La valutazione della suscettibilità da frana tramite il...

1FOSS4G IT – Lugano 11,12 Febbraio 2010

La valutazione della suscettibilità da frana tramite il metodo delle UCU: un'applicazione tramite GRASS al bacino del Ventia (Umbria)

Autori: Corrado Cencetti, Pierluigi De Rosa, Andrea Fredduzzi, Annalisa Minelli


Scopo del lavoroIl presente lavoro ha come obiettivo la valutazione della suscettibilità

da frana nel bacino del Torrente Ventia.

Suscettibilità da frana: propensione di un'area all'innesco di fenomeni franosiPericolosità: probabilità che si verifichi un evento di una data entitàRischio: perdita di beni al verificarsi dell'evento

Set di informazioni indispensabili per la programmazione di eventuali interventi su aree

soggette a franamento


I metodi per la valutazione della S.Nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per per la valutazione della suscettibilità da frana basati su diversi tipi di

approccio, tra le procedure più note si ricordano:

Inventari fenomeni franosi

Riportano informazioni sulla tipologia, attività, materiale

coinvolto, entità del dissesto, affidabilità del dato

ecc..fornendo direttamente una previsione spaziale e

tipologica di fenomeni franosi

Isoplete (curve ad egual % di aree in frana)




Inventari fenomeni franosiAnalisi statistica

Valutazione della suscettibilià realizzata

sulla base di UTO (divisione del territorio in unità aventi omegeneità

dei fattori che controllano i fenomeni franosi

(geologia, uso suolo, pendenza ecc..))





Metodi deterministiciCalcolo del fattore di

sicurezza (F) dei pendii mediante l'analisi di stabilità

all'equilibrio limite





Metodi deterministici

Metodi euristiciValutazione della suscettibilità

da frana mediante la sovrapposizione di carte

tematiche, scegliendo i fattori significativi di innesco.


L'area di studio – Il Bacino del Ventia

➢Bacino di 47 km2

➢Pendenza media 13%

➢Quota media di 460 m s.l.m.


L'area di studio


Le frane IFFI nel bacino del VentiaL' IFFI individua 227 frane ricadenti all'interno del bacino del Ventia.


Le frane IFFI nel bacino del VentiaL' IFFI individua 227 frane ricadenti all'interno del bacino del Ventia.

media 2,54ha0,03ha

max 19,44hamin

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 1034 10 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 76 82 88 94 100 106

109112

115118

121124

127130

133136

139142

145148

151154

157160

163166

169172

175178

181184

187190

193196

199202

205208

211214

217220

223226

0

50000

100000

150000

200000

250000

Istogramma delle aree delle frane

Frana

are

a


I dati utilizzati

Descrizione Scala Informazioni derivantiCarta tecnica regionale

1:10.000DTM, layer Aspect, layer Slope

CARG - Carta geologica regionale 1:10.000 Litofaces, Layer giaciture

CORINE 2000- Carta uso del suolo1:10.000

Uso suolo

IFFI- Inventario dei fenomeni franosi italiani –

Frane

Annali idrologici bacino del Tevere–

Precipitazioni

I dati di partenza utilizzati


I fattori predisponenti

Fattore predisponente DescrizionePendenza Pendenza dei versanti

Geologia/litologia Variazioni geo-litologiche

Uso del suolo Aspetti antropici

Precipitazioni Aggressività climatica

Rapporto giacitura strati/giacitura versanti

TOBIA


Elaborazione dei dati - slope

Dal DEM si è provveduto a ricavare il layer della pendenze che è stato riclassificato in

Pendenza bassa 0-10

Pendenza medio bassa 10-25

Pendenza media 25-40

Pendenza medio alta 40-50

Pendenza alta >50


Elaborazione dei dati - geologiaDalla mappa geologica al 100.000 si è ricavato il rispettivo layer:


Elaborazione dei dati - pluviometria

Dai dati pluviometrici si è calcolato l'indice di Fourier modificato da Arnoldus(1977), indicato come F

FAO ,che rappresenta un

indice di aggressività climatica,e ricavabile dalla relazione:

FFAO=∑J=1

12

pi2/P

L'aggressività climatica è un aspetto estremamente rilevante nella valutazione della suscettibilità da frana di un territorio.

