Analisi e confronti di modelli di erosione del suolo e trasporto di sedimenti tramite l'uso di sistemi GIS

1. INTRODUZIONE 6
suolo, con il conseguente innesco di fenomeni di degradazione, nella maggior parte
dei casi molto evidenti.
La degradazione del suolo è una delle più gravi minacce all’ambiente prodotte dal-
le pratiche agricole. Il processo di degradazione dei suoli più evidente è l’erosione.
L’erosione del suolo consiste nel distacco e nell’allontanamento di particelle solide
dalla sua superficie : tale azione può essere dovuta al vento, all’acqua o ad altri agenti
zonali. Mentre nelle regioni aride e semi-aride della terra l’erosione eolica può essere
un grave problema, nelle regioni temperate, come il nostro Paese, i rischi maggiori
sono connessi con l’erosione idrica superficiale e fluviale. Per effetto dell’erosione
diminuiscono, negli orizzonti superficiali del suolo, la sostanza organica, l’argilla e
le altre frazioni colloidali; si riducono lo spessore utile per le radici delle piante, la
riserva di nutrienti e la capacità in acqua utile. Acidificazione, lisciviazione, eutrofiz-
zazione, costipazione, perdita di attività biologica, sono processi di degradazione del
suolo favoriti o aggravati dell’erosione. L’erosione, del resto, è un fenomeno naturale
che appartiene al normale ciclo di vita della terra e non è del tutto annullabile; il ve-
ro pericolo sta invece nell’erosione accelerata che, quando innescata, è difficilmente
contrastabile.
In tutti i tipi di colture agrarie il suolo subisce un’erosione accelerata rispetto a
quella naturale. Questo fenomeno è accentuato nei terreni agricoli caratterizzati da
sfruttamento intensivo. Da essi vengono sottratti più nutrienti di quanti ne vengano
ripristinati. Questo sbilanciamento è operato insieme ad una graduale riduzione della
sostanza organica, al deterioramento delle strutture chimico-fisiche e alla modificazio-
ne del bilancio idrologico del suolo. Tali fenomeni si verificano sia nei suoli arabili
che nei prati adibiti al pascolo, quando questo non è razionalmente controllato.
Normalmente, nelle aree agricole, si ha una perdita annuale di suolo fertile di cir-
ca 10 tonnellate per ettaro; per contro, la velocità di formazione del suolo fertile è
bassa, non più di 2-3 tonnellate per ettaro all’anno e ancora meno nelle regioni aride.
L’erosione dei suoli genera l’inquinamento delle acque e un deposito limoso nei corsi
d’acqua e nei canali d’irrigazione, con perdita dei nutrienti minerali del suolo stesso.
Negli Stati Uniti negli ultimi 200 anni almeno un terzo dello strato superficia le del
suolo agricolo è andato perduto [Rivista Unimondo, 2002] . Nel nostro paese circa
il 77% del territorio è soggetto al rischio di erosione accelerata, anche a causa della
mancanza di misure conservative del suolo (sistemazioni idraulico agrarie, drenaggi,
inerbimenti) e dell’aumento dell’erosività delle piogge, che presentano eventi estremi
1. INTRODUZIONE 7
più intensi e più ravvicinati, legati all’ormai noto generale mutamento del clima a scala
planetaria.
Quindi gli sforzi per equilibrare lo sviluppo economico con la protezione dell’am-
biente hanno aumentato la richiesta di strumenti (modelli di simulazione) che predi-
cono l’impatto antropico sul territorio, al fine di prevenirne cambiamenti irrimediabili.
Gli strumenti di simulazione già esistenti sono in continuo sviluppo, perchè vengono
richieste informazioni sempre più dettagliate sulla distribuzione spaziale e temporale
dei fenomeni modellati.
Proprio all’interno di questa necessità si colloca questo lavoro di tesi, in cui sono
stati analizzati e confrontati diversi modelli, passati e recenti, individuandone limiti e
potenzialità. Il continuo sviluppo dei GIS ha aperto una nuova strada a questi modelli,
che sono stati integrati in strumenti software in grado di gestire dati territoriali.
