HYDROLOGICAL AND GEOMORPHOLOGICAL ANALYSIS OF HEADWATER BASINS CAUSING THE DEBRIS FLOW TRIGGERING

The main subject of the present thesis is the triggering of debris flows, which has been studied from a geomorphological and from a hydrological point of view. The thesis is a compilation of three papers, each one focused on a specific part of the triggering mechanism. In fact, debris flows are dangerous events, typical of mountain territories all over the world and they necessitate the concurrence of many variables to be triggered. In the last decades, different studies stated that the main variables involved in the initiation of a debris flow are: terrain slope, water input and sediment availability. If these factors exceed some specific critical thresholds, the probability of a debris flow triggering can be very high. However, the fact that so many variables are involved makes these events difficult to forecast. In the present study, we analysed different aspects related to the triggering probability. For this reason, the thesis is composed of three different papers: (1) Chapter 2, titled “On the criteria to create a susceptibility map to debris flow at a regional scale”; (2) Chapter 3, titled “Correlation between the rainfall, sediment recharge and triggering of torrential flows in the Rebaixader catchment (Pyrenees, Spain); (3) Chapter 4, titled “Rainfall durations and corresponding dominant mechanism for the initiation of debris flows in three basins characterized by different geomorphological settings”. In Chapter 2, we analysed the geomorphological variables of the catchments that have the most important role in the triggering of debris flows. We used a model named Flow-R that works at a regional scale (allowing to analyse an entire valley) to study the potential triggering areas, neglecting the hydrological part of the mechanism. In fact, starting from a real case study (event of 4th August 2012), we used the collected data regarding the triggering and deposition areas to model the debris flow event. We analysed the morphological parameters that had better discriminate the potential triggering areas from the zones in which the erosion and slope failure are highly improbable. In Chapter 3, we studied the two triggering variables related to water input and sediment recharge. In this case, we focused on: (1) rainfall, investigating its influence on the triggering of debris flows and on the accumulation and mobilization of sediments; (2) sediment availability, considering the registered debris flow volumes as the previously available sediment quantity inside the triggering area, in the period before the triggering of the event. The analysed catchment is in the Spanish Pyrenees and it is a good case study because since summer 2009 it has been equipped with a monitoring station (rain gauges, piezometers, video cameras, geo-phones). Therefore, the rainfall datasets registered with a time interval of 5 minutes inside the catchment are relatively long and allows to study potential correlations between the water input and the sediment mobilization. We searched if there are any correlations between the volume of the triggered event and the total precipitation of the recharge period (the period between the considered debris flow and the previous one). We then analysed the correlations between the maximum rainfall intensities of the triggering rainfall events and the volume of the debris flows. Finally, we used a parameter called “rainfall erosivity” that, calculated for each rainfall event, considers at the same time the total precipitation, the maximum intensity and the kinetic energy of the rain. This parameter has been calculated using two different time scales: (1) for the single triggering rainfall event; (2) as the sum of all the rainfall events happened during every recharge period. The results are interesting because it is clear that rainfall scarcely influences the quantity of the mobilized sediment, evidencing that there are other important variables involved in this mechanism. Whereas, the triggering or non-triggering of a debris flow is strongly dependent on the rainfall erosivity of the triggering rainfall event. After these two analyses, made at the regional scale and at the basin scale, in Chapter 4 we went more in the detail, focusing on the headwater basins (the upper parts of debris flow catchments). We analysed three study areas: (1) the headwater basin of Rio Rudan, located in the south side of Mount Antelao (Italian Dolomites); (2) the headwater basin of Rio Chiesa, located in the south side of Col di Lana (that is also located inside the dolomitic region, but it is characterized by a different geology, mainly composed of volcanic and sedimentary rocks); (3) the headwater basin of Rio Rebaixader, located in the Spanish Pyrenees (mainly composed of metamorphic rocks). In each headwater basin, we