Caratterizzazione e modellazione di fenomeni geologici di instabilità attraverso tecniche di telerilevamento satellitare e simulazioni numeriche

L’analisi degli spostamenti superficiali del terreno permette di ottenere importanti informazioni sull’evoluzione di un fenomeno di instabilità geologia e identificarne i fattori di innesco. A questo scopo, i dati RADAR ad apertura sintetica (SAR) satellitari possono essere utilizzati per raccogliere misure indirette relativamente alle deformazioni superficiali di aree affette da dissesti geologici. I risultati ottenuti tramite tecniche di telerilevamento SAR possono poi essere confrontati con i risultati di simulazioni numeriche: il raffronto tra campi di spostamento e velocità consente di validare e calibrare il modello numerico. Le simulazioni numeriche sono probabilmente lo strumento più diffuso per la riproduzione un dissesto sotto specifiche ipotesi, la cui esattezza è fortemente connessa alla quantità di dati di input disponibili. Spesso molti dei parametri necessari a costruire un modello devono essere stabiliti attraverso ragionevoli assunzioni, che possono essere verificate grazie a misure sul campo e monitoraggi con tecniche classiche, o attraverso tecniche di telerilevamento. Un diverso approccio, applicato nella creazione di un modello, consiste nel considerare una mappa di spostamenti superficiali quale punto di partenza per modellare un fenomeno di instabilità e le caratteristiche della sorgente. Tale approccio necessita della disponibilità di precisi valori di velocità di spostamento, ad una risoluzione spaziale adeguata al fenomeno che si sta analizzando. Il presente lavoro è finalizzato a determinare il contributo dei dati SAR satellitari nello studio dei dissesti geologici, con particolare riferimento a frane e sinkholes. L’approccio metodologico è stato utilizzato in diverse condizioni per capirne l’applicabilità e ottimizzarne i risultati ottenuti, superando alcuni dei limiti del dato SAR. Le tecniche di telerilevamento RADAR satellitare, ed in particolare la tecnica InSAR (Synthetic Aperture RADAR Interferometry), considerano le variazioni di fase tra il segnale trasmesso e la componente retrodiffusa che torna al ricevitore, e restituiscono accurate mappe di spostamento superficiale su larga scala. Tra l’altro è possibile stimare non solo le deformazioni, ma tutta l’evoluzione degli spostamenti, utilizzando informazioni derivanti da diversi interferogrammi ottenuti da numerose immagini SAR, combinandoli ed analizzando i cambiamenti di fase del segnale. Queste tecniche sono definite D-InSAR (Differential Interferometric SAR) e i principali algoritmi proposti in quest’ambito sono denominati PS InSAR (Ferretti et al., 2001) ed SBAS (Berardino et al., 2002). Ma le tecniche D-InSAR hanno delle limitazioni nella loro applicazione: possono rilevare solo una componente dello spostamento complessivo; non tutte le geometrie sono visibili al satellite ed è quindi importante valutare l’esposizione dell’area che si analizza; anche la presenza di fitta vegetazione genera delle limitazioni. In questi casi è possibile utilizzare l’ampiezza del dato, anziché la fase, per identificare superfici soggette a deformazioni (Casu et al., 2011). Le tecniche menzionate sono state applicate a tre casi reali: • due frane manifestatesi nella zona prealpina della Provincia di Vicenza nel 2010; • subsidenza e sinkholes che affliggono la costa Giordana del Mar Morto. Entrambe le frane analizzate, la frana di Contrada Cischele e la frana di Val Maso, sono state innescate da un evento di pioggia eccezionale che ha colpito la Provincia di Vicenza nell’autunno 2010. La frana che ha interessato Contrada Cischele, nel Comune di Recoaro Terme, è caratterizzata da velocità di deformazione contenute, dovute alla riattivazione del versante in frana in stretta connessione con gli eventi di pioggia e quindi l’innalzamento della falda. La frana si è manifestata causando danni alle abitazioni presenti, alla strada Provinciale ed al muro di contenimento che la delimita. Grazie alle indagini in situ e alle prove di laboratorio effettuate sui materiali è stato possibile riprodurre un modello di stabilità globale del versante. L’analisi del dissesto con dati SAR è avvenuta inizialmente attraverso la valutazione dei dati PS storici nell’archivio del Ministero dell’Ambiente, verificando la presenza di spostamenti precedenti all’evento del 2010. Successivamente è stata applicata la tecnica SBAS utilizzando 14 immagini COSMO-SkyMed acquisite a cavallo dell’evento piovoso. La presenza di vegetazione nel versante, che è causa di una decorrelazione temporale tra i dati, ha reso particolarmente complesso il processamento. Attraverso un’attenta calibrazione dei parametri di filtraggio dei dati è stato possibile definire il campo