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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2011-01.S-04
C
ORRADO
CENCETTI
(*)
,
P
IERLUIGI
DE ROSA
(*)
& A
NDREA
FREDDUZZI
(*)
(*)
Università degli Studi di Perugia - Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale - Via G. Duranti. 93 - 06125 Perugia, Italy
E-mail: corcen@unipg.it
MODELLI AD AUTOMAZIONE CELLULARE: UN’APPLICAZIONE AL CASO
DELL’OCCLUSIONE D’ALVEO DE “LE MOTTACCE” (AR)
CELLULAR AUTOMATA MODEL: AN APPLICATION TO LANDSLIDE DAM
OF “LE MOTTACCE” (TUSCANY, CENTRAL ITALY)
RIASSUNTO
Lo studio analizza il fenomeno delle occlusioni d’alveo per fra-
na (landslide dams) tramite un approccio quantitativo che consiste
nell’implementazione di uno specifi co modello ad automazione cellu-
lare: CAESAR, un modello 2D sviluppato per simulare le evoluzioni
morfologiche di un fi ume nel suo bacino idrografi co, che include il
calcolo del battente idrico e una più dettagliata rappresentazione del
trasporto dei sedimenti utilizzando granulometrie multiple. La modi-
fi cazione del codice è stata introdotta per simulare l’effetto di grandi
quantità di materiale provenienti dai versanti che si immettono in un
corso d’acqua (è questo il caso delle landslide dams).
Nella nota viene discussa una prima applicazione del modello
CAESAR modifi cato ad un caso reale: la frana avvenuta il 27 novem-
bre 1987 a “Le Mottacce” (bacino del fi ume Arno). La frana, con un
fronte di 100 metri, ha interrotto la ferrovia Arezzo-Stia e la strada
provinciale adiacente, occludendo parzialmente il fi ume per circa 2/3
della sua sezione di defl usso.
Il confronto tra il caso reale e il caso simulato dimostra che il
codice CAESAR modifi cato può correttamente essere applicato per
simulare il caso reale: la frana riprodotta nel modello causa una par-
ziale occlusione del fi ume (circa 2/3) e il corpo di frana si mobilita
nello stesso modo in cui realmente si è mobilitato.
Inoltre, attraverso il codice di calcolo, vengono simulati differenti
scenari, a breve e a lungo termine, per valutare la tendenza evolutiva
del tratto di corso d’acqua interessato dal fenomeno franoso.
T
ERMINI
CHIAVE
: frane in alveo, modelli ad automazione cellulare, CAESAR
INTRODUZIONE
Il problema della modellistica dei fenomeni franosi che interferi-
scono con gli alvei fl uviali fi no alla loro parziale o totale occlusione è
complessa, in quanto risulta diffi cile modellare un processo che coin-
volge sia dinamiche di versante che dinamiche d’alveo (C
ENCETTI
et
alii, 2001; 2002; 2006) in un unico codice di calcolo.
Il modello CAESAR (C
OULTHARD
et alii, 2002), opportunamente
modifi cato (D
E
R
OSA
, 2008) risulta essere un codice di calcolo che
risponde a tali esigenze. Lo scopo di questo lavoro è quello di testare
tale codice di calcolo su un caso reale: la frana de “Le Mottacce”, in
ABSTRACT
This study analyzes the phenomenon of landslide dams by means
of a quantitative approach, that consists in the implementation of a
specifi c cellular automata model: CAESAR (C
OULTHARD
et alii, 2002)
a 2D model developed to simulate the morphological trend of a river
within its hydrographic basin, including the calculation of the fl ow
depth and a more detailed representation of sediment transport us-
ing multiple grain sizes. A code modifi cation of CAESAR (D
E
R
OSA
,
2008) has been introduced to simulate a large amount of sediments
coming into the river from the slopes (i.e. landslide dams).
In this paper we present the fi rst application of the modifi ed CAE-
SAR on a real case: the landslide occurred on 27
th
November 1987 in
“Le Mottacce” (Upper Basin of Arno River). The landslide, which
had a front of about 100 m, cut off both the Arezzo-Stia railways
and the close provincial road and occluded the river-bed for 2/3 of
its width.
The comparison between the real landslide and the performed
simulation demonstrates that the CAESAR modifi ed model can cor-
rectly simulate the real case: the landslide, simulated by the model,
produces the partial blockage (about 2/3) of the river bed, and the
landslide body moves in the same way that occurred in reality.
K
EY
WORDS
: landslide dams, cellular automata models, CAESAR
INTRODUCTION
The problem of modelling mass movements interfering with fl u-
vial river beds till their partial or total occlusion is complex, as it turns
out diffi cult to model a process that involves both slope dynamics and
river bed dynamics (C
ENCETTI
et alii, 2001; 2002; 2006) in a single
calculation code.
The CAESAR model (C
OULTHARD
et alii, 2002), opportunely
modifi ed (D
E
R
OSA
, 2008), is a calculation code that satisfi es such re-
quirements. The aim of this job is to test such code on a real case: the
landslide of “Le Mottacce”, close to Capolona (province of Arezzo, in
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MODELLI AD AUTOMAZIONE CELLULARE: UN’APPLICAZIONE AL CASO DELL’OCCLUSIONE D’ALVEO DE “LE MOTTACCE” (AR)
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
central Italy). The calculation code has been used in order to, not only
simulate the real case, but to simulate various scenes, and estimate the
hypothetical morphological evolution of the fl uvial system affected
by the landslide under different conditions.
THE CAESAR MODEL
CAESAR is a cellular automata model that uses a regular grid
of cells representatives of the river basin or the fl uvial reach under
study (C
OULTHARD
et alii, 2002; 2006; 2007). Every cell has some
properties (for every cell various values are stored in memory), such
as the elevation, the water discharge and the hydric height of the cur-
rent fl ow, the vegetational cover, the depth of bedrock and at last the
gran size of the material. The landscape evolution is simulated using
the concept of cellular automaton, by means of repeated iteration of a
series of rules applied on every cell. The used rules can be grouped in:
1. hydrologic rules;
2. routing rules of discharge;
3. fl uvial erosion and sedimentation rules;
4. rules regarding slope processes (i.e. rules that simulate the lan-
dslide).
Practically, for every iteration, CAESAR changes the properties
values of the analyzed cell, in agreement with the set of rules listed
above and with the properties values of the adjacent cells at the previ-
ous temporal step.
For example, the amount of fl uvial erosion of a cell can depend on
the height of water fl ow of the same cell and on the slope between this
cell and the adjacent ones. CAESAR can work or to scale of catch-
ment basin, or to river bed scale (Coulthard et alii, 2007).
At the river basin scale it uses as input an hour rain, constant
on the whole river basin, that then changes in fl owing discharges by
means of a rains-fl ows model: the modifi ed TOPMODEL (B
EVEN
&
K
IRKBY
, 1979). At reach scale, the input is represented by the incom-
ing discharges (solid and liquid).
For the cells for which the water level has been calculated, the
rate of fl uvial erosion and sedimentation is calculated, by means of
the Wilcock and Crowe equation (W
ILCOCK
& C
ROWE
, 2003). The
erosion, transport and sedimentation processes of material model
the shape of the river and produce the morphological changes. In
fact, after the rate of erosion/sedimentation has been calculated, the
values of elevation and grain size for every cell of the modelled ter-
ritory are updated.
For more details, see the papers of C
OULTHARD
et alii (2002) and
D
E
R
OSA
(2008).