I software che sono stati utilizzati nel corso di questa tesi, a partire dal GIS per
arrivare fino all’elaboratore di testo, passando per i vari software di analisi statistica,
fogli di calcolo, etc., appartengono tutti alla grande famiglie del “software libero”. Si
tratta di software che, oltre ad essere liberamente distribuito a tutti, consente all’utente
di poter accedere al codice sorgente e quindi di modificarlo a suo piacimento e di
ridistribuirlo. Il software libero è il prodotto del lavoro di una comunità mondiale che
collabora ad uno stesso progetto.
La ricerca scientifica è fortemente legata al libero scambio di informazioni, in tutte
le forme possibili: congressi, conferenze, riviste, siti web, seminari, progetti comuni
di ricerca etc. Esse rendono possibili scambi di idee, favoriscono l’apertura mentale
dei ricercatori, contribuiscono in maniera significativa alla nascita di nuovi concetti e
costituiscono le fondamenta del processo di crescita incrementale dei risultati. Queste
attività creano inoltre una rete di controllo reciproco che rende l’avanzamento della
conoscenza affidabile ed efficiente.
Il software libero è un prodotto naturale di un ambiente di ricerca. La nascita e il
processo di sviluppo del software ha molto in comune con quello delle idee scientifi-
che. Come queste, il software migliora grazie a ciò che si apprende dai risultati degli
altri. Un processo che è molto più efficiente se si può accedere al codice sorgente,
analogamente alla possibilità di accedere ai dati ed ai risultati scientifici di altri. La
crescita per “accumulazione” è comune alla ricerca scientifica e al software. Sia nel
campo della ricerca che in quello del software, l’apertura delle conoscenze favorisce
grandemente questo processo, che è possibile solo se è permessa la modifica.
1. INTRODUZIONE 8
La scienza è credibile perchè in linea di principio chiunque può verificarne i risulta-
ti. Per rendere questo principio applicabile, i ricercatori sono incoraggiati a pubblicare
i propri risultati in una forma che consenta un esame indipendente, accurato e com-
pleto (solitamente quella di un articolo scientifico che esponga in dettaglio tutti i punti
rilevanti). Questo processo è analogo a quello con cui il sofware libero acquista credi-
bilità: rendendo il codice sorgente disponibile, e aprendosi così all’esame da parte di
chiunque.
CAPITOLO 2
I processi di erosione del suolo
Il trasporto di sedimenti dalle colline alle valli e/o alla rete idrografica, è un proble-
ma di importanza fondamentale in geomorfologia. I processi geomorfologici e idrolo-
gici responsabili del trasporto di sedimenti sono fortemente influenzati dalle proprietà
del suolo. I primi studi sulle relazioni intercorrenti tra le proprietà del suolo e l’ erosio-
ne sono cominciati nel 1926 a CUBA [Bennet, 1926] ma sono stati formalizzati solo
nel 1930 [Middleton, 1930] che ha proposto due indici di erodibilità del suolo, com-
binando il deflusso superficiale e la distaccabilità dei suoli. Nei successivi cinquan-
t’anni molti studi sono poi stati affrontati [Bryan. 1974, De Ploey e Poesen, 1985,
Smith e Wischmeier, 1962], testati e raffinati. Fino al giorno d’oggi sono stati fatti
grandi passi avanti sull’argomento, si è capito, infatti, che la distribuzione dei proces-
si erosivi e la resistenza del suolo sono fortemente influenzati da ognuno dei sotto-
processi attivi sui pendii, ma pochi studi riescono a definire chiaramente qual’è questo
rapporto. Ne sono un esempio gli studi che portano alla definizione della Universal
Soil Loss Equation (argomento che verrà meglio approfondito in seguito), in cui l’
erodibilità del suolo (K factor) è stata ottenuta mediante misure su pendii di lunghezza
di 22.1pollici, piuttosto che da osservazione diretta. Quindi il “K factor” si comporta
un pò come una “scatola grigia”.
Un secondo problema è che molte delle informazioni sui suoli erosi vengono da
studi su terreni agricoli dove il profilo naturale del terreno è stato ben omogeneizzato
e la macroporosità largamente alterata.
Infine, un ruolo fondamentale è giocato dalla variabilità temporale delle proprietà
del suolo, che ne controllano l’ erodibilità . Infatti le proprietà che controllano l’erosio-
ne (come l’ aggregazione e la resistenza di taglio) sono fortemente variabili, anche di
diversi ordini di grandezza. Sebbene ormai questo sia ben noto, le implicazioni per una
corretta valutazione dei processi erosivi non sono ancora ben definite [Bryan, 1999].