Con lo scopo di individuare un indice di aggressività climatica di facile applicabilità, adatto alla realtà del territorio nazionale e valido anche per altre tipologie di dissesto considerate dal progetto (erosione idrica, piene da deflusso istantaneo) è stato scelto l’indice di Fournier modificato da Arnoldus (1977)

È risultato infatti che FFAO

è molto ben correlato con altre variabili climatiche

associabili all’insorgenza e/o riattivazione di disseti idrogeologici ed è pertanto in grado di fornire una valutazione sintetica della probabilità di occorrenza di eventi

pluviometrici intensi. Scrinzi et alii, 2006.


ANNO gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Tot annuale1971 82,6 91,5 87,2 53,3 66,1 37,9 32,8 64,2 17,4 19,6 63,4 50 6661972 57,6 32,2 33,2 28,8 83,4 66,8 2,2 19 58 2,6 167 30 580,81973 59,8 89,8 28,6 159,6 64,1 21 54,8 67 100,5 59 64,2 38,5 806,91974 68,4 63,8 5,1 100,6 5,6 71,6 26,2 65,4 115,2 33,2 41,6 36,6 632,31975 46 40 45,7 69 119 25,2 68,9 21,2 114 77,8 42,6 8 667,41976 9,4 12,6 115,4 27,8 105,6 79,8 20,4 133,4 44,8 114,4 136 42,8 842,41977 17,2 90,6 105,1 81,2 61 32,8 82,6 121,2 92,8 124 102,4 104,6 1015,51978 73,2 80,6 47,2 25 86 36 56 161,4 82,4 56,6 62,1 87,8 854,31979 87,6 79,2 11,4 99,2 124,4 74,4 64,6 26,2 32 100 32,2 88,8 9401980 71 118,6 84,4 68 16,2 31,8 29,2 26,8 92,4 94,8 110,8 115,6 859,91981 59,8 19,6 72,8 54,8 107,8 39 18 59 65,8 132,6 211,8 56 831,21982 35,4 30 49 47,8 82,4 68,8 20,8 19,6 36,4 100,6 3 169 692,21983 15,6 13,6 83,8 30,2 128 69,4 39,2 98,6 65 176,4 109,6 198,8 999,61984 16 129,8 0,2 36,2 42,4 30,4 6,4 72 192,8 76 24,8 65,6 627,81985 67,8 137,2 53,6 73,8 154,6 74,8 10,4 128,4 39,4 62,4 69,6 39,2 1064,61986 42,6 35,8 120 24,6 61,6 34,2 8,4 27,2 11,4 25,6 91,6 59,8 53141988 88 108,8 63,2 105,2 28,1 18,2 66,6 19,4 7,2 32,2 92 16,8 797,91987 39,4 44,2 30,2 55,8 153,4 107,2 2,2 17,8 37,8 115,4 80 22 6791989 88,8 55,2 71,8 31,2 84,4 40 44,2 34,8 155,8 151,2 171 59,2 8391991 0,6 26,6 44 104 43,4 75 67 49 44 27,4 90,8 19,2 584,81990 15,2 59,8 33,6 75,4 118,4 59,4 32,2 66 56 1656 194,4 15,2 9821992 22,6 12,6 20,4 87,4 38,6 12 6,6 44,8 118,6 92,2 140,2 86,4 6081993 13,4 11,8 104,2 62,2 38 152,4 56,6 5,2 128,2 194,8 61,2 107,8 863,61994 3,2 8 37 86,4 18,2 38 15,8 8,8 134,8 152,4 81,4 94,4 662,81995 89,4 30,4 1,2 58 52,8 39,8 15,2 4,2 165,6 105,2 67,8 18 610,21996 35,8 133 78,2 36,8 71,4 71,2 9,4 42,6 22,4 11 13,8 11,2 739,21997 52,6 73,4 40,2 61,6 78,4 24,2 24 67,4 61 173,8 107 929,2

