PERICOLOSITÀ RICONDUCIBILE AI PROCESSI FLUVIALI erosione del suolo ed esondazioni

Processi fluviali Processi legati all'azione delle acque incanalate, a sviluppo prevalentemente lineare, che producono nel terreno incisioni più o meno lunghe e profonde dette solchi vallivi Questi processi si manifestano direttamente nei letti o alvei fluviali (dove si riconoscono: letto ordinario, letto di magra e letto d’inondazione), ma i fenomeni di erosione di fondo o laterale dei corsi d’acqua e le più o meno frequenti inondazioni e divagazioni fanno sì che questa azione si risenta anche nei versanti (e quindi nel bacino idrografico) e nei bacini dove i fiumi sfociano Lavoro svolto dall’acqua possibile grazie all’energia posseduta da un corso d’acqua (velocità causata dalla gravità perché esistono dei dislivelli: En. Pot. che si trasforma in En. Cin.)

Bacino idrografico

Diagramma di Hjulstrom In generale si ha: erosione (presa in carico) nelle zone più alte del bacino idrografico (pendenze maggiori e velocità più elevate) trasporto dei materiali erosi (portata solida del corso d'acqua) verso valle (per galleggiamento, saltazione, rotolamento e strisciamento) deposizione nelle zone dove le pendenze diminuiscono notevolmente e l'energia della corrente diminuisce Diagramma di Hjulstrom illustra le relazioni fra i processi di erosione, trasporto e sedimentazione di un fiume, in relazione alla sua velocità e alle dimensioni dei granuli presenti

Trasporto di fondo Trasporto in sospensione

PRINCIPALI forme di erosione Processi di erosione fluviale (corrasione) Erosione di fondo: quando il corso d’acqua tende ad approfondirsi, incidendo l’alveo Erosione laterale: quando il corso d’acqua tende a divagare e a far arretrare le sponde PRINCIPALI forme di erosione Valli il cui profilo trasversale è a forma di V (se prevale l’erosione verso il fondo) o a fondo di battello (se si ha anche erosione laterale) Gole o forre e canyons: valli profonde e dai fianchi verticali originatesi, per erosione di fondo, nelle rocce molto dure e compatte Valli ampie con versanti poco ripidi nelle rocce più tenere Cascate: gradini o scarpate che hanno origine quando un fiume incontra una roccia molto resistente. Essi tendono ad essere demoliti per lo scalzamento alla base che determina altresì l’arretramento verso monte (erosione regressiva) Caldaie o marmitte dei giganti o marmitte di evorsione: scanalature e nicchie semicilindriche che hanno origine per processi di evorsione (a causa della dinamica fluviale si possono formare dei vortici d’acqua ad asse subverticale che tendono ad erodere verso il fondo la roccia; se nei moti vorticosi sono coinvolti anche dei ciottoli, l’azione erosiva è più efficace grazie agli urti e all’azione di sfregamento che questi esercitano sul fondo roccioso) Ripe di erosione fluviale: gradini o scarpate modellate per erosione laterale lungo le sponde di un corso d’acqua

Valli a V Valli a fondo di battello

Canyon fluviali

cascate

Ripe o scarpate di erosione fluviale

forme di deposito sono legate alla diminuzione della energia di trasporto della corrente fluviale quando diminuisce la pendenza conoidi alluvionali: si formano allo sbocco di affluenti in una valle principale. Si tratta di morfologie convesse a forma di settore di cono, costituite da depositi alluvionali, che vengono rilasciati per perdita di energia. pianure alluvionali: forme di accumulo caratteristiche dei tratti terminali dei fiumi. Il deposito del materiale trasportato (deposito alluvionale costituito da frammenti rocciosi di ogni grandezza e litologicamente eterogeneo) avviene nelle zone più depresse, dove si formano ampie distese pianeggianti per erosione laterale del corso d’acqua (es.: Pianura Padana). Quando queste piane non presentano accumuli alluvionali ma sono intagliate direttamente sulle rocce del substrato, si parla allora di superficie di erosione fluviale (N.B. quest’ultima costituisce una forma di erosione)

Conoide alluvionale Conoide di deiezione

Pianure alluvionali

Livello di base: livello al di sotto del quale non può aversi erosione fluviale Profilo longitudinale di un corso d’acqua: solitamente tende ad assumere una configurazione concava verso l’alto (profilo di equilibrio: in tutti i punti del fiume il materiale eroso viene compensato da un uguale quantitativo di materiale che si deposita). Dipende dalle litologie attraversate dal corso d’acqua e, soprattutto, dal livello di base