Tutte queste difficoltà hanno portato sempre più a sviluppare, recentemente, mo-
delli fisicamente basati anziche empirici, basandosi sui processi erosivi dominanti ma
sebbene si siano ottenuti notevoli miglioramenti rimane ancora molta ricerca da fare.
9
2.1. PROCESSI DI INTERRILL 10
[Bryan, 1999].
L’ erodibilità del suolo può essere definita in relazione a specifici processi e feno-
meni, che sono in stretta relazione con le proprietà del suolo. L’ effetto dell’impat-
to della goccia d’acqua e il suo successivo deflusso coinvolge diversi sotto-processi
che in ambito geomorfologico si distinguono in due categorie: processi di interrill,
causata principalmente dall’ impatto della pioggia, e rill erosion, causati dal deflusso
superficiale.
2.1. Processi di interrill
L’erosione da impatto è guidata principalmente dall’energia cinetica della piog-
gia che è determinata a seconda del tipo di distribuzione spaziale e di intensità. Il
contenuto d’ acqua del suolo ha un’ importante funzione di controllo sul proces-
so di impatto della goccia [Yariv, 1976]. Su terreni secchi e sciolti, molta ener-
gia è spesa per disgregare e deformare le particelle ma, come il contenuto d’ ac-
qua aumenta, il suolo si fluidizza e lo stadio finale, seguente il ponding, è quello
in cui la goccia di pioggia interagisce con il deflusso superficiale. Studi a proposi-
to [Palmer, 1963, Mutchlere Larson, 1971] hanno dimostrato come incrementi del
distacco di suolo da parte dell’impatto della pioggia si notano fino a una soglia di
profondità del flusso pari al diametro delle particelle di pioggia stessa (d). Altri la-
vori [Moss e Green Hutca,1982, Kinnell, 1990] hanno trovato piccoli incrementi di
distacco anche con profondità pari a tre volte il diametro (3d). La rugusità microto-
pografica è sufficiente, in molti pendii, a produrre ponding discontinuo e annullare l’
erosione da impatto. L’ importanza dell’ erosione da impatto è stata confermata in
molti studi [Young e Weirsma, 1973] , ma forse a essa è stata data troppa importan-
za. Recenti studi in Canada [Sheppard e Joe, 1994], effettuati sulla base di con piú
precise misurazioni delle gocce di pioggia, dimostrano come gli studi precedenti so-
vrastimino le gocce di pioggia e quindi probabilmente l’ erosione. Sta di fatto che tale
effetto erosivo è comunque importante.
L’ energia di deflusso è funzione della portata idrica che, a sua volta, dipende
dalle caratteristiche del suolo e della vegetazione che sono altamente variabili. Tali
interazioni sono molto importanti nella modellizzazione fisica del processo di erosione
del suolo. I canali profondi hanno tipicamente corrente subcritica e idraulicamente
turbolenta, mentre il deflusso superficiale è molto piú sottile e spesso discontinuo. La
sua profondità può variare di diversi ordini di grandezza in pochi centimetri di distanza
2.2. PROCESSI DI EROSIONE PER RILL 11
lungo il pendio. Quindi, l’energia di impatto della pioggia ha piccoli effetti su canali
ma influenza fortemente i deflussi superficiali poco profondi, dove non viene attenuata.
Le condizioni idrauliche di deflusso superficiale vengono determinate dalle pro-
prietà del suolo, che però possono cambiare anche durante l’evento stesso. Un esem-
pio può essere rappresentato dalla rugosità: quando gli elementi rugosi sono totalmente
sommersi, la rugosità idraulica diminuisce con la profondità del flusso, se invece gli
elementi sono uguali o eccedono la profondità del flusso, avviene l’opposto. Quindi
in condizioni di interrill la rugosità del terreno è predominante, ma quando i flussi si
concentrano in rill molti degli elementi rugosi vengono sommersi e influenzano molto
meno il deflusso superficiale.
