Geomorphometric analysis and sediment dynamics in mountainous basins: spatial and temporal scales

In this work geomorphometric methods were applied at different spatial and temporal scales for the analysis of the sediment dynamic related to debris flows and bedload sediment transport in alpine environments. The thesis involves two kinds of analysis. The first is aimed at investigating morphological changes occurred in a six years period in two catchments (Gadria and Strimm) of Venosta valley (Eastern Alps, Italy). The study areas were analyzed from both a quantitative (volumetric and areal variations) and qualitative (spatial distribution pattern of erosion and deposition) perspective. The multitemporal analysis was performed by calculating the digital terrain model (DTM) of Difference (DoD) obtained from the comparison of high resolution DTMs (2m), related to both studied catchments, derived from successive LiDAR surveys. A method based on fuzzy logic that takes into account the spatial variability of DTM vertical error was applied to derive the DoD. To evaluate the uncertainty in both pre-event and post-event DTMs, two geomorphometric parameters, i.e., ground point density and slope, approximating the quality of the DTM and the topographic complexity of the study area, respectively, were considered. Volumes of sediment eroded and deposited by events occurred in the analyzed period, as computed by the DoD, were compared to field survey data derived from a database of historical events provided by the Autonomous Province of Bolzano. The use of a spatially variable uncertainty permitted both to recover the information related to low magnitude changes in gentle slope areas that would be lost if a uniform threshold was applied. The analysis also highlighted the possibility to use the DoD for the identification of erosion and deposition processes in uneasily accessible areas and of events that could not be detected through field surveys. The analysis of the relationship between geomorphometric parameters, such as curvature (planform and profile), slope and drainage area, and geomorphologic changes detected by the DoD, improved the qualitative interpretation of surface variations, integrating the volumetric estimates of erosion and deposition. The second analysis involves the investigation of sediment connectivity at different spatial scales both in terms of DTM resolution and geographic extent. The analysis was carried out by using the index of connectivity (IC) proposed by Borselli et al. (2009) and modified by Cavalli et al. (2013) for the analysis of alpine catchments. IC applied to high resolution DTMs allows the spatial characterization of the potential sediment connectivity between hillslope and areas of particular interest (e.g. road, basin outlet, channel). The feasibility of applying IC at regional area (Venosta valley) presenting high topographic and land use variability was tested. In particular, the effect of the DTM resolution on IC results and the variability of the index applied to selected basins of Venosta valley characterized by different shape, size, slope and sediment dynamics, was investigated. The dependence of the sediment connectivity index on the drainage area, mainly due to the downslope component of the index that considers the length of sediment pathways to reach a target or a sink, implies that only basins of similar size can be compared. DTM resolution affects not only mean values of IC but also the spatial distribution of the sediment connectivity both at basin and regional scale. Nevertheless, the obtained results highlight the possibility to apply the connectivity index for a rapid spatial characterization of the sediment connectivity at large scale and in areas characterized by complex morphology and different sediment transport processes such as debris flows and bedload transport. The two analyzed scales, spatial and temporal, even if presented separately in the thesis, can be considered connected. The application of the connectivity index in a basin undergoing glacier retreat (Zinal glacier, Switzerland) allowed the evaluation in a future scenario of the melting process on the potential sediment connectivity after a period of fourty years. Qualitative analysis of the variation of the geomorphologic index suggested that the degree of sediment connectivity is a key factor in controlling the release of sediment between hillslopes and main channel and that future sediment fluxes coming from the melting zone critically depend on the lateral moraines development. As a general conclusion of this study, the high resolution of digital terrain models derived from LiDAR surveys, coupled with the use of suitable tools for geomorphometric analysis, permitted both to evaluate geomorphic changes, caused by multiple events, occurred at basin scale and to create scenario map of the potential sediment connectivity at different spatial scales, in areas characterized by different morphology and sediment transport processes.

