L’algoritmo Landmark per l’analisi morfometrica della superficie terrestre: uno strumento di base che apre nuove prospettive nella convivenza con il rischio alluvionale

> FocusUnimore > numero 33 – febbraio 2023

The Landmark algorithm for morphometric analysis of the earth’s surface: the reproduction of valley and ridge networks shows the way to understanding hydrological phenomena and living with extreme events such as floods and droughts
Hydrogeological instability, a term that indicates the combination of adverse effects of hydrology and surface instabilities, sees almost 94% of municipalities in Italy at risk of landslides, flooding and coastal erosion. The Italian territory, due to its morphological and hydrological characteristics, is naturally exposed to the risk of floods and landslides.  In addition, water scarcity compared to demand frequently causes drought problems that have major impacts not only on human activities, but also on structures, e.g. in relation to subsidence phenomena. However, the number of natural disasters can be controlled through monitoring, understanding the phenomena and implementing structural and non-structural prevention and protection measures. In addition to natural features, there are other anthropogenic factors, such as demographic changes, land-use changes, and climate change. This contributes to further changes such as the one highlighted by the UNIMORE Hydrologic Research Group, led by Prof. Stefano Orlandini, regarding the action on riverbanks of fearsome fossorial mammals, such as porcupines and badgers, which with their incessant work of penetrating riverbanks cause unexpected bioerosion and riverbank collapse. The UNIMORE Hydrologic Research Group is an international excellence working in the field of understanding hydrological processes to mitigate the adverse effects of floods and droughts on society, has revealed for the first time internationally the impact of fossil mammals on the hydraulic safety of land. Recently, the research group has developed an algorithm called Landmark that automatically identifies essential topographic features observed in high-resolution digital terrain models and preserves them in the partitioning of the earth’s surface necessary for the description of surface processes. The methods developed provide new paradigms for scientists and engineers to incorporate the detail into models for describing surface geophysical processes. Although an embankment looks like a “pile of dirt” and can be arranged in a simple manner, its mechanics are actually very complex and must be studied in a technically rigorous manner.

Il cosiddetto dissesto idrogeologico, termine introdotto dal noto geologo Ardito Desio per indicare la combinazione di effetti avversi dell’idrologia e delle instabilità superficiali, vede in Italia quasi il 94% dei comuni a rischio frane, alluvioni ed erosione costiera.

La superficie nazionale, potenzialmente soggetta a frane e alluvioni, è aumentata nel 2021: frane +4% e alluvioni +19% rispetto al 2017(dati ISPRA2022). Quasi il 94% dei comuni italiani è a rischio dissesto e soggetto ad erosione costiera e oltre 8 milioni di persone abitano in aree ad alta pericolosità. La gravità della situazione la si può meglio interpretare con i numeri forniti dai dati CNR-IRPI del 2020: dal 1970 al 2019 gli eventi franosi e le inondazioni hanno causato 1.673 morti, 60 dispersi, 1.923 feriti ed oltre 320.000 mila persone evacuate.

Il territorio italiano per le sue caratteristiche morfologiche e idrologiche è naturalmente esposto al rischio di alluvioni e frane, basti pensare che i fenomeni franosi censiti sono 625.000 su un’area di 24.000 km² pari al 7,9% del territorio nazionale. In aggiunta, la scarsità idrica rispetto alle richieste provoca frequentemente problemi di siccità che hanno impatti importanti non solo sulle attività dell’uomo, ma anche sulle strutture, per esempio in relazione ai fenomeni di subsidenza. Il numero dei disastri naturali può tuttavia essere controllato attraverso il monitoraggio, la comprensione dei fenomeni e l’attuazione di misure strutturali e non strutturali di prevenzione e protezione. L’obiettivo dovrebbe essere quello di convivere con i fenomeni idrologici e geologici anche quando le condizioni diventano avverse.

Alle caratteristiche naturali del Bel Paese e del Pianeta Terra si aggiungono altri fattori di carattere antropogenico: (1) i cambiamenti demografici, con effetti immediati sulla espansione urbanistica, realizzata alle volte in assenza di una pianificazione territoriale, e sui fabbisogni idrici, (2) i cambiamenti di uso del suolo, con effetti immediati sulla formazione delle piene, ma anche sull’uso delle risorse idriche, e (3) i cambiamenti climatici, che si sovrappongono alla variabilità naturale del clima e determinano fenomeni meteorologici estremi non osservati nel recente passato.

Tali cambiamenti contribuiscono a ulteriori cambiamenti come, per esempio, quello evidenziato nel 2015 dal Gruppo di Ricerca in Idrologia di Unimore, guidato dal prof. Stefano Orlandini, riguardo alla azione sugli argini di mammiferi fossori temibili, come istrici e tassi, che con il loro incessante lavoro di penetrazione degli argini sono causa di bioerosioni e collassi arginali inattesi.

Argine del Panaro alterato dalla tana di un istrice.