2.2. Processi di erosione per rill
La transizione da processi di interrill a processi di rill è critica sia per il tasso di
erosione che per l’evoluzione geomorfologica dei pendii collinari. Mentre i processi
di interrill, come già detto, sono fortemente influenzati dall’ energia di impatto della
pioggia, i processi di rill sono concentrati e non ne sono direttamente influenzati . Mol-
ti studi sono stati fatti sulle condizioni tali da avere l’ innesco dei rills [Bryan, 1987], e
soprattutto sulle condizioni idrauliche che influenzano il processo. I rills che si forma-
no possono essere distribuiti sistematicamente o casualmente e la sola concentrazione
di flusso non è necessaria a causarene l’incisione. Già Horton (1945), infatti, aveva
collegato l’ innesco dei rills con le caratteristiche idrauliche del flusso e le proprietà
del suolo superficiale; sebbene questo sia noto, in letteratura sono presenti principal-
mente studi sulla individuazione dei parametri idraulici (e i valori di soglia degli stessi)
che influenzano l’ innesco dei rills.
Molti parametri idraulici indici sono stati proposti per valutare l’ innesco dei rills,
ma quelli piú affidabili ed applicati sono risultati:
(1) la shear velocity, definita come u∗ = √gRS, dove R è il raggio idraulico, S
è la pendenza e g è l’ accelerazione di gravità. Tale quantità è collegata allo
sforzo di taglio esercitato dal flusso d’ acqua τ ; essa infatti altro non è che
u∗ =
√
τ
ρw con ρw che è la densità dell’ acqua.
(2) la stream power , espresso comunemente come la potenza del rivolo d’ acqua
per unità di lunghezza:
Ω = ρgV SL
t
2.2. PROCESSI DI EROSIONE PER RILL 12
dove L è la distanza, V il volume d’ acqua e t è il tempo. Poichè la portata è
Q = V
t
, la potenza per unità di lunghezza può essere scritta come
Ω = ρgQS
(3) la unit stream power, definita come potenza del rivolo per unità di area di base.
Considerando che la portata Q = wdU (dove w è la larghezza del canale, d la
profondità del flusso e U è la velocità) la stream power per unità di area A è
ω = ρgwdUSLA
e poichè l’ area di base è definita come w · L, la relazione può essere riscritta
come
ω = ρgdUS = τ0U
Per quanto riguarda lo shear velocity, Govers (1985) ha proposto che il valore di soglia
per l’innesco dell erosione per rill è 0.03− 0.035 ms−1anche se, in generale, il valore
critico u∗ dipenderà anche dalle proprietà del suolo. Rose (1985) ha usato la stream
power e il valore di soglia per tale parametro è 0.5 Wm2 . Per Nearing (1998), invece,
la unit stream power è un più consistente e reale indicatore del processo di innesco
dei rills, soprattutto per flussi idrici sottili su letto di terreno non coesivo. In questo
caso il valore di soglia proposto per tale parametro è 0.002 Kg · s−2. Tutti questi
studi indicano quindi chiaramente quali sono i tre parametri idraulici di riferimento,
e, nonostante le difficoltà incontrate nelle misurazioni per flussi cosí poco profondi,
quello di maggior affidamento è u∗(shear velocity) . Questo perchè la maggior parte
del mondo scientifico usa questo indicatore per gli studi sull’argomento e quindi, di
conseguenza, c’è anche molta più letteratura tecnica a riguardo.
Gli effetti delle condizioni idrauliche sull’innesco dei rills sono state ben studiate
e anche la geometria idraulica dell’evoluzione della rete di rill ha ricevuto attenzione
da parte degli studiosi, ma l’ impatto della geometria della rete sul rilascio di sedi-
menti è stata quasi del tutto ignorata. Gli effetti di differenti tipi e stati di suolo sulla
rete di rill è stata ben mostrata da un esperimento dell’Università di Toronto (Canada)
[Bryan, 1999], dove si vede che, considerati due terreni sottoposti allo stesso tipo di
evento meteorico, quello più compatto superficialmente, di tipo limo-sabbioso, ha una
rete di rills molto meno marcata rispetto all’altro che è di tipo limo-argilloso (più coe-
sivo). L’ accumulo si sedimenti potenziale e temporale nei rills cresce con la comples-
sità della rete, e ciò riflette gli effetti delle caratteristiche del suolo e delle condizioni
2.3. STATO DELL’ARTE 13
idrauliche sul fenomeno stesso.
