Congiungere la modellazione dei movimenti di massa alla realtà

Mass flows are gravitational natural hazards typical of mountain areas causing economic losses and fatalities every year. Numerical models are a way to predict the propagation of potential mass flow events over a certain topography. To appropriately reproduce future events, models required different inputs. Inputs and processes consistently affecting the outcomes of mass flow models regard the released volume, the triggering conditions and the interaction with the topography and the features on the ground once the flow is in motion. Therefore, the main objective of the thesis is to improve the quantification of the input volume and to improve the implementation of processes of interaction with the basal topography. In this context, the focus has been placed on two types of mass flows: debris flows and snow avalanches. Regarding debris flows, the study aims to improve the reliability of models to capture the increase in flow volume through channel bed erosion and mitigation structure collapse. For snow avalanches, the study wants to improve the identification of possible avalanche release areas taking into account the role of different types of vegetation structures. The thesis was structured as a collection of articles of which three have been published and one is currently under review. The first paper investigated the improvement of debris flow erosion in computational models thanks to data of a severe event occurred in the Gere catchment (Veneto, IT). A function based on a smoothed terrain slope map was calibrated to derive the erosion coefficient, successively used to reproduce the observed erosion process occurred in the channel. Results can improve the reliability of future scenarios related to debris flows for which bed erosion plays an important role in volume increase. The second study defined a procedure to simulate the effect of check dam collapse in a debris flow event. The methodology was developed in the rio Rotian (Trentino, IT) where an extreme rainfall event triggered a debris flow that collapsed a series of 15 check dams. The adopted methodology can be straight applied to map the residual risk of mountain channels or where the lack of maintenance may decrease torrent countermeasure stability. The third project involves the study of terrain roughness. We tested seven algorithms computing terrain roughness in two study areas with the aim to identify which roughness algorithm can represent in the most appropriate way the features on the ground interacting with natural hazards. Outcomes showed that the best algorithm resulted the vector ruggedness and that the increase in data resolution did not improve the classification performance. Results can improve the reliability of mass flow propagation models over natural areas. The fourth project analysed the protection capacity of forests affected by windstorms. We developed and tested two algorithms to assess the characteristics of abated trees. Results assessed that the time of minimum level of forest protection against snow avalanches in 10 years after the storm event. The developed algorithms can be straight applied at regional scale to monitor and improve the management of windthrow areas. The projects investigated entrainment processes, effect of mitigation structure failures and the identification of potential triggering areas. Outcomes of the four projects filled the respective gaps of knowledge, improving the understanding of mass flows and then the prediction of future events. Furthermore, the projects have strong methodological outcomes and new methods to improve the volume estimation of mass flows have been developed and tested. Such methods are further applicable outside of the study areas, supporting different stakeholders in the management of natural hazards of mountain areas.

I flussi di massa sono pericoli naturali di tipo gravitativo tipici delle zone montane che causano ogni anno perdite economiche e vittime. I modelli numerici sono strumenti per prevedere la propagazione di potenziali eventi di flussi di massa su una determinata topografia, ma questi richiedono diversi input. Gli input e i processi che sostanzialmente influenzano i risultati dei modelli sono rappresentati dalla dal volume, dalle condizioni di innesco e dalle interazioni topografia – flusso di massa. Pertanto, l'obiettivo principale della tesi è quello di migliorare la quantificazione del volume coinvolto in un evento di flusso di massa e di aumentare la rappresentazione dell’interazione tra il flusso e la topografia. Quindi, sono stati studiati due tipi di flussi di massa: debris flow e valanghe di neve. Per quanto riguarda i debris flow, la tesi vuole migliorare l'affidabilità dei modelli analizzando l'aumento del volume del flusso attraverso l'erosione del letto del canale e il collasso di strutture di mitigazione. Per le valanghe di neve, lo studio ha come obbiettivo quello di migliorare l'identificazione delle possibili aree di distacco. La tesi è strutturata come una raccolta di articoli dei quali tre sono stati pubblicati e uno è in fase di revisione. Il primo articolo ha migliorato la rappresentazione dei fenomeni erosivi nei modelli numerici grazie ai dati di un evento di debris flow avvenuto nel bacino del rio Gere (Veneto, IT). Una funzione basata sui valori di pendenza è stata definita per calcolare il coefficiente di erosione, successivamente utilizzato per riprodurre l’erosione osservata nel canale. I risultati sono utili per migliorare l'accuratezza di futuri scenari da debris flow per i quali l'erosione è un importante processo nella dinamica del flusso. Il secondo studio ha definito una procedura per simulare l'effetto del collasso delle briglie di consolidamento in un evento di debris flow. La metodologia è stata sviluppata nel rio Rotian (Trentino, IT), dove un evento di pioggia estrema ha innescato un debris flow che ha provocato il collasso di una serie di 15 briglie. La metodologia sviluppata può essere direttamente applicata per mappare il rischio residuo dei canali da debris flow in cui siano presenti opere o dove la mancanza di manutenzione delle misure di mitigazione può diminuire la loro stabilità. Il terzo progetto riguarda lo studio della rugosità del terreno. Sette algoritmi di calcolo della rugosità sono stati testati in due aree studio al fine di identificare quale algoritmo possa rappresentare nel modo più appropriato le tipologie del terreno che interagiscono con i fenomeni di massa. I risultati hanno mostrato che il miglior algoritmo è risultato il vector ruggedness e che l’utilizzo di una risoluzione maggiore non ha migliorato le performance. Il quarto progetto ha analizzato la capacità di protezione delle foreste colpite da tempeste di vento. Due nuovi algoritmi per valutare le caratteristiche degli alberi abbattuti sono stati sviluppati. I risultati hanno evidenziato che il momento di protezione minimo delle foreste contro le valanghe di neve è dopo 10 anni l'evento di tempesta. Inoltre, gli algoritmi possono essere applicati direttamente su scala regionale per la gestione e il monitoraggio delle aree forestali colpite da tempeste. I diversi studi hanno analizzato i processi di erosione, l'effetto del collasso di briglie e l'identificazione di potenziali aree di innesco. I risultati dei quattro progetti hanno risposto ai corrispondenti obbiettivi, migliorando la comprensione dei flussi di massa e quindi la previsione di eventi futuri. Inoltre, i progetti forniscono importanti risultati metodologici e nuovi metodi sono stati sviluppati e testati al fine di migliorare la stima del volume dei flussi di massa. Tali metodi sono inoltre applicabili al di fuori delle aree di studio prese in esame, dando supporto a diversi stakeholder nella gestione dei rischi naturali.