Hydrologic control on the triggering and magnitude of debris flows in alpine catchments

Il presente lavoro ha analizzato le condizioni idrologiche associate all’innesco di colate detritiche in una regione alpina. L’analisi è stata suddivisa in due rami principali: la prima parte è stata effettuata a scala regionale e decennale (2000-2010) per approfondire le tematica delle soglie pluviometriche per l’innesco di colate e delle incertezze legate alla determinazione della pioggia nelle zone di innesco delle colate detritiche. Si è cercato, inoltre, di caratterizzare, dal punto di vista morfometrico, le zone di innesco delle colate stesse. Uno studio approfondito è stato dedicato successivamente all’analisi della risposta idrologica di alcuni bacini, per tre eventi di piena avvenuti fra il 2006 ed il 2009. L’area di studio è l’intera Provincia Autonoma di Bolzano (Alto Adige, Nord Italia). Tale area occupa una nicchia idrometereologica peculiare, caratterizzata da un’elevata frequenza di fenomeni temporaleschi con forzante orografica, che, specialmente nel periodo estivo, possono attivare colate detritiche e piene improvvise. La caratterizzazione morfometrica dei siti di innesco è stata effettuata esaminando l’area contribuente e la pendenza locale dei punti stessi. La caratterizzazione è stata effettuata dividendo il dataset in classi di durata di precipitazione, introducendo ulteriori filtri sull’intensità di pioggia e considerando anche la relazione con la litologia. Un’altra questione in esame è legata alla stima di soglie pluviometriche per l’innesco di colate detritiche unitamente all’incertezza legata a questa stima. In primo luogo, un insieme di soglie pluviometriche è stato derivato mediante un approccio frequentista. La procedura di stima di precipitazione per l’identificazione della soglia è basata su due fattori principali: dato del pluviometro più vicino e una interpolazione (Inverse Distance) di tutti i dati orari disponibili a scala regionale e decennale. Le soglie sono state analizzate prendendo in considerazione tutti i punti disponibili ed anche cercando di raggrup-pare i fenomeni di colata in base alla stagionalità, alle diverse caratteristiche dell’evento meteorico ed in base a zone geologicamente omogenee. Il livello di incertezza relativo alla stima di soglie di pioggia è stato analizzato in dettaglio. Il problema della stima di risulta essere particolarmente importante proprio a causa della posizione delle zone di innesco di colate detritiche, con pluviometri che sono comunemente situati a bassa quota (e.g., nei fondovalle) e colate detritiche che hanno origine ad altitudini elevate, nella parte di testata di bacini montani. La procedura di stima di precipitazioni adottata per la valutazione dell’incertezza, è quella basata sull’utilizzo del pluviometro più vicino, che viene considerato come proxy per stimare la pioggia innescante sul sito di colata. L’obiettivo è quello di studiare l’impatto dell’incertezza insita nella stima delle precipitazioni sulla definizione di una soglia per l’innesco di colate detritiche, e l’uso operativo della soglia per scopi di previsione. Due sono le condizioni che maggiormente influenzano l’icertezza di stima: la variabilità spazio-temporale delle precipitazioni e le distanze tra le zone d’innesco ed i relativi pluviometri più prossimi sia sul piano orizzontale che sul piano verticale. Tre sono gli effetti principali considerati: (i) l’effetto del campionamento delle precipitazioni sulla stima dei parametri del modello di soglia, (ii) l’effetto dell’applicazione di una serie di procedure per filtrare le informazioni di precipitazione sul modello di stima della soglia, e (iii) l’incidenza del campionamento della precipitazione sulle performance della soglia come predittore di accadimento di colate. Questi aspetti vengono esaminati mediante una simulazione condotta a scala regionale. La metodologia adottata esamina le soglie di intensità-durata mediante la selezione di una serie di pluviometri che si assumono rappresentare un