di spostamenti nell’area indagata. La frana in località Val Maso, nel Comune di Valli del Pasubio, è caratterizzata da dinamiche molto diverse rispetto al precedente caso. A seguito delle eccezionali piogge del Novembre 2010, il versante è collassato con un movimento rototraslativo al coronamento, che è evoluto in colata. L’evento si è sviluppato molto rapidamente ed ha coinvolto circa 200'000 m3 di materiale asportato; la superficie di scivolamento si è localizzata a circa 20 m di profondità. Una back analysis della stabilità del versante ha permesso di definire con maggiore accuratezza le proprietà geotecniche dei materiali coinvolti. Poi, i parametri ottenuti sono stati utilizzati per un’analisi disaccopiata di filtrazione e stabilità globale dell’area a monte del coronamento di frana, per valutare l’entità della minima intensità di pioggia in grado di innescare la retrogressione del fenomeno. Ulteriori informazioni sulla frana sono state ricercate tramite l’utilizzo di dati SAR satellitari. A causa della densa vegetazione e degli evidenti cambiamenti morfologici indotti dalla frana, le tecniche PS ed SBAS non sono risultate applicabili. Si è pertanto analizzata l’ampiezza del dato, anziché la fase, utilizzando 9 immagini COSMO-SkyMed, acquisite prima e dopo l’evento. La valutazione dei cambiamenti di ampiezza ha permesso di perimetrare l’area in frana. Infine la tecnica SBAS è stata utilizzata per indagare l’evoluzione dei sinkholes che interessano la costa Giordana del Mar Morto, con particolare attenzione alla porzione sud-orientale della costa, denominata Ghor Al Haditha. Grazie ai numerosi riferimenti bibliografici relativi a quest’area (Bartov et al., 2000; Closson et al., 2007, 2009; Abou Karaki et al., 2005; Abelson et al., 2006; Akawwi et al., 2009; Ezersky et al., 2013) sono chiare le ragioni del verificarsi di questi dissesti e della subsidenza lungo tutta la costa del lago. L’innesco è connesso all’ingente sfruttamento, a scopo civile ed industriale, delle acque del Mar Morto, il cui livello si sta abbassando di circa 1 m/anno. La conseguenza di questo sfruttamento è una sostituzione dell’acqua salina, presente in profondità, con acqua dolce di falda, la quale causa la dissoluzione degli strati salini presenti nel terreno. L’area è stata analizzata utilizzando immagini ERS, Envisat e COSMO-SkyMed. I primi due dataset hanno evidenziato la subsidenza che affligge le coste, senza permettere di isolare gli spostamenti dovuti ai singoli sinkhole, a causa della risoluzione spaziale di 25 m di questi dati SAR. L’utilizzo dei dati COSMO ha invece permesso di identificare gli spostamenti dovuti ai sinkholes in modo molto dettagliato, grazie all’alta risoluzione spaziale di questi dati (3m x 3m) e al breve tempo di rivisitazione del satellite. Uno specifico sinkhole è stato individuato ed analizzato studiandone l’evoluzione temporale. Sulla base dei risultati ottenuti dal processamento SBAS è stato definito un modello analitico: partendo dal campo di spostamenti superficiali sono stati derivati i parametri geometrici della sorgente e stimata la variazione di volume associata al fenomeno. Le esperienze fatte hanno evidenziato come i dati SAR satellitari permettano di ottenere importanti informazioni riguardo le dinamiche dei fenomeni di instabilità. Il grado di dettaglio di tali informazioni dipendono da diversi fattori, quali la risoluzioni spaziale del dato, la numerosità e la vicinanza temporale dei dati analizzati, la presenza di vegetazione più o meno fitta, la velocità degli spostamenti. La possibilità di utilizzare i dati SAR per ottenere informazioni utili alla creazione di un modello numerico è stata testata in diverse condizioni. In presenza di movimenti molto rapidi, che superano il valore massimo di velocità rilevabile, e cambiamenti netti della copertura vegetativa provocano una perdita di coerenza, è possibile analizzare l’ampiezza del segnale anziché la fase. Nel caso della frana in località Val Maso, è stato possibile mappare la superficie soggetta a deformazioni, fornendo un possibile strumento fondamentale per la gestione dell’emergenza post-evento. Nonostante la presenza di vegetazione nel versante in frana, in località Cischele, la tecnica SBAS ha permesso di stimare una componente dello spostamento superficiale, grazie all’attenta calibrazione di alcuni parametri del processamento. La morfologia pianeggiante della costa del Mar Morto, in località Ghor Al Haditha, e la scarsa presenza di vegetazione, hanno permesso di ottenere precise informazioni relativamente alle deformazioni superficiali indotte dal subsidenza e sinkholes, tanto da poter generare un modello analitico del fenomeno, utile alla creazione di un sistema di early warning, sulla base dei movimenti che precedono un possibile evento catastrofico.