Data base topografico e geomorfologico
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Data base topografico e geomorfologico
Regione Marche Regione Durazzo - Albania Iniziativa Comunitaria INTERREG IIIA ANCONAPACO P R O G E T T O A N C O N A P A C O PROGETTO AT3 ANALISI E DEFINIZIONE DEGLI E L E M E N T I D I C R I T I C I T A’ Data base topografico e geomorfologico ATI CAIRE-Urbanistica - Consulenza & Progetto 1. introduzione Una parte importante del Progetto ANCONAPACO è finalizzato alla ricerca di modelli ed indicatori per la valutazione integrata degli ambienti della costa dei corsi d’acqua e dei versanti, lo sforzo principale è quello di collegare ed integrare i diversi ambiti territoriali di analisi in un contesto di riferimento che abbia al centro l’analisi delle criticità sulle qualità fisico-territoriali e dei rapporti con i processi insediativi. Nella ricerca degli indicatori, sono stati definiti una serie di temi di studio ritenuti, in prima approssimazione, prioritari per la caratterizzazione e la valutazione dei fenomeni sui territori di riferimento. Nella selezione degli indicatori è sembrato di fondamentale importanza riferirsi a criteri di affidabilità e di speditività ma senza perdere l’opportunità di approfondimento in limitate aree aumentando il dettaglio e/o la complessità dei processi di rappresentazione e/o di analisi. Questo fa si che ciascun parametro introdotto nel Progetto sia adeguatamente testato, ne sia compresa la versatilità e, più in generale le potenzialità sia nel comparto per cui è indicatore, ma anche più in generale per ulteriori e diversificati utilizzi. L’esigenza di caratterizzare i fenomeni ambientali, aventi per propria natura elevata complessità, comporta la necessità di individuare strumenti capaci di fornire un’indicazione sintetica di caratteristiche diverse: questo ruolo può essere svolto dagli indicatori e dalla loro aggregazione in indici ambientali. Una delle più accreditate definizioni di indicatore è quella fornita dall’OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development) secondo il quale esso è considerato “un parametro, o un valore derivato da più parametri, che fornisce informazioni su un fenomeno e il cui significato va al di là delle proprietà direttamente associate al valore del parametro” (OECD, 1994). L’OECD definisce inoltre l’indice come “un insieme di parametri o indicatori aggregati e pesati” e il parametro come una “proprietà che è misurata o osservata”. Occupandosi di indicatori e indici in sede applicativa e a fini di gestione amministrativa di ampie porzioni di territorio, occorre prestare grande attenzione all’efficienza di tali strumenti. In letteratura si dispone ormai di un’ampia gamma di modelli e indici, ma bisogna tenere presente che buona parte di essi non è proponibile nella normale attività di pianificazione degli enti locali proprio per l’eccessivo impegno finanziario che il loro impiego su larga scala comporta. Infine non va dimenticato che gli indici ambientali per la pianificazione non vengono impiegati una tantum, ma devono servire per il monitoraggio dei processi di modificazione, proprio allo scopo di valutare l’efficacia delle politiche 1 di piano: la proponibilità di un indice ambientale per la pianificazione la si valuta sostanzialmente sul costo del suo utilizzo in sede di monitoraggio. Considerando quindi la variabilità di indici ed ambienti si è partiti dall’analisi geologico-geomorfologica delle aree di studio, che come già ampiamente sottolineato sono definite sulla base della loro suddivisione in bacini idrografici. Questo perché i limiti del bacino rappresentano un dominio ben definito all’interno del quale si originano, evolvono e si concludono un gran numero di fenomeni naturali (spesso anche antropici) e nel quale gli indicatori ambientali assumono valori specifici e peculiari. L’individuazione del bacino idrografico come ambiente di riferimento tende a stimolare e di conseguenza a determinare comportamenti e strategie di sviluppo sostenibile riferite al proprio “giardino”, che possono consentire la crescita di atteggiamenti corretti e la consapevolezza individuale e collettiva rispetto, ad esempio, ai temi della difesa del suolo ed al valore della risorsa acqua. 