PERICOLOSITÀ DA INONDAZIONE Dovute a piene fluviali particolarmente abbondanti che determinano la creazione di aperture lungo gli argini dei fiumi o la tracimazione delle acque al di sopra di essi, con conseguente allagamento delle zone circostanti   Aree inondabili: piane e conoidi alluvionali (zone solitamente vulnerabili perché presentano terreni fertili, disponibilità di acqua e una configurazione pianeggiante favorevole all’insediamento di complessi abitativi e industriali) Inondazione più catastrofica: Fiume Giallo (Huang ho) che, nel 1887, allagò 15.000 km2 di terreno nella Cina settentrionale e che provocò la morte di un milione di persone In Italia: alluvione del Po (1951), dell’Arno (1966) e del Panaro nel modenese (1982)

Piane alluvionali: Inondazioni facilitate dalla presenza di alvei pensili   Conoide alluvionale: le aree più facilmente inondabili (altissimo grado di pericolosità da inondazione) sono localizzate lungo il canale principale, allo sbocco del settore montuoso e alla base della conoide. Normalmente i depositi alluvionali vengono rilasciati in corrispondenza dell’alveo torrentizio che, conseguentemente, si sopraeleva rispetto alle aree circostanti. In occasione delle piene il torrente può abbandonare il suo letto per seguire un altro tracciato meno elevato, che verrà successivamente innalzato dalla deposizione di nuovo materiale alluvionale. Gli spostamenti possono avvenire lungo i raggi del “ventaglio” che costituisce la conoide. Queste possibili divagazioni rendono altamente pericolose le aree di una conoide

Fattori delle inondazioni Fattori transitori tipo, durata, intensità e distribuzione delle precipitazioni improvvisa fusione di neve o ghiaccio tasso di evaporazione acque meteoriche Fattori permanenti caratteristiche dei versanti (estensione, pendenze, ecc.) area e forma dei bacini idrografici tipo e densità della rete idrografica grado di permeabilità delle rocce larghezza e profondità degli alvei Altri fattori presenza di copertura vegetale grado di urbanizzazione e, più genericamente, di antropizzazione esistenza di opere idrauliche

In generale le inondazioni più pericolose sono quelle con: Aree con condizioni climatiche favorevoli alla presenza di vegetazione: i colmi di piena (massima portata e, quindi, massimo livello dell’acqua raggiunto durante una piena) sono meno elevati di quelli raggiunti, a parità di precipitazioni meteoriche, nelle regioni dove c’è scarsa presenza di vegetazione. In generale le inondazioni più pericolose sono quelle con: elevato colmo di piena breve ritardo fra il colmo di piena e l’apice degli afflussi meteorici elevata velocità e grandi volumi di acqua elevata frequenza e lunga durata delle piene piogge eccessive e contemporaneo scioglimento delle nevi Generalmente però le piene, rispetto ad altri fenomeni geologici, hanno un grado di prevedibilità maggiore.

tipi di piene   Piene improvvise (flash floods): eventi estremi di breve durata che si verificano in coincidenza di intense precipitazioni, quando la quantità di piogge supera la capacità di infiltrazione del terreno. Le piogge poco intense ma persistenti danno invece luogo a piene di maggiori volumi, anche se più diluite nel tempo. Queste piene sono quelle responsabili delle esondazioni più comuni. Generalmente singoli eventi di piena hanno un solo picco principale (colmo di piena o portata di piena). Piene più preoccupanti e più pericolose: quando in una piena si verifica una serie di picchi in rapida successione, ovvero una piena multipla a più eventi (causate da condizioni meteorologiche complesse) Parametri di una piena che influenzano il grado di pericolosità: livello raggiunto dall’acqua (superiore all’altezza delle sponde) portata del fiume durata dell’evento (questi tre parametri determinano profondità ed estensione dell’area inondabile) velocità di deflusso dell’acqua di piena tempo di ritardo fra precipitazioni e picco di piena

Valutazione dell’entità dell’erosione nei bacini fluviali   La progettazione di interventi tecnici sul territorio pone in evidenza l’esigenza di descrivere quantitativamente, con la maggiore precisione possibile, l’intensità dei processi erosivi. Le metodologie di studio che vengono utilizzate nell’affrontare il problema della valutazione dell’entità dell’erosione del suolo possono essere suddivise, in prima approssimazione, in: approcci che fanno utilizzo di indagini dirette tecniche che si avvalgono di analisi di tipo indiretto