THE MODIFY OF THE CAESAR MODEL
The modifi cation of the CAESAR model has been possible thanks
to the fact that the source code is available (www.coulthard.org.uk)
and released under licence GPL. The modifi cations have interested
the set of rules regarding the slope processes and do not aim to simu-
late the mass movement; rather we intend to determine the answer
località Capolona (provincia di Arezzo). Il codice di calcolo è stato
utilizzato non solo per simulare il caso reale ma anche per valutare
diversi scenari, al fi ne di valutare l’ipotetica evoluzione morfologica
del sistema fl uviale interessato dalla frana.
IL MODELLO CAESAR
CAESAR è un modello di automa cellulare che usa una griglia
regolare di celle rappresentanti il bacino o il tratto fl uviale di studio
(C
OULTHARD
et alii, 2002; 2006; 2007). Ogni cella possiede alcune
proprietà (per ogni cella vengono conservati in memoria diversi valo-
ri), quali l’elevazione, la portata idrica e il battente, la copertura vege-
tale, la profondità del bedrock e infi ne la granulometria del materiale
che la costituisce. L’evoluzione del territorio si realizza, utilizzando il
concetto di automa cellulare, tramite ripetute iterazioni di una serie di
regole che vengono applicate su ognuna delle celle. Le regole utiliz-
zate possono essere raggruppate in:
1. regole idrologiche;
2. regole di routing di portata;
3. regole di erosione e sedimentazione fl uviale;
4. regole riguardanti i processi di versante (cioè quelle che simulano
l’avvenimento del movimento franoso).
In pratica, per ogni iterazione, CAESAR modifi ca i valori delle
proprietà della cella analizzata, in accordo con i set di regole appena
elencati e con i valori delle proprietà delle celle adiacenti al passo
temporale precedente. Ad esempio, la quantità di erosione fl uviale di
una cella può dipendere dal battente idrico della cella stessa e dalla
pendenza tra questa cella e quelle adiacenti. CAESAR può funziona-
re sia a scala di bacino idrografi co, sia a scala d’alveo (Coulthard et
alii
, 2007). A scala di bacino utilizza come input una pioggia oraria,
costante su tutto il bacino, che si trasforma poi in portate defl uenti
attraverso l’utilizzo, come modello affl ussi-defl ussi, di TOPMODEL
modifi cato (B
EVEN
& K
IRKBY
, 1979). A scala di tratto d’alveo, l’input
è rappresentato dalle portate (solide e liquide) in ingresso.
Per le celle per cui è stato calcolato il battente, viene quindi cal-
colato il tasso di erosione e di sedimentazione fl uviale, attraverso
l’equazione di Wilcock e Crowe (W
ILCOCK
& C
ROWE
, 2003). Sono
proprio i processi di presa in carico, trasporto e deposito dei sedimenti
che modellano il territorio e determinano i cambiamenti morfologici.
Infatti, una volta che il tasso di erosione/sedimentazione è calcolato,
vengono aggiornati i valori di elevazione e granulometria per ogni
cella del territorio modellato.
Per ulteriori dettagli, si rimanda ai lavori di C
OULTHARD
et alii
(2002) e di D
E
R
OSA
(2008).
LA MODIFICA DEL MODELLO CAESAR
La modifi ca al modello CAESAR è stata possibile grazie al fatto
che il codice sorgente è disponibile (www.coulthard.org.uk) e rila-
sciato sotto licenza GPL. Le modifi che apportate, che hanno interes-
sato il set di regole riguardanti i processi di versante, non mirano a
simulare il fenomeno franoso vero e proprio; si vuole piuttosto deter-
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CELLULAR AUTOMATA MODEL: AN APPLICATION TO LANDSLIDE DAM OF “LE MOTTACCE” (TUSCANY, CENTRAL ITALY)
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
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minare la risposta del sistema fl uviale ad un forte apporto di materiale
proveniente, appunto, da processi di versante. La modifi ca introdotta
consente, quindi, di defi nire alcune celle in cui viene immesso mate-
riale, secondo tempi e quantità desiderate.
La principale diffi coltà consiste nel fatto che il time step che il mo-
dello usa non è fi sso, ma variabile, in modo da simulare con maggiore
dettaglio temporale i periodi di forti defl ussi, e invece con passi più
ampi le normali condizioni di defl usso; il materiale di frana, al contra-
rio, deve essere immesso nel sistema secondo tempistiche che non si
correlano al time step che in quel momento il modello utilizza. Inoltre il
materiale immesso dai versanti deve possedere specifi che granulome-
trie e deve essere inserito in specifi che celle (ovvero in una determinata
area del territorio che si vuole modellare - i.e. il piede della frana).
Le modifi che apportate, risolti i problemi della defi nizione della
granulometria del materiale in ingresso e del passo temporale, permet-
tono all’utente di creare un fi le di testo che defi nisce le caratteristiche
del movimento franoso. Il fi le è costituito da più righe, una per ogni cel-
la in cui si vuole immettere il materiale, contenenti ognuna 5 elementi:
il primo ed il secondo defi niscono la coordinata x ed y della cella dove
si vuole immettere il materiale; il terzo e il quarto l’inizio e la fi ne del
periodo di immissione (espresso in minuti); il quinto indica il volume
totale in m
3
che viene immesso. Il modello CAESAR modifi cato è di-
sponibile per il download all’indirizzo: www.unipg.it/~pierluigi.derosa.
Entrando nel dettaglio, il materiale viene immesso nelle celle che
corrispondono all’incirca alle zone di accumulo della frana, trami-
te routine che consentono il conseguente movimento dei sedimenti
verso valle (Fig. 1). Il materiale si muove, nelle iterazioni temporali
successive, indipendentemente dalla tipologia di movimento franoso
che lo ha originato, in base alle caratteristiche locali di pendenza,
angolo di attrito del materiale e grado di saturazione.
Per ogni iterazione temporale viene immesso materiale nella cella
specifi cata (ciò comporta, di conseguenza, un incremento di quota per
la cella stessa) e, successivamente, si confronta il valore della pendenza
locale con un valore limite dato dall’angolo di attrito, opportunamen-
te diminuito in funzione del grado di saturazione del suolo calcolato
da TOPMODEL (B
EVEN
& K
IRKBY
, 1979). Se la pendenza è maggiore
of the fl uvial system to a high contribution of coming material from
the slope. The modifi cation allows us, therefore, to defi ne some cells
in which the material is introduced, according to times and amount
desired.
The main diffi culty consists in the fact that the time step used by
the model is not fi xed, but variable, in order to simulate with greater
temporal detail the periods of high discharge and with wider steps the
normal conditions of outfl ow. The landslide material, on the contrary,
must be introduced in the system according to a time that is not cor-
related to the time step used in that moment by the model. Moreover
the incoming material from the slopes must have a specifi c grain size
distribution and must be inserted in specifi c cells (that is a determined
area of the territory to be modeled - i.e the foot of the landslide).
The introduced modifi cations, after that the problems regarding
the defi nition of the grain size of incoming material and the temporal
step are resolved, allow the user to create a text fi le that defi nes the
characteristics of the mass movement. The fi le is constituted by sev-
eral rows, one for every cell in which you want to introduce the mate-
rial, and every row contains 5 elements: the fi rst and second defi ne xy
coordinates of the cell; the third and fourth, the beginning and the end
of period of immission (expressed in minutes); the fi fth indicates the
total volume in m
3
that is introduced. The modifi ed CAESAR model
is available for download at website: www.unipg.it/~pierluigi.derosa.