2. Database topografico e geomorfologico L’analisi geomorfologica applicata riferita alle aree oggetto d’analisi è stata condotta secondo le più recenti e moderne tecniche di rilevamento ed interpretazione tramite tecnologie GIS associate a tecniche tradizionali quali il rilevamento di campagna e l’interpretazione aereofotogrammetrica (quest’ultime con finalità di test e validazione dei metodi indiretti e naturalmente a campione e su aree limitate). Fra gli strumenti utilizzati assume particolare importanza il software JGrass, GIS open-source, che contiene al suo interno un modulo aggiuntivo sviluppato per l’analisi geomorfologica dei bacini idrografici denominato “Horton Machine”. L’opportunità di utilizzare tale strumento, è possibile in quanto associata ad un percorso formativo già compreso nel Progetto Anconapaco, percorso finalizzato in questo caso a fornire le basi di pratica e sviluppo dell’uso del software agli utilizzatori della Regione Marche e della Regione di Durazzo. La scelta dell’applicativo risulta inoltre perfettamente compatibile, nei processi di import ed export, con gli altri strumenti informatici disponibili alla Regione Marche ed alle banche dati esistenti, oltre che, naturalmente ai programmi utilizzati nel lavoro quali ad es. Arcview. I numerosi tematismi topologici, morfometrici e geomorfologici delle aree di studio, da cui sono estratte le corrispondenti cartografie, sono raggruppabili in 5 categorie principali che vanno a costituire il database delle informazioni sul bacino: 2 1. Elaborazione dei DEM: dati relativi al modello digitale del terreno (DEM), alla ricostruzione di un DEMfill (modello digitale con depressioni colmate), all’individuazione di aree depresse e circoscritte, all’estrazione di bacini e sottobacini, alla classificazione delle sezioni di chiusura, ecc…; 2. Ricostruzione degli elementi di base del bacino: calcolo delle pendenze, dei gradienti di pendio, delle direzioni di drenaggio, delle aree contribuenti, dell’esposizione, delle curvature del profilo e delle isoipse, ecc… ; 3. Analisi del reticolo idrografico: estrazione in automatico ed analisi delle proprietà del reticolo idrografico con test di congruità su cartografie IGM al 25.000, elaborazione e verifica della densità di drenaggio, anomalia gerarchica, leggi di Horton, classificazione di Hack e di Strahler, ecc…; 4. Studio dei versanti: elaborazione di dati con le principali caratteristiche dei versanti del bacino base indispensabile per le successivi modelli di perdita di suolo, di suscettività al dissesto, di classificazione geomorfologica; 5. Elaborazioni e statistiche idro-geomorfologiche: elaborati grafici e fogli di calcolo che permettono di determinare alcuni indici relativi al bacino idrografico per la ricostruzione dei tempi di corrivazione, delle curve ipsometriche, ecc…; Gli ambienti di lavoro principali ed i file prodotti nel corso dell’attività AT3 del progetto Anconapaco sono spazi virtuali, dove si definiscono le risorse da utilizzare e il senso del lavoro da compiere, si definiscono i limiti geografici, la proiezione utilizzata e le mappe caricabili. Come già stabilito nelle fasi iniziali del Progetto questi sono così schematizzabili: • Costa: area di costa della Regione Marche a risoluzione 50x50 metri • Arzilla: bacino del Torrente Arzilla a risoluzione 10x10 m • Aspio: bacino dell’Aspio a risoluzione 10x10 m • Asola: Bacino dell’Asola a risoluzione 10x10 m • Genica: Bacino del Genica a risoluzione 10x10m • Fermano: Bacini del Fermano • Ascolano: Bacini in provincia di Ascoli Piceno • Albania: area della regione di Durres a risoluzione 84x84 m 3 2.1. L’elaborazione del DEM Il dato di