In conclusione, sarebbero necessari maggiori studi sperimentali sull’argomento,
per stabilire gli effetti del tipo di suolo sulla geometria della rete di rills e il modo in
cui essi sono collegati all’erodibiltà degli stessi. L’erosione per interrill è dominante
per brevi e moderate intensità di piogge, mentre per prolungate e intense piogge, l’
evacuazione dei sedimenti dai rill eccede l’apporto dell’interrill e la rete si espande.
2.3. Stato dell’arte
La resistenza alla forza erosiva è preliminarmente determinata dalle proprietà del
suolo, che devono quindi essere assolutamente considerate nell’implementazione del
modello spaziale e temporale del trasporto di sedimenti dai pendii. Con il passare
del tempo si possiedono dati misurati sempre maggiori, su differenti scale spaziali e
temporali. Questo permette di poter avere modelli di previsione molto più raffinati
rispetto ai precedenti.Nel modello USLE, ad esempio, si fa riferimento ad un fatto-
re K che, come già ricordato, è rappresentativo dell’erodibilità del suolo. Tale tipo
di approccio, alla luce di tutti gli studi effettuati nel corso di questi ultimi decenni, è
ovviamente troppo semplicistico e obsoleto, poichè l’erodibilità del suolo non è una
singola, semplice, individuata proprietà, ma una somma di molti e più complessi fat-
tori. Il modello USLE è uno strumento pratico, creato al fine di assistere le pratiche di
gestione agricola. E’ uno strumento puramente empirico che, a rigore, non è utilizza-
bile per tipologie di suolo molto complesse e in presenza di pendenze molto variabili.
Proprio per questo motivo, sono stati sviluppati nuovi modelli (come vedremo meglio
in seguito) fisicamente basati, come l’americano WEPP e gli europei EUROSEM e
MEDALUS1. Il modello WEPP, sviluppato dalla "United States Department of Agri-
culture" (USDA) come successore di USLE, combina processi fisicamente basati con
relazioni empiriche integrando le seguenti componenti: clima, processi idrici, irriga-
zione superficiale, bilanci idrologici, crescita vegetativa etc. Il MEDALUS, sviluppato
dalla "Mediterranean Desertification and Land Use programme" simula il processo di
erosione sui pendii ed opera a scala di bacino. Esso si basa su principi fondamentali
che associano le quattro componenti (atmosfera, vegetazione, suolo e superficie) ed al-
cuni studiosi [Bryan e Hodges, 1984] argomentano che l’approccio che MEDALUS
utilizza potrebbe funzionare anche a scala più piccola.
1
In realtà esistono numerosi altri modelli di erosione del suolo che qui non sono riportati per brevità e
perchè molti di questi sono in uno stadio di sviluppo ancora precoce.
2.3. STATO DELL’ARTE 14
Per quanto riguarda EUROSEM, esso è stato sviluppato seguendo le orme diWEPP,
ma cercando di adattarlo alla situazione del continente europeo. Ad oggi non si è in
grado di giudicare le performance di tali modelli, essendo essi ancora ai loro primi stadi
di sviluppo [Lane, Nichols, Paige. 1989]. Come sempre, una delle maggiori limita-
zioni di tali modelli è la richiesta di abbondanti e sofisticati dati di input, non sempre
reperibili e affidabili. Per quanto riguarda i modelli visti (WEPP e EUROSEM), mentre
l’ europeo è stato sviluppato in condizioni più generali, il WEPP è ancora fortemente
orientato verso suoli agricoli. In ogni caso, non è comunque ancora chiaro se tutti i
processi responsabili del fenomeno erosivo del suolo possano essere modellati. Per
esempio, la complessità di fattori microbiologici, fisici, chimici e microclimatici che
influenzano l’aggregazione del suolo potrebbero essere meglio considerati in modelli
di tipo stocastico.
I modelli esposti sono serviti per inquadrare brevemente quello che è stato il pro-
cesso evolutivo degli stessi fino ai giorni nostri. Tra tutti i modelli esistenti e disponibili
si è scelto un diverso modello, il SIMWE che, a differenza degli altri, è integrato con
il software GRASS GIS ed è “libero”. La peculiarità di SIMWE di essere libero sta
nel vantaggio di poter avere un diretto accesso al codice sorgente con la possibilità per
l’utente, quindi, di adattare il modello a suo piacimento. Grazie a ciò, nel corso di
questa tesi si è potuta svolgere una diretta attività di ricerca.