In detail, the material is introduced into the cells corresponding
to the landslide accumulation zones, by means of a routine permit-
ting the consequent movement of sediments downstream (Fig. 1). The
material moves, during the subsequent temporal iterations, independ-
ently from the type of mass movement that produces it, according to
the local characteristics of slope, friction angle and degree of material
saturation.
For every temporal iteration, material is introduced in the specifi c
cell (this involves, consequently, an increment of elevation for the
same cell). Successively, the value of the local slope is compared with
a friction angle threshold, opportunely diminished according to the
degree of saturation of the soil calculated by TOPMODEL (B
EVEN
&
K
IRKBY
, 1979). If the slope is greater than the threshold, then a part of
Fig. 1 - Verso di movimento dei materiali “aggiunti” secondo le regole dei
“processi di versante”. La freccia blu indica la direzione del mo-
vimento franoso; i pixel colorati in celeste rappresentano le celle
appartenenti al tracciato fl uviale
- Direction of movement of added material using the rules of slope
processes. The blue arrow shows the main landslide direction; the
cyan pixels correspond to the cells of the riverbed
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MODELLI AD AUTOMAZIONE CELLULARE: UN’APPLICAZIONE AL CASO DELL’OCCLUSIONE D’ALVEO DE “LE MOTTACCE” (AR)
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
del valore limite una parte del materiale viene mobilitato verso la cella
immediatamente a valle: la quantità di materiale che viene spostata è
limitata, poiché s’impone che la variazione di pendenza, per quel fi s-
sato time step, sia inferiore ad un valore limite fi ssato. In questo modo
il movimento di massa avviene più lentamente (cioè impiegando più
iterazioni per completare tutto il movimento) e in modo più naturale.
Una volta che tutto il materiale è stato movimentato, ma anche
contemporaneamente al movimento stesso, CAESAR prosegue fa-
cendo evolvere il territorio in accordo con tutte le altre regole viste,
modifi cando i valori di portata, profondità, granulometria e, di con-
seguenza, i valori dei tassi di erosione e sedimentazione.
LA FRANA DE “LE MOTTACCE”
L’applicazione del modello CAESAR modifi cato è stata eseguita
su un caso reale, quello della frana de “Le Mottacce”, in provincia di
Arezzo. Qui il 27 novembre 1987, dopo un lungo periodo di intense
e frequenti precipitazioni, una frana interessò il versante destro della
valle del F. Arno, occludendo parzialmente l’alveo (circa 2/3 della
sezione di defl usso ) con un fronte di circa 100 m. Notevoli furono
i danni conseguenti al movimento franoso, tra cui l’interruzione del-
la ferrovia Arezzo-Stia e della S.P. 58 “della Zenna” (Figg. 2-4). La
frana, interpretata come rimobilizzazione di una porzione del corpo
di una frana antica di più ampie dimensioni (C
ONVERSINI
et alii, 1989,
the material is mobilized towards the cell immediately downstream:
the amount of material that is moved is limited, since you impose
that the slope variation, for a fi xed time step, is inferior than a fi xed
value of threshold. Therefore the mass movement occur slower (i.e.
employing more iterations in order to complete all the movement)
and in a more natural way.
Once that all the material has been mobilized, but also at the same
time of the mobilizing, CAESAR continues to evolve the territory in
agreement with all the described rules, modifying the values of dis-
charge, depth, grain size and, consequently, the values of the erosion
and sedimentation rates.
THE LANDSLIDE OF “LE MOTTACCE”
The application of the modifi ed CAESAR model has been ex-
ecuted on a real case, the lanslide of “Le Mottacce”, in the province
of Arezzo (Tuscany, central Italy), where in 27 November 1987, after
a long period of intense and frequent rainfalls, a landslide affected
the right bank of Arno river valley, occluding partially the river bed
(approximately 2/3 of the outfl ow section) with a front of circa 100
meters. The consequent damages to the mass movement were re-
markable: among these, the interruption of the Arezzo-Stia railroad
and Provincial Road No. 58 “della Zenna” (Figg. 2-4). The landslide
has been interpreted like a re-mobilization of a portion of the body of
Fig. 2 - Carta geomorfologica (2a) e sezione (2b) della frana de “Le Mottacce” (da
C
ONVERSINI
et alii, 1989). Legenda fi g. 2a: 1) area interessata da ruscellamento
diffuso; 2) fosso di ruscellamento concentrato; 3) area interessata da solifl usso
generalizzato; 4) corona di frana attiva; 5) corona di frana quiescente; 6) gradino
di frana attivo; 7) gradino di frana quiescente; 8) fratture di trazione; 9) corpo di
frana di crollo; 10) scarpata di erosione fl uvio-torrentizia attiva e 11) inattiva;
12) erosione di sponda; 13) sorgente; 14) emergenza temporanea d’acqua; 15)
muretto a secco (terrazzamento agricolo); 16) scarpate e tagli di origine antropica;
17) traccia di sezione. Legenda fi g 2b: 1) alluvioni attuali e recenti; 2) detrito di
frana; 3) Formazione delle “Arenarie del Cervarola”; 4) sondaggi geognostici;
5) blocchi litoidi di notevoli dimensioni; 6) superfi cie di scorrimento della frana
antica; 7) superfi cie di scorrimento della frana del novembre 1987; 8) faglia
- Geomorphological sketch and cross section of the landslide of “Le Mottacce”
(by C
ONVERSINI
et alii, 1989). Legenda fi g. 2a: 1) area affected by areal erosion;
2) gully; 3) area affected by solifl uction; 4) crown of active landslide; 5) crown
of quiescent landslide; 6) step of active landslide; 7) step of quiescent landslide;
8) tension fractures; 9) fall landslide body; 10) scarp of fl uvial erosion, active
and 11) inactive; 12) bank erosion; 13) spring; 14) temporary water spill; 15)
small wall (agricultural terrace); 16) scarps due to human activities; 17) cross
section line. Legenda fi g 2b: 1) present and recent alluvial sediments; 2) land-
slide debris; 3) “Cervarola Sandstones” Formation; 4) geognostic boreholes;
5) large lithoid blocks; 6) ancient landslide sliding surface; 7) sliding surface
of landslide occurred in November 1987; 8) fault
a)
b)
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CELLULAR AUTOMATA MODEL: AN APPLICATION TO LANDSLIDE DAM OF “LE MOTTACCE” (TUSCANY, CENTRAL ITALY)
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
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1990), ha avuto come causa determinante l’azione di scalzamento al
piede del versante prodotta dal fi ume Arno che, anche attualmente,
si trova in fase di incisione e di approfondimento dell’alveo. Infatti,
considerata la bassa permeabilità del substrato roccioso, rappresen-
tato dalla formazione fl yschioide delle “Arenarie del Cervarola” si
produce, in concomitanza di periodi di intense precipitazioni, l’im-
bibizione dell’antico corpo di frana, che risulta così più facilmente
soggetto ad erosione da parte della corrente fl uviale. L’allargamento
sulla sponda opposta, in sinistra idrografi ca, è stato realizzato artifi -
cialmente, per permettere il regolare defl usso delle acque.
LA DEFINIZIONE DEI DATI DI INPUT PER LE SIMU-
LAZIONI
Come già descritto in precedenza, CESAR è un codice di calcolo
numerico che simula l’evoluzione morfologica di un territorio. Per
poter eseguire le simulazioni è quindi necessario disporre di una serie
di dati di input che devono essere opportunamente prodotti.