extracted three control cross sections along the channel network. For every cross section we calculated the critical triggering discharge for the debris flow initiation using the formulas of Gregoretti and Dalla Fontana (2008) and of Whittaker and Jaggi (1986). Then, we made some hydrological simulations using the software FLO-2D, using as water input different hyetographs created using the Intensity-Duration equations of Gregoretti and Dalla Fontana (2007) and of Cannon and Ellen (1985). These simulations allowed us to verify which is the minimum rainfall duration (related to the corresponding rainfall intensity) needed to reach the critical discharge in the control cross sections. To test also the possible shallow slope failure triggering mechanism, we also made a slope stability analysis in the three initiation areas, using the geotechnical parameters derived from the analysis of terrain samples collected inside the headwater basins. These two different analysis gave an overall view on the mechanism of mobilization of sediments in the analysed areas. The results show that the critical discharges in the three basins are comparable, whereas the slope stability analysis evidences some differences between the basins. In fact, Rio Rudan resulted generally more stable than the two other basins, even with high saturation conditions of the terrain. This can mean that in this basin the principal triggering mechanism is the “channel-bed failure”, whereas in the two other basins mechanisms of “shallow slope failure” are also probable.La seguente tesi è stata sviluppata in forma compilativa, come raccolta di articoli. Il filo conduttore di tutto il manoscritto è l’analisi del fenomeno di innesco di colate detritiche. Questo tipo di eventi, tipico di zone montane di tutto il mondo, necessita della concomitanza di particolari fattori per poter accadere. Negli ultimi decenni, differenti studi a riguardo, hanno dimostrato che tra le principali variabili in gioco nel determinare l’innesco di una colata, ci sono: la pendenza del terreno, una sufficiente quantità d’acqua e una certa disponibilità di sedimento nell’area sorgente che possa venire mobilizzata. Questi fattori, quando concomitanti sopra ad una certa soglia limite, determinano una elevata probabilità di innesco di un fenomeno di colata detritica. Il fatto però che ci siano in gioco molte differenti variabili, rende questi meccanismi molto difficili da comprendere e predire con estrema esattezza. In questo studio, si è cercato di analizzare tutti gli aspetti legati alla probabilità di innesco per dare un quadro complessivo del fenomeno, prendendo in considerazione differenti variabili in differenti aree di studio. Per questo motivo la tesi è strutturata in tre parti distinte: ad un primo capitolo introduttivo in cui viene presentato il fenomeno di colata detritica nella sua interezza, segue il Capitolo 2, intitolato “On the criteria to create a susceptibility map to debris flow at a regional scale”. In questa parte della tesi, vengono analizzate le variabili geomorfologiche del terreno che incidono maggiormente nel possibile innesco di una colata detritica. Utilizzando un modello chiamato Flow-R che lavora a scala regionale (permettendo di analizzare un’intera vallata e non solamente singoli bacini), si è trascurata la parte idrologica del fenomeno concentrandosi sulla morfologia del terreno. Partendo infatti dai dati reali (dati di pioggia, volumi di colate, mappatura delle aree di innesco e delle aree di deposito) misurati durante e successivamente l’evento del 4 agosto 2012 che ha interessato l’intera Val di Vizze (Provincia di Bolzano) si è cercato di ricostruire nel modo più verosimile l’innesco e la propagazione di colate nel territorio analizzato, cercando di trovare i parametri morfologici che permettessero di discriminare accuratamente le possibili aree sorgenti dalle zone in cui invece l’erosione e l’innesco sono altamente improbabili. Proseguendo con il Capitolo 3 della tesi, denominato “Correlation between the rainfall, sediment recharge and triggering of torrential flows in the Rebaixader catchment (Pyrenees, Spain)” si è invece passati ad analizzare le due variabili pioggia e quantità di sedimento, legate all’innesco di colata detritica. In questo caso, a differenza della precedente analisi, ci si è concentrati: (1) sulla pioggia, analizzando se questa influisca non solo nel determinare lo switch innesco si/innesco no, ma provochi degli effetti anche sull’accumulo e/o mobilizzazione dei sedimenti nelle aree di innesco; (2) sulla quantità di sedimento disponibile per un eventuale innesco di colata, considerando i volumi detritici registrati come il sedimento disponibile, nell’area di innesco, durante il periodo pre-colata. Il bacino analizzato in questa seconda parte della tesi, si trova nei Pirenei spagnoli ed è un ottimo caso studio in quanto fin dall’estate 