partenza di ciascuna elaborazione è rappresentato dal modello digitale del terreno (DEM) già prodotto nel corso delle attività di AT2 in maglia 10x10 per l’area della Regione Marche ed a risoluzione 84x84m per la regione di Durazzo. La gestione dell’informazione altimetrica in file ASCII permette il suo utilizzo con diversi applicativi come Arcview e Surfer oltre che con Jgrass: DEM bacino del Genica (Arcview) 4 DEM 3D bacino del Torrente Arzilla (Surfer) 5 DEM del bacino dell’Asola Come già anticipato l’utilizzo di Jgrass costituisce la base di tutte le elaborazioni e permette di iniziare a ricavare le principali informazioni territoriali necessarie all’elaborazione degli indicatori ambientali. In questo modo si possono ottenere ad esempio le mappe del DEM con le “depressioni riempite” (file PIT) necessario alle successive elaborazioni, o la cartografia delle aree depresse definita come la differenza fra il DEM ed il PIT, utili nelle successive analisi finalizzate ad esempio alla definizione del rischio idrogeologico-idraulico. Individuazione delle aree depresse chiuse nel Bacino dell’Aspio 6 2.2. Il deflusso superficiale Il fenomeno del deflusso superficiale e del rapporto fra afflussi e deflussi è, come noto, molto importante nell’evoluzione del territorio e nel governo delle dinamiche che vi si sviluppano. Dunque per determinare come l’acqua si muove sulla superficie topografica della regione di studio si sono ricavate le direzioni di drenaggio ottenendo una superficie topografica discretizzata secondo 8 possibili direzioni verso le quali si dirige il flusso. Lo schema seguente rappresenta la convenzione adottata per la numerazione delle 8 direzioni di drenaggio possibili. Convenzione adottata nella definizione della grid delle direzioni di deflusso Considerando che utilizzando la sola informazione topografica si può determinare una deviazione del flusso rispetto al percorso realmente seguito dall’acqua durante la discesa da monte verso valle, si è prodotta anche una base dati contenente il ricalcolo dei percorsi apportando una correzione (Orlandini 2003) che minimizza tale deviazione. A cascata si ottengono le perimetrazioni delle aree contribuenti (TCA o Total Contributing Area) che rappresentano la proiezione sul piano orizzontale delle aree che afferiscono ad un punto del bacino. Il calcolo di tale quantità avviene 7 percorrendo da tutti i punti del bacino le direzioni di drenaggio e cumulando l’area a monte. Direzioni di drenaggio corrette (Orlandini, 2003) per il Bacino dell’Aspio Per finire si sono individuati tutti i punti di chiusura del bacino idrografico, adottando la convenzione per la quale a tutte le uscite viene sostituito 10 al valore della direzione di drenaggio preesistente. 8 2.3. Morfologia della superficie. E’ noto che alla base delle elaborate modellazioni dei fenomeni naturali che avvengono sulla superficie topografica c’è la ricostruzione di alcune proprietà geometriche superficiali alle derivate prime definite curvature. Le curvature rappresentano infatti la deviazione del vettore gradiente per unità di lunghezza (in radianti) lungo particolari curve tracciate sulla superficie in esame. Queste sono suddivise in planari, longitudinali e tangenziali. Curvatura del profilo Curvatura delle isoipse 9 Derivata seconda dell’elevazione topografica Come già anticipato questi dati vengono utilizzati sia nella determinazione della suscettività al dissesto dei versanti che nella ricostruzione del reticolo idrografico. In quest’ultimo caso, grazie alla banca dati di informazioni di base così ricostruite e disponibili si può scegliere di ricavare la rete degli elementi idrologici basandosi su uno dei 3 metodi a scelta: • utilizzando le aree contribuenti; • ottenendolo come prodotto tra aree contribuenti e gradiente; • basandosi sulle curvature. In tal modo viene tracciato un reticolo che assume valore pari a 2 in corrispondenza degli impluvi e valore nullo negli altri punti. 