I dati di input richiesti sono: il modello digitale del terreno ante-
evento; i dati di portata liquida del corso d’acqua del quale si vuole
simulare l’evoluzione morfologica; il volume di materiale coinvolto
dall’evento franoso che si è riversato nel corso d’acqua; la durata del
fenomeno franoso; le caratteristiche geotecniche del materiale franato.
IL MODELLO DIGITALE DEL TERRENO ANTE-EVENTO
Il principale dato di input è costituito dal modello digitale del
terreno ante-evento franoso. In realtà, proprio a seguito dell’evento
franoso de “Le Mottacce”, come si è potuto constatare dal confronto
tra le cartografi e ante e post-evento, il fi ume Arno ha subito una mi-
grazione del tracciato in sponda sinistra di circa 30 metri.
Per la creazione del modello digitale del terreno ante-evento è
an ancient wider landslide (C
ONVERSINI
et alii, 1989, 1990), and the
cause can be identifi ed in the action of erosion of the slope foot pro-
duced by River Arno that, even nowadays, is in a phase of undercut-
ting and incision of the river bed. In fact, due to the low permeability
of bedrock, represented by the formation of “Arenarie del Cervarola”,
in facies of fl ysch, at the same time periods characterized by intense
rainfalls, the saturation of the ancient landslide body occurs, so that it
was more easily affected by erosional processes by the fl uvial stream.
The widening on the opposite side, at hydrographical left, has been
realized artifi cially, in order to allow regulating outfl ow of waters.
SIMULATIONS INPUT DATA
Like already described, CESAR is a numerical code calculation
that simulates the morphological evolution of a landscape. In order to
execute the simulations, it is therefore necessary to have a series of
input data, opportunely produced.
The requested input data are: the digital terrain model before the
event; the data related to the liquid discharge of the stream where we
want simulate the morphological evolution; the volume of material
involved by landslide moving towards the river bed; the duration of
the mass movement; the geotechnical characteristics of the mobilized
material.
THE DIGITAL TERRAIN MODEL BEFORE THE EVENT
The main input datum is represented by the DTM before-event.
Due to the landslide of “Le Mottacce”, as you can see comparing the
maps produced before and post-event, the Arno river was affected by
a migration of the river bed towards the left bank for approximately
30 meters.
In order to produce the digital terrain model before-event, the
Fig. 3 - Il tratto d’alveo interessato dal movimento franoso de “Le Mottac-
ce”, ripreso immediatamente dopo l’evento (foto: Walter Dragoni)
- The reach of river bed affected by “Le Mottacce” landslide, taken im-
mediately after the occurring of the event (photo by Walter Dragoni)
Fig. 4 - I danni alle vie di comunicazione, conseguenti al movimento frano-
so de “Le Mottacce” (foto: Walter Dragoni)
- The damages to the Arezzo-Stia railroad, consequent to mass move-
ment of “Le Mottacce” (photo by Walter Dragoni)
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MODELLI AD AUTOMAZIONE CELLULARE: UN’APPLICAZIONE AL CASO DELL’OCCLUSIONE D’ALVEO DE “LE MOTTACCE” (AR)
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
stata utilizzata la Carta Tecnica Regionale della Regione Toscana for-
nita in formato vettoriale. Dalla cartografi a sono state estratte le curve
di livello con equidistanza 5 metri che sono poi state interpolate, tra-
mite il modulo v.surf.rst di GRASS GIS, in un DEM con risoluzione
di 5 metri al suolo.
Il modulo v.surf.rst utilizza come metodo di interpolazione la re-
gularized spline with tension che approssima la superfi cie attraverso
le funzioni spline, cioè funzioni costituite da un insieme di intervalli
di polinomi di grado p raccordati tra loro. Lo scopo è interpolare, in
un intervallo circoscritto, un insieme di punti (detti nodi della spline),
in modo da creare una funzione continua (almeno fi no ad un dato
ordine di derivate) in ogni punto dell’intervallo. Mentre l’interpola-
zione lineare utilizza appunto una funzione lineare per ciascuno de-
gli intervalli, l’interpolazione spline si serve dei suddetti intervalli
di polinomi di grado piccolo (massimo terzo grado), scegliendoli in
modo che due polinomi successivi si saldino in modo liscio (ammette
derivate di qualsiasi ordine). La funzione che si ottiene con un proce-
dimento di questo genere si chiama funzione spline. Il metodo delle
spline with tension è comunemente ritenuto uno dei migliori algorit-
mi per interpolare superfi ci naturali che variano con gradualità, come
appunto la topografi a di un territorio (M
ITAS
& M
ITASOVA
, 1999).
Il DEM ottenuto con questa procedura, tuttavia, non inglobava
anche l’alveo sommerso del corso d’acqua, poiché non erano for-
nite, nella cartografi a utilizzata, informazioni relative al letto del
fi ume. Per ovviare a tale problema in primis è stato opportunamen-
te modifi cato il DEM interpolato, con un abbassamento di 2 metri
di quota delle celle appartenenti al corso d’acqua. Inoltre, poiché
CAESAR scansiona le celle da sinistra verso destra, conseguente-
mente si richiede che il fl usso scorra globalmente nello stesso senso.
Poiché nel caso in questione la direzione di defl usso è orientata da
N a S, è stata effettuata una rotazione del DEM di 90° in senso an-
tiorario (Fig. 5).
Technical Regional Map of Tuscany Region was used, in vecto-
rial format. From this cartography, contour lines were extracted in
steps of 5 meters and interpolated, by means of v.surf.rst modul of
GRASS GIS software, to produce a DTM with a resolution of 5
meters at ground.
The modul v.surf.rst uses, as interpolation method, the regular-
ized spline with tension which approximates the surface by means
of spline functions, i.e. functions constituted by an amount of in-
tervals of polynomials of degree p, joined together. The aim is to
interpolate, within a fi xed interval, an amount of points (named
“nodes” of the spline), in order to create a continuous function (un-
til a determined order of derivates) in every point of the interval.
The linear interpolation uses a linear function for every interval;
the spline interpolation, instead, uses such intervals of small de-
gree polynomials (max third degree), by choosing them so that two
successive polynomials joint them in “smooth” manner (it admits
derivates of every order). The obtained function with this kind of
process is named spline function. The method of the spline with
tension
is generally considered one of the better algorhytms to in-
terpolate natural surfaces varying gradually, such as the topography
of a landscape (M
ITAS
& M
ITASOVA
, 1999).
Nevertheless, the DTM obtained by means of this procedure
didn’t include also the submerged river bed, because the informa-
tions related to the river bed were not available in the used maps, the
informations related to the river bed. In order to obviate to such prob-
lem, in primis the interpolated DTM has been opportunely modifi ed,
with a lowering of 2 meters of the elevation of the cells belonging to
the watercourse. Moreover, since CAESAR scans the cells from left
towards right, consequently is demanded that the fl ow moves all in
the same direction. In the case, the direction of fl ow is oriented from
N to S; therefore a rotation counterclockwise of DTM of 90 degrees
was performed.
Fig. 5 - Modello digitale del terreno del tratto di Arno interes-
sato dall’evento franoso, utilizzato per le simulazioni
effettuate tramite CAESAR
- Digital Terrain Model of the reach of Arno River af-
fected by the landslide, used for the simulations realized
by CAESAR
background image
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DATI IDROMETRICI
Per la determinazione dei dati idrometrici per il tratto di Arno
interessato dall’evento, si è fatto ricorso agli Annali Idrologici di-
sponibili al sito web: www.annali.apat.gov.it (U
FFICIO
I
DROGRAFICO
E
M
AREOGRAFICO
DI
P
ISA
, 1987). Negli Annali sono infatti disponibili le
portate media giornaliere per il 1987 relative alla stazione di Subbia-
no, situata nelle immediate vicinanze dell’area di interesse (Fig. 2).