2009 è stato equipaggiato con una stazione di monitoraggio che comprende pluviometri, geofoni, piezometri e videocamere. La serie storica dei dati di pioggia, che viene registrata con un intervallo temporale di 5 minuti, è quindi relativamente ampia. Inoltre, essendo questo un bacino caratterizzato da un’elevata frequenza di fenomeni di colata detritica e di correnti iperconcentrate, si è avuta a disposizione una serie di una ventina di eventi (con relativo volume di detriti) registrati sempre a partire dall’estate 2009. Una serie di dati di questo tipo, permette quindi di effettuare analisi molto più approfondite rispetto a quelle che si possono fare in singoli bacini non costantemente monitorati in cui ci si limita a prendere in considerazione le giornate caratterizzate da eventi di colata. Si è quindi studiato se ci fosse correlazione tra il volume dell’evento innescato e la quantità di pioggia caduta nel periodo trascorso tra l’evento di colata stesso e il precedente (questo viene denominato in letteratura “periodo di ricarica”). Si sono successivamente verificate le eventuali correlazioni tra l’intensità massima degli eventi di pioggia del periodo di ricarica e il volume del successivo evento innescato. Per fare uno studio più complesso si è deciso di utilizzare una variabile denominata “rainfall erosivity”, questo parametro calcolato per ogni evento di pioggia registrato, mette insieme la quantità totale di precipitazione misurata con l’energia cinetica della pioggia stessa, calcolata utilizzando la massima intensità media nella mezz’ora. Con questo parametro si è differenziato tra la pioggia totale caduta durante il periodo di ricarica e la pioggia del singolo evento innescante. I risultati ottenuti sono molto interessanti, infatti risulta chiaro come la pioggia abbia un’influenza relativamente scarsa sull’accumulo di sedimenti e sulle quantità mobilizzate, dimostrando come queste quantità siano influenzate da altre variabili in gioco, mentre l’innesco o il non innesco di una colata è fortemente dipendente dall’energia dell’evento di pioggia che si verifica sul bacino. Dopo aver svolto una prima analisi a scala regionale e una seconda a scala di singolo bacino, nel Capitolo 4 si è entrati ancora più nel dettaglio, prendendo in considerazione solamente il sottobacino di testata. In questo capitolo, intitolato “Rainfall durations and corresponding dominant mechanism for the initiation of debris flows in three basins characterized by different geomorphological settings”, sono state analizzate tre differenti aree studio: (1) il sottobacino del Rio Rudan, che si trova nel versante meridionale del Monte Antelao, in pieno territorio dolomitico; (2) il sottobacino del Rio Chiesa, posto sul versante meridionale del Col di Lana, caratterizzato da una geologia differente rispetto al primo, composta da una mescolanza di rocce vulcaniche e sedimentarie; (3) il sottobacino del Rio Rebaixader, che si trova nei Pirenei spagnoli ed è composto principalmente da rocce metamorfiche. In ognuno dei tre sottobacini, sono state estratte tre sezioni di controllo, lungo la rete idrografica, e per ognuna di esse sono state calcolate le relative portate critiche di innesco di colata detritica utilizzando le due formule di Gregoretti e Dalla Fontana (2008) e Whittaker e Jaggi (1986). Successivamente in ciascuno dei sottobacini, utilizzando il software di modellazione FLO-2D, sono state effettuate diverse modellazioni idrologiche utilizzando come input di pioggia, differenti pluviogrammi creati utilizzando le equazioni di Intensità-Durata sviluppate da Gregoretti e Dalla Fontana (2007) e da Cannon e Ellen (1985). Queste indagini hanno permesso di verificare quale sia la durata minima di pioggia (legata alla corrispondente Intensità soglia) necessaria per raggiungere la portata critica di innesco nelle sezioni di controllo analizzate. Per completare lo studio sul meccanismo d’innesco nei tre sottobacini analizzati, è stata fatta anche un’analisi di stabilità di versante, utilizzando i parametri geotecnici derivanti da campioni di suolo prelevati nelle aree di innesco. Queste due analisi danno insieme una visione complessiva del modo in cui le colate detritiche si sviluppino nelle aree analizzate. I risultati mostrano infatti come, in tutti e tre i sottobacini, le portate critiche di innesco siano comparabili come grandezza, mentre le analisi si stabilità di versante evidenziano come il bacino del Rio Rudan sia mediamente più stabile rispetto alle altre due aree, anche in condizioni di elevata saturazione del suolo. Questo fa pensare che in questo bacino il meccanismo di innesco più probabile sia il cosiddetto “channel bed failure”, mentre negli altri due bacini ci sono sicuramente anche fenomeni di “shallow slope failure” che avvengono nelle aree dissestate di versante portando grandi quantità di detriti all’interno del reticolo idrologico