2.4. Ricostruzione del reticolo idrografico. L’estrazione in automatico del bacino idrografico rappresenta un’operazione estremamente utile ma al tempo stesso molto delicata, specie se il risultato viene utilizzato per successive elaborazioni di geomorfologia quantitativa. Il dettaglio del pattern risultante, il grado gerarchico, la congruenza con il reticolo reale sono di norma difficilmente ottenibili in automatico; mentre la loro ricostruzione con tecniche tradizionali richiede tempi lunghi che crescono proporzionalmente all’area da analizzare. 10 Si è sperimentato tuttavia che il metodo che si rifà alle curvature della superficie topografica risulta essere il più efficace, oltre ad assomigliare maggiormente alla tecnica manuale di tracciamento del reticolo sulle carte ad isoipse. E’ chiaro che per poter testare l’affidabilità del metodo il risultato del processo di calcolo deve essere sempre visualizzato sovrapponendolo alle cartografie IGM al 25.000 (come nell’immagine seguente) in quanto queste costituiscono la base standard di riferimento nelle analisi di geomorfologia quantitativa, ed eventualmente ricalcolarlo dopo aver apportato le necessarie correzioni ai parametri del processo di calcolo. Sovrapposizione e verifica della congruità del reticolo idrografico calcolato rispetto alla cartografia IGM 11 Nelle aree di studio la verifica a campione operata in sovrapposizione alle cartografie IGM e le successive elaborazioni di analisi geomorfologica quantitativa mostra una buona corrispondenza dei due reticoli e dei valori associati. Sono naturalmente evidenti delle differenze ma queste, oltre a non costituire un limite nelle successive analisi geomorfologiche in quanto capaci di descrivere quantitativamente bene il reticolo (la gerarchia del bacino, la sua complessità, ecc…), rappresentano anche una base dati importante specie per l’analisi delle modificazioni antropiche. In effetti le maggiori deviazioni fra il reticolo ricostruito dal programma ed il reale tracciato del corso d’acqua sono imputabili quasi esclusivamente all’opera antropica, e possono dare una stima dell’obliterazione del reticolo minore, della riduzione della capacità di invaso della rete naturale dei canali, della riduzione dei tempi di corrivazione, ecc… Sovrapposizione e verifica della congruità del reticolo idrografico calcolato rispetto alle foto satellitari 12 2.5. Definizione e potenzialità dell’analisi geomorfologica. L’affidabilità del metodo di ricostruzione del reticolo idrografico appena descritto discende come anticipato dalla classificazione del territorio sulla base delle curvature. Queste permettono di discretizzare il territorio secondo appunto 9 topografiche utilizzando i valori di curvatura longitudinale e planare. Inoltre sulla base di tale suddivisione è possibile ottenere anche dei raggruppamenti relativi ai siti concavi, convessi e planari semplicemente associando un valore soglia alla curvatura longitudinale ed a quella normale per definire la planarità (i siti che presentano una curvatura minore in valore assoluto della soglia vengono considerati planari). Per comprendere come sono disponibili le informazioni morfologiche della superficie topografica nel database associato a ciascun bacino si riportano a titolo di esempio il significato ed i valori associati alla tipologia delle classi topografiche contenute nel file class9: • 10 siti planare - parallelo; 13 • 20 siti convesso - parallelo; • 30 siti concavo - parallelo; • 40 siti planare - divergente; • 50 siti convesso - divergente; • 60 siti concavo - divergente; • 70 siti planare - convergente; • 80 siti convesso - convergente; • 90 siti concavo - convergente. Mappa delle 9 classi topografiche (Bacini dell’ascolano, Torrente S.Egidio) Mentre nella mappa rappresentata dal file class3 le classi morfologiche vengono raggruppate in 3 gruppi fondamentali, con la seguente convenzione sui valori attribuiti: • 15 siti concavi (classes 30, 70, 90); • 25 siti planari (class 10); • 35 siti convessi (classes 20, 40, 50, 60, 80). 