Valutazione dell’entità dell’erosione nei bacini fluviali   La progettazione di interventi tecnici sul territorio pone in evidenza l’esigenza di descrivere quantitativamente, con la maggiore precisione possibile, l’intensità dei processi erosivi. Le metodologie di studio che vengono utilizzate nell’affrontare il problema della valutazione dell’entità dell’erosione del suolo possono essere suddivise, in prima approssimazione, in: approcci che fanno utilizzo di indagini dirette tecniche che si avvalgono di analisi di tipo indiretto

Stazioni torbiometriche indagini dirette   Le tecniche di indagine diretta sono quelle che permettono di ottenere informazioni più precise e conformi alle condizioni reali, poiché si fondano sull’acquisizione di dati tramite misure condotte sul campo Stazioni torbiometriche Misurano direttamente, tramite delle traverse o delle dighe realizzate lungo i fiumi in prossimità della foce, il Trasporto torbido (quantità in peso dei materiali in sospensione passanti per una data sezione fluviale, espressa in kg/s) Indagini in bacini sperimentali Questo tipo di indagini può essere effettuato in bacini sperimentali attrezzati con idonee strumentazioni, che consentono di stimare l’entità effettiva dei processi erosivi in atto; la quantità dei materiali trasportata dal collettore posto all’uscita dell’area campione rappresenta la misura dell’entità dell’erosione. Nei bacini sperimentali vengono inoltre determinati quantitativamente altri parametri, tra cui gli afflussi meteorici, il deflusso superficiale, l’infiltrazione e l’umidità del suolo. In alcuni casi sono stati condotti degli esperimenti simulando la pioggia. I valori di erosione del suolo e di deflusso superficiale dipendono da alcune caratteristiche dei bacini: 1) morfologia, 2) litologia, 3) copertura vegetale, 4) pendenze locali, 5) condizioni microclimatiche. dove è presente una fitta copertura vegetale il deflusso superficiale e l’erosione assumono valori trascurabili a vantaggio dell’infiltrazione; quest’ultima, infatti, viene favorita dal rallentamento dell’acqua di deflusso, determinato dalla presenza dell’erba, delle foglie e delle piante. Nelle aree prive di copertura erbosa, il deflusso superficiale e l’erosione del suolo tendono ad assumere valori elevati

Pregi delle INDAGINI DIRETTE Difficoltà: 1) all’allestire una stazione sperimentale; 2) individuazione del sito idoneo nel quale effettuare le misure (l’area prescelta deve infatti avere caratteristiche tali da poter essere considerata rappresentativa per la zona in cui è collocata, al fine di poter estrapolare i dati ottenuti all’intero bacino); 3) scelta delle strumentazioni più adatte (bisogna stabilire se avvalersi di strumenti a registrazione continua, oppure optare per quelli che effettuano misure di tipo puntuali); 4 aspetto economico (l’allestimento di una stazione sperimentale comporta infatti elevati costi relativi all’acquisto ed alla gestione delle strumentazioni).   Pregi delle INDAGINI DIRETTE Forniscono informazioni più precise ed aderenti alla realtà in quanto si basano sull'osservazione e sulla misura dell'intensità dei fenomeni in atto. Rappresentano una premessa indispensabile per le analisi statistiche di dettaglio che consentono di verificare l'attendibilità delle misure e la possibilità di estrapolare i risultati ottenuti. LIMITI Scelta delle strumentazioni (aspetto economico) Affidabilità degli strumenti e limiti delle misure che vengono effettuate Rilevamento dei dati nel tempo Strumenti in registrazione continua (costi elevati e grande quantità di dati) Misurazioni periodiche (potrebbero non registrare eventi estremi) Rilevamento dati nello spazio I dati si riferiscono ad aree molto ristrette e vengono poi estrapolati a tutto il bacino

Indagini indirette   La valutazione dell’entità dell’erosione effettuata con metodi diretti, a causa delle difficoltà che comporta, va considerata come uno strumento che permette di elaborare e verificare modelli che consentano di stimare indirettamente, attraverso analisi matematiche e statistiche, il tasso di erosione del suolo di aree situate al di fuori dei bacini osservati. In questo tipo di metodologia è evidente la necessità di individuare uno o più parametri che esprimano l’intensità dei processi erosivi. Nella maggior parte dei lavori che si propongono di stimare, per via indiretta, l’entità dell’erosione in un bacino idrografico, tale parametro è stato individuato nel “trasporto torbido dei corsi d’acqua”. Si parte dal presupposto che tutto il materiale che viene eroso da un bacino a causa dei processi di degradazione meteorica, di denudazione (frane, movimenti lenti del terreno, trasporti in massa, cadute di detrito e ruscellamento diffuso e concentrato) e di erosione lineare, alla fine va a finire nei corsi d’acqua che lo trasportano fino alla foce.