Dall’osservazione della fi gura 6 risulta evidente un picco di por-
tata avvenuto nella seconda metà dell’anno. In particolare, il picco
si verifi cò il 25 novembre 1987, mentre nella stazione di misura si
registrava il passaggio di 343 m
3
medi giornalieri (appena due giorni
prima dell’evento franoso di Capolona).
DETERMINAZIONE DELLE CARATTERISTICHE
DEL MOVIMENTO FRANOSO
La conoscenza delle caratteristiche del movimento franoso è in-
dispensabile per una corretta simulazione del fenomeno. Tuttavia,
purtroppo, alcune delle informazioni necessarie non sono state repe-
rite. In particolare, non è noto con precisione il volume di terreno
mobilitato.
Invece le caratteristiche geotecniche del materiale franato sono
state ottenute da prove di laboratorio su provini ricostruiti (C
ONVERSI
-
NI
et alii, 1989). In tabella 1 sono riassunte le principali caratteristiche
misurate, che sono state utilizzate sia per la determinazione dei volu-
mi coinvolti, sia per la simulazione dell’interazione pioggia-portata.
DETERMINAZIONE DEL VOLUME DI FRANA
Al fi ne di individuare il volume di frana coinvolto nell’evento
del novembre 1987, è stata effettuata una verifi ca della stabilità del
versante 3D tramite un modello (sviluppato internamente al gruppo
di ricerca degli autori della presente nota), totalmente integrato in
GRASS GIS (M
ARCHESINI
et alii, 2008). In realtà, essendo il modello
in grado di eseguire anche verifi che bidimensionali, queste sono state
entrambe eseguite. Per la verifi ca 3D l’algoritmo, poiché approssima
HYDROMETRIC DATA
In order to defi ne the hydrometric data regarding the reach of
Arno River affected by the landslide, we referred to Hydrologic An-
nals available at website: www.annali.apat.gov.it (U
FFICIO
I
DROGRAFI
-
CO
E
M
AREOGRAFICO
DI
P
ISA
, 1987). In the Annals, the average daily
discharges during 1987, related to Subbiano station, situated in the
neighbouring of the studied area (Fig. 2) are available.
From the observation of fi gure 6, it is evident a peak of discharge
occurred during the second half of the year. In particular, the peak
occurred in 25 Novembre 1987, when in the gauging station 343 m
3
(average daily) were registered, just two days before the date of oc-
curring of Capolona landslide.
DETERMINATION OF THE CHARACTERISTICS OF
THE LANDSLIDE
The knowledge of the characteristics of landslide is indispensable
for a correct simulation of the phenomenon. Nevertheless, some of
the necessary informations were not found. In particular, the accurate
value of mobilized material volume is unknown.
Instead, the geotechnical characteristics of the same material
were obtained by means of laboratory tests on reconstructed sample
(C
ONVERSINI
et alii, 1989). In table 1 the mean measured characteris-
tics are reported; they have been used both for the determination of
the involved volumes and for the simulation of the interaction be-
tween rains and discharge.
DETERMINATION OF THE LANDSLIDE VOLUME
In order to identify the landslide volume of material involved
by the event of November 1987, a 3D stability analysis of the slope
was carried out (developed by the research group of the authors of
this paper), totally integrated in GRASS GIS (M
ARCHESINI
et alii,
2008). Really, because the model is able to carry out also bidimen-
sional checks, these were both carried out. For the 3D check, the
algorithm rounds the slide surface as a ellissoidic surface; therefore
Fig. 6 - Idrogramma giornaliero del 1987 re-
lativo alla stazione di misura di Sub-
biano. La linea rossa indica la data
dell’evento de “Le Mottacce”
- Daily hydrogram of 1987 referred to
the measurement station of Subbiano.
The red line points the date of “Le
Mottacce” landslide event
Tab. 1 - Caratteristiche geotecniche del materiale di frana (da C
ONVERSINI
et alii, 1989)
- Geotechnical characteristics of the landslide material (by C
ONVERSINI
et alii, 1989)
background image
MODELLI AD AUTOMAZIONE CELLULARE: UN’APPLICAZIONE AL CASO DELL’OCCLUSIONE D’ALVEO DE “LE MOTTACCE” (AR)
52
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Fig. 7 - Defi nizione degli assi per l’analisi 3D della frana de “Le Mottacce”
-
Defi nition of the axis for 3D analysis of the landslide of “Le Mottacce”
Tab. 2 - Report dell’algoritmo di ricerca del
minimo fattore di sicurezza
- Report of algorithm used for the identifi -
cation of minimum value of safety factor
Fig. 8 - Andamento grafi co dell’algoritmo di ricerca del minimo
fattore di sicurezza per il modello di stabilità dei pendii 3D
- Graphic variation of the algorithm used for the iden-
tifi cation of minimum value of safety factor for the 3D
model of slope stability
background image
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la superfi cie di scorrimento con un ellissoide, chiede in input di in-
dicare l’asse principale (in planimetria) della frana ed il suo rapporto
di anisotropia (rapporto asse maggiore / asse minore). Nel caso in
esame, come si evince dalla fi gura 7, gli assi maggiore e minore della
frana misurano rispettivamente 153 m e 96 m; di conseguenza, i para-
metri geometrici utilizzati nello script sono stati: semiasse maggiore
a = 61 metri e rapporto di anisotropia = 0.63.
L’algoritmo, come ogni modello di stabilità dei pendii, cerca ite-
rativamente l’ellissoide che fornisce il minimo fattore di sicurezza.
Per il caso in questione, essendo note le caratteristiche della frana e
volendo conoscere solo il volume della stessa, si è fatto variare solo il
semiasse c, che identifi ca la profondità della superfi cie di scivolamen-
to. Nel caso generale, ovviamente, è possibile far variare allo script
anche il semiasse a. In tabella 2 e in fi gura 8 sono riportati gli output
dello script per l’analisi 3D, che mostrano l’andamento del fattore di
sicurezza al variare della profondità dell’ellissoide (semiasse c).
L’analisi 3D ha quindi individuato l’ellissoide che fornisce il
minimo fattore di sicurezza; l’ipotetica superfi cie di scivolamento è
riportata in Fig. 9.
Le caratteristiche dell’ellissoide sono invece riportate in tabella
3; i valori ottenuti sono stati quindi utilizzati per le successive simu-
lazioni con CAESAR.
it requires the indication of the mean axis (in plain) of landslide and
the anisotropy ratio (major axis / minor axis). In the case of matter,
as can be seen in fi gure 7, the major and minor axis of landslide
measure 153 m and 96 m respectively. Consequently, the geometric
parameters used in the script were: major semiaxis = 61 meters and
anisotropy ratio = 0.63.
The algorithm, like every model of slope stability, tries iteratively
the ellipsoid that supplies the minimal safety factor. For the case of
matter, being known the dimensions of the landslide and because we
want to know only the volume of the landslide, only the semiaxis c,
which identifi es the depth of sliding surface, was varied. In a general
case, obviously, it is possible exchange in the script also the semiaxis
a. In table 2 and in fi gure 8 the output of the script for the 3D analysis
are reported. They show the variation of safety factor with the varia-
tion of the ellipsoid depth (semiaxis c).
Therefore the 3D analysis identifi ed the ellipsoid which supplies
the value of minimum safety factor; the hypothetical sliding surface
is shown in Fig. 9.