sito di innesco di colata, denominati DFR, ed una serie di pluviometri prossimi a questi (in rapporto 1:1), denominati MR, che vengono usati per stimare la precipitazione sul sito DFR. Una serie di soglie pluviometriche di riferimento viene utilizzate per identificare gli eventi di precipitazione che “innescano” colate de- tritiche su DFR (cio` eventi che superano la soglia). Per questi stessi eventi, le corrispondenti soglie pluviometriche sono derivate da osservazioni MR. Il confronto tra le soglie pluviometriche derivate da DFR e MR, ha rivelato che l’incertezza nella stima di precipitazione ha un impatto importante sulle soglie di intensità-durata. In particolare, i risultati hanno mostrato che le soglie stimate dalle osservazioni MR presentano stime in difetto. La valutazione delle soglie stimate per procedure di allarme, ha mostrato che, mentre la probabilità di rilevamento è alta, il problema principale è l’elevato rapporto di falsi allarmi, che limita la precisione complessiva del procedimento. Le performance generali sulla previsione di colate detritiche si sono dimostrate buone per soglie pluviometriche moderate e scarse per soglie elevate. Infine, diverse tecniche di interpolazione sono state applicate ad una selezione di pluviometri prossimi al DFR per valutare l’eventuale miglioramento portato dagli interpolatori. I risultati hanno dimostrato che l’interpolazione può migliorare le stime, in particolare i miglioramenti più significativi si sono notati nei casi di correlazione debole tra DFR e MR, mentre per gli altri casi ed in particolare considerando eventi intensi e/o localizzati, i benefici derivanti dal considerare i valori interpolati rispetto al valore del pluviometro più prossimo non sono così significativi. Nella seconda parte della tesi viene esaminata la forzante idrometeorologica ed idrologica relativa all’innesco di colate, attraverso l’analisi dei tre eventi meteorici avvenuti il 3-4 ottobre 2006, 20-21 giugno 2007 e 3-4 Settembre 2009 per capire come la variabilità meteorologica si rifletta nelle diverse risposte dei bacini. Il primo evento ha generato infatti piene improvvise di modesta intensità lungo le aste torrentizie principali con quasi nessuna colata registrata nei corsi d’acqua secondari, il secondo ha innescato un gran numero di colate in bacini secondari ed è stato caratterizzato da una risposta idrica minore nei collettori principali, il terzo ha visto sia piene improvvise importanti che colate detritiche diffuse. Tali eventi sono stati studiati utilizzando dati di pioggia calibrati da radar sul singolo evento, fornendo un input importante per la calibrazione di un modello idrologico distribuito, ed utilizzando inoltre informazioni derivanti dall’analisi di un ampio database di fenomeni di instabilità (incluse le colate detritiche) che copre l’intero territorio provinciale e che viene mantenuto costantemente aggiornato. L’integrazione di dati radar e da rete pluviometrica, dati di portata, informazioni spaziali e volumetriche sugli eventi di colata assieme ad osservazioni sul campo sono usati, unitamente al modello idrologico distribuito, per analizzare le risposte idrologiche e geomorfologiche agli eventi innescanti. Il forte contrasto in termini di risposta idrica ed effetti morfologici fra le tre piene risulta legato a differenze nelle condizioni di umidità antecedenti e nella struttura spazio-temporale degli eventi innescanti. La modellazione afflussi-deflussi ha permesso la stima e di portate al picco e di volumi di deflusso in una serie di piccoli bacini non strumentati in cui i volumi depositati dalle colate sono stati stimati mediante indagini post-evento. Il calcolo della concentrazione volumetrica di sedimento eseguito utilizzando i risultati dell’approccio di modellazione scalato ai bacini da colata ha portato a valori realistici. Le relazioni tra portate al picco e volumi mobilizzati dalle colate mostrano coefficienti di correlazione più elevati di quelli che considerano le variabili morfometriche ed i volumi di precipitazione.