46 39 14,8 104,2 36,8 96,8 54,8 22,4 33,8

46,61 59,56 52,91 66 73,93 54,58 33,41 53,32 78,1 138,86 92,56 64,75 951,52172,23 3547,48 2799,54 4356,47 5465,96 2978,43 1116,28 2843,17 6100,21 19283,29 8567,22 4192,8

66,66

perugia ISA

F fao

=

Pluviometria – esempio pluv. Perugia


Individuazione delle soglie

Per la definizione delle classi di aggressività climatica sono state utilizzate le soglie proposte da Scrizi et alii 2006 desunte da dati di 669 stazioni italiane

Classe Decrizione

alta FFAO

>150

media 100<FFAO

<150

bassa FFAO

<100

La scelta della soglia di 100 mm, al di sotto del quale l’aggressività climatica è da considerare modesta, è confortata dagli studi di Rice ed al. (1982). Essi hanno elaborato un indice di gravità delle precipitazioni (S) nei confronti dei fenomeni franosi superficiali di tipo “debris slide/avalanche” che presenta la forma:

Dove Aff è l'afflusso in millimetri e D la durata in ore dell'evento.

S=log10 0,081⋅A ff0,93⋅D−0,57


Classi di precipitazione

Classe bassa

Classe media

Si individuano due aree distinte


Layer Geologia


Rapporto tra versante e strati geol.

Classificazione dei rapporti geometrici tra la superficie topografica e l'assetto della stratificazione.


Una giacitura si dice a franapoggio quando…Lo strato immerge circa nella stessa direzione del versante

Una giacitura si dice a reggipoggio quando…

Topografia

Stratigrafia

Lo strato immerge in direzione opposta rispetto al versante

4 5 6

Lo strato immerge con un angolo di 90° o 270° rispetto al versante

La classificazione

1 2 3

Una giacitura si dice a traversopoggio quando…

Giacitura strati/giacitura versanti


Redazione della mappa giacitura degli strati/giacitura dei versanti

TOBIA (Meentemeyer e Moody, 2000)

TOpographic

Bedding-plane

Intersection

Angle

1. inclinazione degli strati (θ)2. immersione degli strati (α)3. pendenza del versante (S)4. esposizione del versante (A)

TOBIA=cos(θ)∗cos(S)+sen(α)∗sen(S)*cos(α−A)

• È funzione lineare di quattro variabili spaziali:

TOBIA



(Meentemeyer e Moody, 2000)

TOBIA=cos(θ)∗cos(S)+sen(α)∗sen(S)*cos(α−A)

• È funzione lineare di quattro variabili spaziali:

• Può assumere valori compresi tra -1 e 1

• Può essere rappresentato mediante modellizzazione categoriale o continua

TOBIA



franapoggio e se

TOBIA=1

TOBIA=1

=> franapoggio

e se

θ>S

θ<S

franapoggio più

franapoggio meno

se cos (α - A) =1 =>

=>

=>

TOBIA≅0reggipoggio e se

TOBIA=0 => reggipoggio

reggipoggio meno

reggipoggio più

se cos (α - A) =-1=>

=>

=>

TOBIA≅-1

traversopoggio se cos (α - A) = 0 =>

TOBIA


Il dato giaciturale

La giacitura di un piano è la disposizione che questo assume nello spazio

Per individuare la giacitura di un piano occorre rilevare sul terreno 2 parametri:

IMMERSIONEIMMERSIONE

INCLINAZIONEINCLINAZIONE


L'interpolazione del dato giaciturale

1.1. INTERPOLAZIONE DI DATI INTERPOLAZIONE DI DATI ANGOLARIANGOLARI

2.2. RAPPRESENTAZIONE DI RAPPRESENTAZIONE DI PIEGHE ROVESCIATEPIEGHE ROVESCIATE

Il problema dell'interpolazione spaziale di dati geologici giaciturali è stato affrontato in precedenti studi, gran parte dei quali finalizzati alla ricostruzione dei rapporti tra assetto giaciturale e superficie topografica

Minelli, 2006 (tesi di laurea)Minelli, 2006 (tesi di laurea): ricostruzione dei rapporti tra assetto : ricostruzione dei rapporti tra assetto giaciturale e superficie topografica nel giaciturale e superficie topografica nel bacino del torrente Assino bacino del torrente Assino

Problemi Problemi riscontratiriscontrati


L'interpolazione del dato giaciturale

9 0°

0 °

1 8 0°

2 7 0°9 0°

0 °

1 8 0°

2 7 0°

1 0°3 5 0° 1 0°1 0°3 5 0°3 5 0°

In alcuni casi l'algoritmo di interpolazione, non In alcuni casi l'algoritmo di interpolazione, non considerando la distribuzione circonferenziale del considerando la distribuzione circonferenziale del dato angolare, interpola i dati in modo totalmente dato angolare, interpola i dati in modo totalmente erratoerrato

Valore Valore interpolato interpolato

dall'algoritmodall'algoritmo

Valore Valore correttocorretto

Possibile risoluzione considerando seno e coseno Possibile risoluzione considerando seno e coseno dell'angolo e interpolando questi due valori dell'angolo e interpolando questi due valori (Minelli, 2006)(Minelli, 2006)


la formazione più antica (C) si trova sovrapposta alle formazioni più la formazione più antica (C) si trova sovrapposta alle formazioni più recenti (B, A), al contrario di una normale successione sedimentaria dove i recenti (B, A), al contrario di una normale successione sedimentaria dove i sedimenti più recenti risultano essere sempre sovrapposti a quelli più sedimenti più recenti risultano essere sempre sovrapposti a quelli più antichiantichi

strati appartenenti a questo tipo di strati appartenenti a questo tipo di piega (strati rovesci) non si piega (strati rovesci) non si differenziano da generici strati differenziano da generici strati dritti per valori di immersione ed dritti per valori di immersione ed inclinazioneinclinazione,, ma per la successione ma per la successione stratigrafica che, in un fianco della stratigrafica che, in un fianco della piega, risulta invertitapiega, risulta invertita

casi particolari di pieghecasi particolari di pieghe

Rappresentazione di pieghe rovesce


Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie Gli strati rovesci vengono riconosciuti dal geologo in fase di rilevamento grazie all'inversione della successione stratigrafica.all'inversione della successione stratigrafica.


Serie Serie rovesciatarovesciata


Ma se lo strato Ma se lo strato rovescio non viene rovescio non viene distinto da normali distinto da normali strati dritti in strati dritti in valori di valori di immersione ed immersione ed inclinazioneinclinazione








Nell'interpolazione il singolo strato rovescio “viene perso”, o meglio, viene Nell'interpolazione il singolo strato rovescio “viene perso”, o meglio, viene considerato come un normale strato dritto dando origine, laddove vi sia considerato come un normale strato dritto dando origine, laddove vi sia presenza di strutture rovesce, ad presenza di strutture rovesce, ad errori grossolani di interpolazione ed errori grossolani di interpolazione ed interpretazione dell'assetto geologicointerpretazione dell'assetto geologico






INTRODUZIONE DELLA NORMALE AL PIANO INTRODUZIONE DELLA NORMALE AL PIANO COME ELEMENTO DI RAPPRESENTAZIONECOME ELEMENTO DI RAPPRESENTAZIONE



Calcolo della suscettibilità da frana

Densità di frana UCU

Indice di franosità totale

METODO 1

METODO 2

Sono state utilizzate due differenti procedure per la valutazione della suscettibilità da frana che hanno portato alla determinazione:


Metodo 1 – Densità di frana (UCU)

I vari layers riclassificati sono stati sovrapposti mediante il comando “r.cross”, in modo tale da ottenere la distribuzione spaziale di tutte le condizioni uniche UCU (unità a condizione unica).