The characteristics of the ellipsoid are shown in table 3; the
obtained values were used for the successive simulations through
CAESAR.
Fig. 9 - Rappresentazione 3D del DEM dell’area interessata dalla
Frana de “Le Mottacce”, nella quale viene evidenziata la su-
perfi cie di scorrimento della frana
- 3D representation of the DTM of the area affected by the land-
slide of “Le Mottacce”, where the sliding surface is highlighted
Tab. 3 - Caratteristiche dell’ellissoide con minimo FS. L’asse A e B identifi cano rispettivamente l’asse maggiore e minore in planimetria, mentre l’asse C rappresenta l’asse
che, sviluppato in profondità, identifi ca sostanzialmente la profondità della superfi cie di scorrimento
- Characteristics of the ellipsoid corresponding to the minimum value of safety factor. The A and B axis identify respectively the major and minor axis in plain; the
C axis represents the axis that, developed in depth, substantially identifi es the depth of sliding surface
background image
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
SIMULAZIONI EFFETTUATE
Come già ricordato, lo scopo principale del lavoro è quello di
testare il modello su un caso reale, al fi ne di effettuare una sorta di
validazione dello stesso. È stata posta quindi particolare attenzione
alla corretta stima di tutti i parametri di input, in modo che fossero il
più possibile congruenti con il caso reale de “Le Mottacce”.
A seguito di questa prima esperienza, tuttavia, sono state anche ef-
fettuate simulazioni con lo scopo di poter fornire una risposta nel caso in
cui non fosse avvenuto alcun intervento antropico di messa in sicurezza
o nel caso in cui l’evento non fosse stato così rapido come effettiva-
mente si è verifi cato in realtà. Questo ha quindi dato vita a due scenari,
entrambi plausibili, che verranno meglio descritti e discussi in seguito.
LA SIMULAZIONE DEL CASO REALE (EVENTO DEL 27 NOVEM-
BRE 1987)
Per la simulazione del caso reale sono stati utilizzati tutti i dati di
input appena discussi, ovvero DEM ante-evento, caratteristiche geotec-
niche dei materiali (Tab. 1) e volume di frana, risultato pari a 88.500
m
3
, con le approssimazioni del caso, in quanto stimato tramite l’analisi
di stabilità del versante. L’evento franoso di Capolona fu sostanzial-
mente molto rapido e si esaurì nel corso di qualche ora; tuttavia, dato
che non sono noti con esattezza i tempi di durata del movimento fra-
noso, nella simulazione fatta si è assunto che il fenomeno abbia avuto
una durata di 3 ore complessive, periodo di tempo compatibile con le
testimonianze orali raccolte. In fi gura 10 è mostrato il risultato della
simulazione immediatamente dopo la fi ne del movimento franoso.
Come si evince dalla stessa fi gura, il codice di calcolo effettiva-
mente mobilità il corpo di frana i cui sedimenti interferiscono con il
corso d’acqua in maniera importante. Altra considerazione da fare è
che il modello non prevede (almeno per poco tempo dopo la fi ne del
movimento franoso) uno spostamento del corso d’acqua. Si nota infatti
THE CARRIED OUT SIMULATIONS
Like already mentioned, the main aim of the work is to test the
model on a real case, in order to carry out a kind of validation. There-
fore, the corrected defi nition of all the input parameters was consid-
ered with particular attention, in order to make them the more congru-
ent with the real case of “Le Mottacce” as possible.
Nevertheless, after this fi rst experience, simulations were carried
out with the aim of explain also the case in which any anthropic inter-
vention could occur or the case in which the event could not be as fast
as really occurred. This produces two scenarios, both plausibles, that
are after better described and discussed.
THE SIMULATION OF THE REAL CASE (EVENT OF 27 NOVEM-
BER 1987)
For the simulation of the real case input data discussed above
have been used, i.e. DTM before-event, geotechnical characteristics
of material (Tab. 1) and landslide volume, estimated in 88.500 m
3
with the approximations of the case, because it was valued by means
of the stability analysis of the slope. The landslide of Capolona was
substantially very rapid and ran out in some hours; nevertheless, due
to the absence of informations about the the real time of extending of
landslides, in the simulation we assumed that the phenomenon lasted
3 hours, time period compatible with the collected oral confi rmations.
In fi gure 10 the result of the simulation immediately after the end of
mass movement is reported.
As you can notice in the same fi gure, the calculation code really
mobilizes the landslide body, whose sediments signifi cantly interfere
with the watercourse. Another consideration is that the model doesn’t
forecast (at least for a short time after the end of mass movement) a
displacement of the river bed. In fact, you can notice that the water
Fig. 10 - Screenshot della situazione appena dopo la fi ne del movimento franoso (evidenziato in rosso). Si nota chiaramente come i sedimenti mobilitati dalla frana
abbiano interferito con il corso d’acqua
- Screenshot of the situation immediately after the end of mass movement (highlighted by the red ellipse). You can note clearly the interference between the
mobilized sediments and the watercourse
background image
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fl ows in the river bed also after the occurring of landslide, even if the
fl ow section shows a considerable reduction in width. The fi gure 11
shows clearly this aspect: you can notice that the landslide body has
occluded the river bed for about per 2/3 of the fl ow section, in a man-
ner very similar to reality (Fig. 11b).
SCENARIO 1: COMPLETE ABANDON
The scenario 1 represents the hypothetical evolution of the sys-
tem, for a time of 4 months after the occurring of the landslide,
in the case in which any job to re-establish the correct fl ow of the
water course couldn’t be realized (like instead occurred). The aim
of this scenario analysis has born because, after the simulation of
the real case, the effects at a short time have been not much evident.
Through this scenario you can so comprehend if the presence of the
landslide body into the river bed could infl uence the natural evolu-
che le acque continuano a defl uire nell’alveo anche a frana avvenuta,
anche se la sezione di defl usso mostra una sensibile riduzione in lar-
ghezza. La fi gura 11 mostra più chiaramente questo aspetto: si nota,
infatti, che il corpo di frana ha occluso per circa 2/3 il corso d’acqua in
maniera del tutto simile a quanto accaduto in realtà (Fig. 11b).
SCENARIO 1: COMPLETO ABBANDONO
Lo scenario 1 è quello in cui è stata simulata l’ipotetica evoluzio-
ne del sistema, per un periodo di 4 mesi dopo l’avvenimento della fra-
na, nel caso in cui non fosse stato effettuato (come invece è realmente
accaduto) alcun intervento di sistemazione, messa in sicurezza e ripri-
stino del corretto defl usso delle acque correnti. Lo scopo di analizzare
questo scenario è nato appunto in considerazione del fatto che, a se-
guito della simulazione del caso reale, gli effetti a breve termine sono
stati poco visibili. Attraverso questo scenario si è voluto comprendere
Fig. 11 - Analisi dei risultati della simulazione tramite GIS: a) mappa del tirante idrico con indicazione in planimetria della sezione trasversale A-B; b) sezione
trasversale A-B con indicazione del tirante idrico a fi ne movimento franoso
- Analysis of the results of simulation through GIS: a) map of height of current fl ow, with the indication in plain of the A-B cross section; b) A-B cross section
with the indication of height of current fl ow at the end of the mass movement
Fig. 12 - Output della simulazione dello scenario 1 dopo 4 mesi dalla fi ne della frana: a) modello digitale del terreno a fi ne simulazione con, sovrapposta, la
mappa del tirante idrico; b) mappa delle differenze di quota tra la situazione a 4 mesi dall’evento franoso e la situazione ante-evento. I valori riportati
in legenda sono espressi in metri
- Output of the simulation of scenario 1 after 4 months from the end of the mass movement: a) digital terrain model at the end of simulation with the super-
imposed map of the height of current fl ow; b) map of the differences of elevation between the situation 4 months after the end of mass movement and the
situation before-event. The values in legenda are in meters
background image
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
quanto la presenza del corpo di frana all’interno del corso d’acqua
avrebbe potuto infl uenzare la naturale evoluzione del sistema.