14 Mappa delle 3 classi topografiche (Bacini dell’ascolano, Torrente S.Egidio) Mappa delle 3 classi topografiche (Bacino del Torrente Arzilla) 15 Confrontando le cartografie dei diversi bacini di studio si verifica come l’informazione ricavata possa essere efficace non solo a descrivere quantitativamente il territorio nelle sue potenzialità e funzionalità, ma anche ad individuare aree con risposte particolari ad esempio caratterizzate da fenomeni di soliflusso che coinvolgono notevoli spessori. . Dettaglio con alternanza di aree concavo-convesse (Bacino del Torrente Arzilla) 16 Sopralluogo sul versante soggetto a soliflusso individuato grazie all’analisi morfometrica. 17 2.6. Analisi geomorfologiche quantitative. Una volta ricostruito e “collaudato” il reticolo idrografico è possibile identificare alcune proprietà della rete idrologica ad esempio ricostruendo gli ordini secondo Strahler e/o secondo Hack. L’opportunità di attribuire valori gerarchici ad elementi del reticolo ed ai sottobacini apre la strada a notevoli elaborazioni con valenza di analisi geomorfologica, idrologico-idraulica, di studio dell’evoluzione recente, ecc… Ricostruzione del reticolo secondo Strahler per il Bacino del T. Asola (dettaglio) 18 Classificazione secondo Strahler dei bacini idrografici del T. Arzilla Poter disporre di valori semplici e spazializzati quali ad esempio la distanza di ciascun punto appartenente al reticolo idrografico dalla sezione di chiusura, o la pendenza media dell’asta principale, diviene uno strumento indispensabile, ad esempio, nell’analisi della risposta afflussi-deflussi propria del bacino idrografico. integrale ipsometrico 0.26 Tc Tc 9.1 8.5 ore ore Giandotti Viparelli CURVE IPSOMETRICA Tc Tc 1.00 Tc cn-scs Ventura Pasini 0.90 0.80 0.70 0.60 h/H Come noto, il tempo di corrivazione discende direttamente dalle proprietà fisiche del bacino e per poterne calcolare in modo agevole e veloce il valore è necessario ricavare diverse variabili (lunghezza dell’asta principale, altezza media, pendenza dei versanti, ecc…); pixel 1055269 105.5269 kmq 30671 30.671 km 144 m Area Totale Lungh. Asta principale altezza media 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 a/A 19 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.49 0.44 0.39 0.34 0.29 0.24 0.19 0.14 Tempo di corrivazione, Curva ed integrale ipsometrico del T.Arzilla 0.09 0.04 0.00 Inoltre per poter avere una stima che possa consentire di valutare anche visivamente la risposta delle superfici scolanti alle precipitazioni, si è implementata una semplice elaborazione che consente di ricavare il tempo di corrivazione secondo Viparelli; 1h 3h 6h 4h 7h 5h 8h 9h Tempo di corrivazione “spazializzato” in ore del bacino del T. Arzilla 20 2h E’ importante considerare che nelle problematiche di rischio idrogeologicoidraulico i valori ricavati per ogni singolo bacino possono essere utilizzati come indicatori 6h 5h 7h 4h 2h 3h 1h Tempo di corrivazione “spazializzato” in ore del bacino del T. Aspio 21 1h 2h 3h 4h Tempo di corrivazione “spazializzato” in ore bacini del Fermano 2.7. Elenco dei tematismi del database geomorfologico, idrologico, topografico. Riassumendo nelle cartelle relative alle analisi topografiche, geomorfologiche ed idrologiche sono contenuti i dati, le informazioni e, naturalmente, i tematismi cartografabili relativi a: • manipolazione del dem (dem, dem senza depressioni, i punti di uscita dal bacino, …) 22 • attributi del bacino (pendenza/gradiente, direzioni di drenaggio, aree contribuenti, esposizione, curvature, nodi, …) • tematismi del reticolo idrografico (rete idrografica, distanza dalla sezione di chiusura, densità del drenaggio, classificazioni, Hack/Strahler, …) • proprietà ed attributi delle aree scolanti (classi topografiche, proprietà canali/versanti, …) • calcoli ed elaborazioni statistiche (curve ipsometriche, profili longitudinali, …) 23