Il presente lavoro è consistito nello sviluppo e nell’applicazione di metodi geomorfometrici per l’analisi della dinamica del sedimento legata a processi di trasporto solido e colate detritiche a diverse scale temporali e spaziali in ambiente alpino. L’analisi ha riguardato due aspetti principali. Nella prima parte, sono state analizzate, da un punto di vista quantitativo (variazioni areali e volumetriche) e qualitativo (pattern di distribuzione spaziale dei processi erosivi e di deposizione), le variazioni morfologiche avvenute in un arco temporale di sei anni in due piccoli bacini (Gadria e Strimm) della Val Venosta (Alpi Orientali, Italia). L’analisi dei cambiamenti geomorfologici è stata effettuata determinando i DTM delle Differenze (DTM of Difference, DoD) ottenuti dal confronto di modelli digitali ad alta risoluzione (2 m) derivati da rilievi LiDAR ripetuti nel tempo disponibili per entrambi i bacini. Per la determinazione del DoD è stato applicato un metodo di spazializzazione dell’errore verticale basato sulla logica fuzzy che ha previsto l’utilizzo di parametri legati alla qualità ed accuratezza dei DTM e alla complessità topografica dell’area di interesse, quali la densità della nuvola di punti al suolo e la pendenza. I volumi di sedimento erosi e depositati dagli eventi verificatisi nell’arco temporale analizzato, ottenuti dall’applicazione del metodo descritto, sono stati confrontati con i dati di campo presenti in un sistema integrato e aggiornato di documentazione dei fenomeni torrentizi e fluviali gestito dalla Provincia Autonoma di Bolzano. L’utilizzo di un approccio basato sulla spazializzazione dell’incertezza verticale per l’analisi DoD ha consentito di recuperare parte dell’informazione relativa a variazioni morfologiche di piccola entità in aree a bassa pendenza che sarebbero andate perdute nel caso fosse stata considerata una spazializzazione spazialmente uniforme. L’analisi ha inoltre evidenziato la possibilità di utilizzare il DoD per l’identificazione di processi erosivi e deposizionali in aree non facilmente accessibili e di eventi non rilevati mediante osservazioni di terreno. L’analisi delle relazioni tra parametri geomorfometrici, come la curvatura (planare e di profilo), la pendenza e l’area drenata, e i cambiamenti geomorfologici rilevati col DoD ha apportato un valido contributo all’interpretazione qualitativa delle variazioni occorse a completamento delle stime volumetriche di erosione e deposito. Queste relazioni possono essere utilizzate per valutare quantitativamente le variazioni dell’assetto morfologico conseguenti ad eventi di erosione e deposito. La seconda parte è stata dedicata all’analisi della connettività del sedimento a diverse scale spaziali sia in termini di risoluzione del DTM che di estensione geografica. L’analisi è stata condotta utilizzando un indice di connettività del sedimento a base morfometrica (IC) proposto da Borselli et al. (2009) e adattato da Cavalli et al. (2013) all’ambito montano. IC applicato a DTM ad alta risoluzione consente di caratterizzare spazialmente la potenziale connettività del sedimento tra versante e aree di particolare interesse (e.g. strade, sezione di chiusura del bacino, corsi d’acqua). È stata valutata l’applicabilità del modello in un contesto regionale (alta e media Val Venosta) che presenta un’alta variabilità in termini topografici e di uso del suolo. In particolare, sono stati analizzati gli effetti della risoluzione del DTM sui risultati di IC e la variabilità dell’indice stesso applicato a bacini selezionati all’interno dell’area della Val Venosta caratterizzati da diversa forma, dimensione, pendenza e dinamiche di trasporto del sedimento. La dipendenza dell’indice dall’area del bacino, dovuta soprattutto alla componente downslope che considera la lunghezza del percorso che il sedimento deve affrontare per raggiungere un sink, suggerisce che il modello applicato consente il confronto principalmente tra bacini che presentano dimensioni simili. La risoluzione sembra invece influire non solo in termini di valori medi ma anche, ed in misura più evidente, sulla distribuzione spaziale della connettività sia a scala di bacino sia a scala regionale. D’altra parte i risultati ottenuti hanno evidenziato la possibilità di utilizzare l’indice di connettività come strumento per una rapida caratterizzazione spaziale della connettività del sedimento su ampie aree ed in aree morfologicamente complesse interessate da diversi processi di trasporto del sedimento come colate detritiche e trasporto solido canalizzato. Le due tipologie d’analisi finalizzate allo studio a diverse scale spaziali e temporali delle aree di studio, presentate in modo distinto nella presente tesi, possono considerarsi tuttavia connesse. L’applicazione, infatti, di IC in un bacino caratterizzato dalla presenza di un ghiacciaio soggetto a ritiro (Zinal, Svizzera) ha consentito di valutare l’effetto del processo di scioglimento del ghiacciaio stesso sulla potenziale connettività del sedimento dopo un periodo di circa quarant’anni. L’analisi qualitativa della variazione dell’indice di connettività in relazione al ritiro del ghiacciaio ha dimostrato come il grado di connettività del sedimento sia un fattore chiave nel controllare il rilascio di sedimento tra versanti e canale principale e come i flussi sedimentari futuri provenienti dalla zona soggetta a scioglimento dipendano in modo critico dallo sviluppo di morene laterali. Nel complesso, l’elevata risoluzione dei DTM derivati da rilievi LiDAR, valorizzata tramite l’impiego di idonei strumenti per l’analisi geomorfometrica, ha consentito sia di cogliere le variazioni, dovute al succedersi di più eventi a scala di bacino sia di ottenere mappe di previsione sulla potenziale connettività del sedimento a diverse scale spaziali in aree caratterizzate da diversa morfologia e processi di trasporto.