Limiti L’utilizzo dei metodi di indagine indiretta, sebbene sia più rapido ed economico rispetto alle misurazioni effettuate sui bacini sperimentali, deve confrontarsi con la difficoltà di individuare delle relazioni che siano applicabili universalmente. Questo tipo di indagini infatti non può prescindere da un’operazione di taratura effettuata a livello locale tramite il confronto dei risultati ottenuti con quelli riscontrati tramite l’utilizzo di misurazioni dirette.

analisi geomorfica quantitativa   Attraverso l’individuazione di funzioni che legano i parametri morfometrici e climatici con il “trasporto torbido” medio annuo dei corsi d’acqua, si può stimare l’entità dei processi erosivi areali e lineari che interessano i bacini idrografici (Indice di denudazione). Denudazione: fenomeni che concorrono all’erosione nei bacini fluviali (azione diretta dei corsi d’acqua, movimenti in massa, processi legati ad agenti di trasporto – acque dilavanti, ghiaccio, vento, ecc. – degradazione meteorica, interventi antropici) Obiettivo geomorfica quantitativa: calcolo dell’entità dell’erosione ad opera delle acque correnti superficiali. Viene preso in considerazione il trasporto solido che si suddivide in trasporto per trascinamento sul fondo (non misurabile), trasporto in sospensione (o trasporto torbido) e trasporto in soluzione (non misurabile)

Le valutazioni dell’entità dell’erosione nei bacini fluviali prendono in considerazione il Trasporto torbido in quanto questo parametro esprime la percentuale più alta del materiale trasportato meccanicamente da un corso d’acqua (50% in climi aridi e semi aridi, fino a 90% nei climi umidi) I valori massimi di trasporto torbido si hanno nelle regioni dove le precipitazioni meteoriche sono comprese fra i valori di 250 e 350 mm (climi semi aridi).   Le equazioni che danno i valori dell’entità dell’erosione devono tenere conto dei seguenti fattori: condizioni climatiche utilizzazione del suolo litologia topografia copertura vegetale

gerarchizzazione dei reticoli idrografici   Ordine gerarchico: costituisce una proprietà lineare di un sistema fluviale. Il reticolo idrografico può essere suddiviso in singoli elementi o aste fluviali secondo un ordine gerarchico (u) : Criterio di gerarchizzazione proposto da Strahler (1960) ogni ramo senza affluenti, cioè alimentato soltanto dal ruscellamento e/o da sorgenti, costituisce un elmento di I ordine; dalla confluenza di due segmenti di I ordine si origina un’asta di II ordine; dalla confluenza di due segmenti di II ordine si origina un’asta di III ordine e così via; in sostanza, dalla confluenza di due aste dello stesso ordine u, si ottengono dei segmenti di ordine u + 1; qualora un segmento fluviale di ordine u incontri un segmento di ordine u + 1 o di ordine ancora maggiore, non si verifica l’incremento di ordine gerarchico. Secondo questo criterio, il corso d’acqua principale di un bacino presenta il numero d’ordine più alto di tutto il reticolo fluviale.

Rapporto di biforcazione (Rb) Viene definito come il rapporto tra il numero dei segmenti fluviali di un dato ordine (Nu) e il numero dei segmenti dell’ordine immediatamente successivo (NU+1)   Rb = Nu / Nu+1 Il rapporto di biforcazione di un bacino fluviale è dato dalla media degli Rb relativi alle coppie di numeri di segmenti di ordine u e u + 1. I valori di Rb solitamente sono compresi fra 3 e 5. Il minimo teorico è 2 (a questo valore corrisponde il massimo grado di gerarchizzazione) Rapporto di biforcazione diretto (Rbd) È dato dal rapporto tra il numero di segmenti fluviali di un dato ordine che influiscono in segmenti dell’ordine immediatamente superiore (NdU) ed il numero di questi ultimi (NU+1)   Rbd = NdU / NU+1 Il limite teorico inferiore di Rbd è 2, così come per Rb; per definizione i valori di Rbd non possono essere più alti di quelli di rb (Rbd < Rb) Indice di biforcazione (R) Tiene conto della presenza di influenze gerarchicamente anomale. È dato dalla differenza tra Rb e Rbd R = Rb – Rbd Statisticamente i valori di R sono compresi fra 0.2 e 2. Un caso limite si verifica quando Rb = Rbd (con R = 0, minimo teorico). In questo caso il reticolo mostra la massima organizzazione gerarchica. Essendo strettamente connesso alla presenza di influenze gerarchicamente anomale, generalmente numerose negli stadi iniziali di evoluzione di un bacino, l’indice di biforcazione può dare utili informazioni ai fini di una valutazione quantitativa dell’evoluzione stessa dei reticoli idrografici. Lo stato di organizzazione e, quindi, di evoluzione dei reticoli idrografici può essere tradotto quantitativamente mediante parametri che ne esprimono il grado di gerarchizzazione