In fi gura 12 è mostrato l’output ottenuto da codice di calcolo per la
simulazione dello scenario 1. In fi gura 12a, dove è riportato il battente
idrico sovrapposto al modello digitale del terreno, si nota chiaramente
la presenza del corpo di frana al centro del cerchio rosso e come il
normale defl usso delle acque abbia subito una migrazione a seguito
proprio dell’ostacolo rappresentato da questi sedimenti. In fi gura 12b il
confronto tra la situazione precedente all’evento e quella dopo 4 mesi
dallo stesso, effettuata attraverso una operazione di algebra tra mappe,
evidenzia come il materiale depositato in alveo per effetto della frana
sia stato poi parzialmente mobilitato verso valle (seguendo il percorso
della freccia nera curva). Tale materiale ha sostanzialmente modifi cato
le caratteristiche del corso d’acqua che, subito a valle del punto in cui
è avvenuta la frana, inizia a presentare caratteri braided proprio a causa
di questa grande quantità di sedimenti immessi nell’alveo.
Per meglio comprendere il nuovo comportamento assunto dal cor-
so d’acqua a seguito dell’evento franoso, è stato eseguito un confronto,
sempre tramite operazioni di map algebra, tra la situazione immedia-
tamente dopo la fi ne del movimento franoso e la situazione a 4 mesi
(Fig. 13). All’interno dell’area evidenziata si nota come, dopo 4 mesi,
la zona in colore giallo abbia subito un abbassamento di quota a seguito
della movimentazione del materiale di frana verso valle (area in colore
magenta) e come il corso d’acqua, all’interno del materiale da lui stesso
depositato in alveo a valle della frana, abbia prodotto la formazione di
3 canali per il defl usso delle acque, assumendo un tracciato braided, in
cui il canale principale, ben visibile in Fig. 13, è quello che porta alla
nuova confi gurazione idraulica del fi ume mostrata in Fig. 12a.
SCENARIO 2: FRANA LENTA
Lo scenario 2, defi nito di “frana lenta” è quello in cui è stato
considerato il caso in cui la frana fosse avvenuta con minore velocità.
È stata eseguita una simulazione dove, partendo sempre dalla situa-
zione iniziale (DEM ante-evento) si è simulato il movimento franoso
che ha mobilitato i circa 88.000 m
3
coinvolti, attraverso un intervallo
temporale di 4 mesi.
La fi gura 14 mostra il risultato della simulazione di questo sce-
tion of the system.
In fi gure 12 the output obtained by the calculation code for the
simulation of scenario 1 is shown. In fi gure 12a, where the height
of the current fl ow superimposed to the digital terrain model is rep-
resented, you can note clearly the presence of the landslide body in
the centre of the red circle; the normal fl ow of the water has suf-
fered a migration, due to these sediments that acted as obstacle. In
fi gure 12b the comparison between the before-event situation and
the after 4 months one, performed through a map-algebra operation,
shows instead that the material in the river bed has been partially
mobilized downstream (following the black curve arrow). Such ma-
terial produced a modifi cation of the characteristics of the stream
which, just downstream with respect to the point in which landslide
occurred, has began to assume braiding characteristics, due to the
great amount of sediments in the river bed.
In order to better comprehend the new behaviour of the stream
after the mass movement, a comparison was carried out, always
through map-algebra operations, between the situation immediately
after the end of mass movement and the situation 4 months after the
event (Fig. 13). Inside the highlighted area you can note that the yel-
low zone, after 4 months, has suffered a lowering of elevation, due
to the mobilization of landslide material downstream (area in ma-
genta) and the watercourse, inside the sedimented material by the
river itself, has produced the formation of 3 channels used for the
fl ow of current water, assuming a braided course, where the main
channel, well visible in Fig. 13, is the same that produces the new
hydraulic confi guration shown in Fig. 12a.
SCENARIO 2: SLOW LANDSLIDE
The scenario 2, named “slow landslide” considers the case of
landslide with minor velocity of movement. A simulation was car-
ried out where, starting from the originary situation (DTM before-
event) the mass movement mobilizing about 88.000 m
3
of material,
lasted 4 months.
The fi gure 14 shows the result of the simulation of such scenario.
Also in this case you can observe that the inserted material, even if
Fig. 13 - Confronto tra la situazione immediatamente dopo la fi ne del
movimento franoso e la situazione a 4 mesi dalla fi ne dell’even-
to. I valori riportati in legenda sono espressi in metri
- Comparison between the situation immediately after the end of
mass movement and the situation at 4 months after the end of the
event. The values in legenda are in meters
background image
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nario. Anche in questo caso si osserva come il materiale immesso,
seppur con una velocità molto minore, abbia comunque ostacolato il
normale defl usso delle acque generando un comportamento del fi ume
a canali multipli. La fi gura 14b mostra come siano poi stati movimen-
tati i sedimenti immessi fornendo un risultato del tutto simile a quanto
ottenuto per lo scenario 1.
In sostanza si può affermare che, dai risultati del codice di calcolo,
l’aver diminuito la velocità del movimento franoso non ha cambiato il
comportamento globale del sistema, ovvero la velocità di frana non è
risultato essere un fattore determinate o, allo stesso modo, che il corso
d’acqua non ha una suffi ciente stream power tale da poter allontanare
tutti i sedimenti apportati dal movimento franoso.
Sono stati eseguiti due transetti, il primo (A-B) posto in cor-
rispondenza del punto in cui è avvenuto il movimento franoso e il
secondo (C-D) poco a valle. In fi gura 15, nelle sezioni eseguite, si
nota appunto come: i) nella sezione A-B si è verifi cata una parziale
occlusione dell’alveo, anche se il materiale è stato immesso più lenta-
mente; ii) nella sezione C-D, l’alveo attivo precedente l’evento è stato
completamente interrato ed è scomparsa la morfologia monocanale;
inoltre, il canale principale ha subito una traslazione e il tracciato del
fi ume assume una morfologia di tipo braided.
CONCLUSIONI
Il risultato principale di questo lavoro, il cui scopo era quello di
testare il modello sviluppato su un caso reale, consiste nel fatto che
la simulazione effettuata ex post ha prodotto una situazione del tut-
to congruente con quanto accadde in realtà il 27 novembre 1987 a
Capolona. Questo risultato qualitativo (anche se il codice di calcolo
with minor velocity, obstacles the normal fl owing of the current wa-
ter, producing a behaviour of the river multichannel. The fi gure 14b
shows that the inserted material had been mobilized, producing a re-
sult very similar to the scenario 1.
Therefore, we can say that, from the results of the calculation
code, the decreasing of the mass movement velocity didn’t change
the global behaviour of the system. So the velocity of the landslide
doesn’t seem to be a decisive factor, i.e. the watercourse has not
suffi cient stream power to mobilize all the sediments brought by the
mass movement.
Two cross sections were carried out: the fi rst one (A-B) is situated
close to the point where the landslide occurred; the second one (C-D)
immediately downstream. In fi gure 15, in the same cross sections,
you can notice: i) in the A-B section a partial occlusion of river bed
occurred, even if the material was introduced slower; ii) in the C-D
section, the active river bed before the event was completely buried
and the single-channel morphology disappeared; moreover, the main
channel was affected by a traslation and the stream assumed a braided
morphology.