È stato proprio il gruppo di Ricerca in Idrologia di Unimore (UNIMORE Hydrologic Research Group), di eccellenza internazionale, che opera nel campo della comprensione dei processi idrologici ai fini di mitigare gli effetti avversi di piene e siccità sulla società, ad aver rivelato per la prima volta a livello internazionale in modo esplicito l’impatto dei mammiferi fossori sulla sicurezza idraulica del territorio. (Orlandini et al., 2015; Balistrocchi et al., 2021)

Recentemente il gruppo di ricerca ha sviluppato un algoritmo denominato Landmark che identifica in modo automatico le caratteristiche topografiche essenziali osservate nei modelli digitali del terreno a elevata risoluzione e le preserva nel partizionamento della superficie terrestre necessario per la descrizione dei processi superficiali (Moretti e Orlandini, 2023).

“L’algoritmo Landmark – spiega il prof. Stefano Orlandini di Unimore – illustra come le linee che congiungono i punti più bassi delle valli e dei canali (talweg) e le linee di intersezione tra versanti opposti alla loro sommità (crinali) sono le caratteristiche topografiche essenziali (basi) che devono essere preservate quando la superficie del terreno viene partizionata. Vengono presentati nuovi metodi di analisi del terreno in grado di estrarre automaticamente le reti dei talweg e dei crinali dai modelli digitali del terreno a elevata risoluzione, senza la necessità di riempire artificialmente le depressioni e di aggregare le griglie originali.”

I metodi sviluppati forniscono nuovi paradigmi per scienziati e ingegneri al fine di incorporare il dettaglio, offerto dai dati topografici a elevata risoluzione (1 metro o anche inferiore), nei modelli di descrizione dei processi geofisici superficiali.

“La comprensione dei processi idrologici fondamentali come, per esempio, la filtrazione, lo scorrimento superficiale, l’accumulo e lo scioglimento nivale – spiega il prof. Stefano Orlandini – sono la base essenziale per poter identificare le misure di prevenzione e protezione rispetto ai fenomeni idrologici avversi.”

Per esempio, per ridurre ai livelli accettabili il rischio di collasso degli argini è necessario conoscere la grandezza e la durata delle piene nei corsi d’acqua e come queste correnti interagiscono con l’ammasso filtrante che costituisce l’arginatura. Si tratta di fenomeni complessi, che richiedono descrizioni fisico-matematiche dettagliate e caratterizzazioni statistiche rigorose. Nonostante un argine appaia come un “mucchio di terra” e possa essere sistemato in modo semplice, la sua meccanica non è per nulla semplice e deve essere studiata in modo tecnicamente rigoroso.

La rappresentazione della superficie del suolo è fondamentale per descrivere i fenomeni di scorrimento superficiale e di interazione tra correnti superficiali e sotterranee. Per esempio, quando un argine collassa per effetto di un sormonto o di fenomeni di erosione interna causati dalla presenza di tane, l’inondazione si propaga sulla piana alluvionale che è generalmente alterata dalle infrastrutture costruite dall’uomo. L’algoritmo Landmark è stato concepito per identificare in modo automatico le barriere al deflusso superficiale rappresentate da crinali naturali, da argini, e da rilevati stradali. Descrivere la propagazione delle inondazioni è essenziale per gestire le operazioni di soccorso e le eventuali evacuazioni.

“In questo caso, conclude il prof. Stefano Orlandini – l’impulso è stato quello di rispondere a un problema di rilevanza sociale e solo in un secondo momento abbiamo capito l’importanza del metodo per la comprensione dei fenomeni naturali in generale. La nostra ricerca è applicabile a tutti i sistemi fluviali. Non è sviluppata specificamente per il territorio di Modena. Tuttavia, le nostre fonti di ispirazione sono quelle che osserviamo nel territorio di Modena e Reggio Emilia e quelle che osserviamo durante le nostre escursioni alpinistiche. La Natura è la fonte di ispirazione e per Natura intendiamo anche quella che comprende l’Uomo e le sue attività. Una volta compreso il funzionamento del sistema Terra e la sua interazione con i sistemi costruiti dall’Uomo, l’individuazione dei problemi e delle loro soluzioni diventa semplice. Poi si tratta di interagire con il mondo dei decisori e questo non è sempre semplice, ma vediamo che i decisori seguono i progressi scientifici e tecnologico con il tempo. Accanto alla Ricerca e alla Terza Missione, la Didattica Universitaria rimane il mezzo principale per formare laureati capaci di comprendere i problemi e su questo Unimore mette molto impegno, in particolare nei Corsi di Laurea e Laurea Magistrale in Ingegneria Civile e Ambientale”.

Riferimenti bibliografici
Balistrocchi, M., Moretti, G., Ranzi, R., & Orlandini, S. (2021). Failure probability analysis of levees affected by mammal bioerosion. Water Resources Research, 57, e2021WR030559, doi: 10.1029/2021WR030559.

Moretti, G., and S. Orlandini (2023), Thalweg and Ridge Network Extraction from Unaltered Topographic Data as a Basis for Terrain Partitioning, Journal of Geophysical Research: Earth Surface, doi: 10.1029/2022JF006943, under review.

Orlandini, S., G. Moretti, and J. D. Albertson (2015), Evidence of an emerging levee failure mechanism causing disastrous floods in Italy, Water Resour. Res.,51(10), 7995–8011, doi: 10.1002/2015WR017426.