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