CONCLUSIONS
The main result of this work, whose aim was to test the model
on a real case, is that the carried out ex post simulation produced a
situation congruent with the real situation occurring in 27 November
1987 at Capolona. This qualitative result (even if the calculation code
produces over all quantitative results), is extremely important, over
Fig. 14 - Output a fi ne simulazione dello scenario 2: a) modello digitale del terreno con evidenziato il corpo di frana con, sovrapposta, la mappa del tirante idrico
dal quale si evince chiaramente il maggior intrecciamento assunto dal tracciato del corso d’acqua; b) mappa della differenza di quota tra il DEM a fi ne
simulazione e il DEM ante-evento
- Output at the end of simulation of scenario 2: a) digital terrain model where the landslide body is highlighted with the map of the height of current stream
superimposed. You can note the braiding behaviour assumed by the watercourse; b) map of the difference of elevation between the DTM at the end of
simulation and the DTM before-event
background image
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C. CENCETTI, P. DE ROSA & A. FREDDUZZI
all because, in such modellistic approaches, the general geomorpho-
logical result has to be valued.
Two hypothetical scenarios (one of “complete abandon” and the
othe of “slow landslide”) were analyzed after the fi rst carried out
simulation, and therefore after the calculation code was tested. For
both simulated scenarios, CAESAR individuated an important modi-
fi cation in the behaviour of the watercourse downstream the cross
section where the landslide interfered with fl uvial river bed and the
watercourse has assumed a braided morphology. Such morphological
variation of the stream is surely produced by the enormous amount
of material introduced in the river bed that was not mobilized by the
current fl ow, not even in the case of scenario 2 (i.e. “slow landslide”).
This is surely one of the most interesting aspect: the factor “veloc-
ity” of mass movement, considering the morphology of landscape,
the liquid discharge and the characteristics of the river bed, doesn’t
seem to be a signifi cative factor if related to the fi nal result of simula-
tion. Nevertheless, we can say that both simulated scenarios produced
plausible and reliable results.
Another important consideration is that the model is able, us-
fornisce soprattutto risultati quantitativi), è di per sé già estremamen-
te importante, soprattutto perché, in tali approcci modellistici, è il
risultato geomorfologico generale che deve essere valutato.
Due ipotetici scenari (quello di “completo abbandono” e quello di
“frana lenta”) sono stati analizzati a seguito della prima simulazione
eseguita, e quindi una volta che il codice di calcolo era già stato testato.
Per entrambi gli scenari simulati, CAESAR ha individuato una impor-
tante modifi ca del comportamento del fi ume a valle della sezione in cui
la frana ha interferito con il corso d’acqua, dove il fi ume ha assunto un
tracciato multicanale (braided). Tale variazione morfologica del trac-
ciato fl uviale è sicuramente da imputare all’enorme quantità di sedi-
menti riversati in alveo dal movimento franoso che la corrente fl uviale
non è riuscita a mobilitare, neanche nel caso dello scenario 2 (ovvero
quello di “frana lenta”). Questo è sicuramente uno degli aspetti più in-
teressanti: il fattore “velocità” del movimento franoso, considerando la
morfologia del territorio, le portate e le caratteristiche del corso d’ac-
qua, non risulta essere un fattore signifi cativo in relazione al risultato
fi nale della simulazione. In ogni caso, tuttavia, si può affermare che en-
trambi gli scenari simulati hanno fornito risultati plausibili e attendibili.
Fig. 15 - Traccia delle due sezioni trasversali A-B (in corrispondenza del corpo di frana) e C-D (poco a valle del corpo di frana) con rappresentazione della sezione
trasversale ante e post-evento franoso
- Trace of the two cross sections A-B (close to the landslide body) and C-D (immediately downstream) with the representation of the cross section before and
post-event
background image
CELLULAR AUTOMATA MODEL: AN APPLICATION TO LANDSLIDE DAM OF “LE MOTTACCE” (TUSCANY, CENTRAL ITALY)
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
ing the necessary simplifi cations intrinsic to itself, to approach a so
complex theme interesting both the dynamic of the river bed, and the
slope dynamics and the interference between them. At the present the
simulators dealing with such problem are not many, overall due to its
complexity. All this counts for the modifi ed CAESAR model.
At the end of the note, some doubtful aspects have stand out
which need to be underlined. At fi rst, the factor velocity: the consid-
eration that such parameter could little infl uence the global behaviour
of the system leaves some doubts. This problem needs more in-depth
studies and analysis.
Another aspect to consider is related to the times of calculation: a
so implemented code, which can vary the time step for the control of
numerical instabilities, requires a strong power of calculation and the
time for carry out even one simulation are too long. The simulation
of scenario 2, for example, required about 30 hours for calculation.
A third problem, not properly related to the model itself, regards
the diffi culty in fi nding some input data (for example the grain size
of the bottom and the data about solid transport).
In spite of these considerations, we can assert that the obtained
comprehensive result is surely good and that the modifi ed CAESAR
can be effectively used as model for the simulation of interferences
between fl uvial dynamics and slope dynamics.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish thank Prof. Walter Dragoni (Department of
Earth Sciences, University of Perugia) for kindly conceding the re-
production of his photos, taken after the occurring of “Le Mottacce”
mass movement, during an inspection for the fi rst aid in the area af-
fected by landslide.
Una considerazione importante è quella che il modello riesce, uti-
lizzando le dovute semplifi cazioni intrinseche al modello stesso, ad
affrontare una tematica così complessa che interessa sia la dinamica
d’alveo che quella di versante e le interazioni tra esse. Ad oggi pochi
sono i simulatori che trattano tale problematica, soprattutto a causa
della complessità del problema. Tutto ciò depone sicuramente a favo-
re del modello CAESAR modifi cato.
Al termine di questo lavoro sono comunque emersi alcuni aspetti
dubbi che è necessario sottolineare. In primo luogo, il fattore velocità
della frana: lascia qualche dubbio la considerazione che tale parame-
tro effettivamente infl uenzi poco il comportamento globale del sistema.
Tale problematica necessiterebbe di più approfonditi studi e valutazioni.
Altro aspetto da considerare riguarda i tempi di calcolo: un codice
così implementato, che può variare il time step per il controllo delle in-
stabilità numeriche, richiede una notevole potenza di calcolo e i tempi
per effettuare anche una sola simulazione sono lunghi. La simulazione
dello scenario 2, ad esempio, ha richiesto circa 30 ore di calcolo.
Esiste poi un terzo problema, non propriamente collegato al mo-
dello in sé, ma che riguarda il diffi cile reperimento di alcuni dati di
input (es. le granulometrie di fondo e i dati sul trasporto solido).
A valle di queste considerazioni, è però possibile affermare che il
risultato complessivo ottenuto è sicuramente positivo e che CAESAR
modifi cato può essere effi cacemente utilizzato come modello per la
simulazione delle interferenze tra le dinamiche d’alveo e le dinami-
che di versante.
RINGRAZIAMENTI
Gli autori desiderano ringraziare il Prof. Walter Dragoni, del Dipar-
timento di Scienze della Terra dell’Università di Perugia, per aver gen-
tilmente concesso la riproduzione delle immagini da lui stesso riprese
dopo l’evento franoso de “Le Mottacce”, durante un sopralluogo di pri-
mo intervento per la messa in sicurezza dell’area interessata dalla frana.
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