Errore = - 21,9%

75

Confronti dati stimati/dati misurati

Trasporto solido misurato = 58,4 t

Trasporto solido stimato = 60,8 t

Coeff. deflusso misurato = 22,4%

Coeff. deflusso stimato = 17,5% Errore = - 21,9%

Errore = + 4,1%

76

Metodo adottato per la stima del trasporto solido

Erosione stimata

Sediment Delivery Ratio

L

RSDR logco82362,094259,2log Maner (1958)

Roehl (1962) RBL

RSSDR log78594,2logco51022,010log23043,050047,4log

USSCS (1971) 1842,034,0 ASDR

Stima WEPP = 0,364 t/ha Superficie del bacino = 508,7 ha X

X S.D.R. (Sediment Delivery Ratio)

77

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 % soil loss erosione unitaria (t/ha)

A 56,78 2,82 1,601

B 15,50 1,65 0,256

C 3,60 0,13 0,005

D 1,62 0,69 0,011

E 13,41 1,53 0,150

F 1,88 0,01 0,000

G 0,06 23,91 0,015

H 0,37 0,28 0,001

I 1,65 0,65 0,011

L 2,13 4,47 0,095

M 3,00 4,10 0,123

100% 2,323

Erosione stimata = 2,323 t/ha*y