Densità di drenaggio (D) Parametri relativi alle anomalie gerarchiche Pur risultando significativo nell’ambito di un singolo bacino, l’indice di biforcazione (R) non può essere utilizzato per il confronto dell’organizzazione gerarchica di bacini diversi. È necessario infatti considerare come le influenze anomale sono distribuite nei vari ordini Numero di anomalia gerarchica (Ga) Corrisponde al numero minimo di segmenti di I ordine necessari a far diventare il reticolo idrografico perfettamente gerrachizzato. Densità di anomalia gerarchica (ga) È definita come il rapporto tra il numero di anomalia gerarchica (Ga) e l’area del bacino (A) ga = Ga / A Bassi valori di ga si riferiscono a bacini ben organizzati, dove i processi di denudazione sono di tipo lineare mentre l’erosione areale risulta subordinata. Si può affermare il contrario per alti valori di ga. Indice di anomalia gerarchica (Δa) È dato dal rapporto fra il numero di anomalia gerarchica (Ga) e il numero di segmenti di I ordine di un bacino (N1) Δa = Ga / N1 In generale, valori bassi di questi tre parametri si riscontrano in bacini con una buona organizzazione gerarchica, mentre valori alti sono tipici di bacini caratterizzati dalla presenza di terreni argillosi, da una scarsa copertura vegetale e da una intensa attività tettonica recente Densità di drenaggio (D) D =  L / A   Il grado di sviluppo dei reticoli idrografici è influenzato, direttamente ed indirettamente, da molti fattori e si ripercuote, a sua volta, sulla quantità totale di materiale solido trasportato; pertanto il suo studio non può essere trascurato nell’esame dei rapporti esistenti tra i processi erosivi fluviali e le condizioni e i fattori che concorrono a determinarne l’entità. In termini quantitativi può essere espresso dal parametro Densità di drenaggio (D) definito come il rapporto fra la somma delle lunghezze delle aste fluviali di un bacino ( L) e l’area dello stesso bacino (A) Esso è funzione della permeabilità e dell’erodibilità dei terreni affioranti

Analisi ipsometrica A completamento dell’analisi geomorfica quantitativa si esegue un’analisi ipsometrica che consiste nel ricavare una curva cumulativa relativa al bacino idrografico in esame. Tale curva rappresenta la distribuzione percentuale delle altezze rispetto alle aree

Concavità verso il basso: indica immaturità del bacino Concavità verso il basso: indica immaturità del bacino. I processi di denudazione dei versanti sono subordinati all’approfondi-mento verticale operato dai corsi d’acqua Curva ipsometrica ideale : l’erosione lineare e quella sui versanti tendono ad equilibrarsi Concavità verso l’alto: indica maturità del bacino. L’azione morfogenetica dominante è quella  dei  processi di erosione sui versanti

Trasporto Torbido Unitario Medio Annuo (Tu) Attraverso delle equazioni matematiche che tengono conto dei parametri fin qui elencati (o solo di quelli più significativi per aree determinate), è possibile arrivare ad una stima del Tu di un bacino, cioè quantificare l’erosione che avviene in una determinata area. Queste equazioni sono diverse da area ad area e dipendono dalle condizioni climatiche, dalle litologie che costituiscono un bacino, dalla presenza o meno di vegetazione (e dal tipo di specie vegetali esistenti), da fattori antropici, ecc.   Per i bacini idrografici costituiti da rocce essenzialmente argillose della Sicilia può essere utilizzata la seguente formula: log Tu = 0,33479 x D + 0,15733 x Δa + 1,32888 (tonn/km2/anno)