Alla carta delle UCU è stata sovrapposta la carta delle frane, ricavando il valore di area in frana di ogni singola UCU e il valore dell'area totale di ogni singola UCU ottenendo la DENSITA' DI FRANA per ognuna di esse:

DENSITÀ DI FRANA= area in frana UCU/area totale UCU

Si è riclassificata la carta delle UCU con il comando ”r.recode” attribuendo ad ognuna di quest' ultime il corrispondente valore di densità da frana ottenendo la carta delle densità di frana percentuali.


La mappa di susc. da frana. M.-1

n: 130926minimum: 0maximum: 100range: 100mean: 11.9363standard deviation: 9.55362



1 89.56%2 10.09%3 0.35%4 0.00%


Metodo 2: indice di franosità totalePer ogni fattore predisponente (geologia, uso suolo, pendenza,

precipitazione, rapporto topografia-strati) si è calcolato un indice di franosità relativa IF

rel .

classe a b a/bDepositi terrazzati 5196 13 0,001 5183 0,044 0,019 0,69%

Depositi lacustri 18415 861 0,055 17554 0,149 0,368 14%

105820 13722 0,875 92098 0,782 1,119 41%

4100 1091 0,070 3009 0,026 2,724 100%somma 133531 15687 117844

Numero di pixel totali

Pixel in frana

Pixel non in frana IF rel

Arenarie e marne siltose alternateArgille varicolori

Si riporta un esempio del calcolo di Ifrel per il layer geologia

Per ogni classe di layer valuto il numero di pixel in frana e nona dato dal rapporto tra il numero di pixel in frana per la classe sul totale dei pixel in franab analogo ad a per I pixel non in frana.

Il relazionare a e b permette di individuare l'incidenza relativa di ogni singola classe normalizzata alla sua diffusione areale


Mappe di IFrel per i diversi layer

IFrel TOBIA

IFrel PENDENZA IFrel USOSUOLO

IFrel GEOLOGIA IFrel PRECIPITAZIONE

IFrel alto

IFrel alto


Peso dei fattori predisponenti

Per ottenere la mappa della propensione al dissesto secondo il metodo 2 sono stati sovrapposti tutti gli IFrel pesando i rispettivi valori in funzione del proprio IFrel minimo (IFmin).

w j=IFmin , j

∑J=1

12

IFmin , j

precipitazione 37,18 25%25,32 17%

geologia 0,69 0,46%57,23 38%

uso suolo 28,63 19%Somma 149,04

Ifmin ωi

slope

tobia



Risulta evidente l'effetto della precipitazione sul risultato finale


Confronto tra i risultati dei due metodi

Si nota la sovrastima della probabilità di frana del metodo 2 come valori assoluti


Confronto tra i risultati dei due metodi

Pendenza di 45°

Rispondenza tra i due metodi

Intercetta positiva

Sovrastima del metodo 2


Conclusioni

✔Lo studio della suscettibilità da frana del bacino del Ventia mostra che lo stesso non presenta particolari caratteri di criticità

✔ Il metodo 2 necessita di una correzione del sistema di assegnazione dei pesi per ovviare alla sovrastima mostrata

✔ Il metodo 2 fornisce una gerarchizzazione dei più importanti fattori predisponenti i fenomeni franosi; sia attraverso il confronto dei diversi IFrel che dal valore del peso ω

i.

✔L'utilizzo dell'indice TOBIA rappresenta un punto di forte innovazione nel panorama dei vari metodi di valutazione della S: da frana

✔Effetto troppo marcato delle precipitazioni nel metodo 2.

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