Water erosion assessment and modeling in two calanchi areas in Sicily, Italy

Badlands are typical erosion landforms of semi-arid and arid regions and are formed by a complex combination of morphogenetic processes. Their origin involves fluvial processes as well as piping, tunnel erosion and mass wasting. They can also be related to deficient land use practices, which disturb the natural equilibrium of the soils. Badlands generally intersect gentler landscapes with their steep slopes, in the middle of crops or forest, and they are usually active and propagate towards their surrounding areas. Badlands occur on: i) poorly or non cemented clay materials, ii) arid or semiarid climates with concentrated aggressive rainfall and a very marked seasonal contrast and iii) they are mainly formed on south facing slopes. The sediment yield on this type of erosion landforms has been documented by many researches due to its importance on soil sediment production. In Italy, badlands are mainly distinguished in two types: biancane and calanchi. The former are mainly interpreted as residual hills of late stage calanchi evolution, characterized by cones and hummocks separated by flatter surface wash deposits. The latter, on the other hand are characterized by a heavily dissected terrains with unvegetated slopes, knife ridge edges, V-shaped valleys and channels with a dendritic pattern which rapidly incise and extend headwards. The calanchi exhibit, in smaller temporal and spatial scale, many of the geomorphic processes and landforms that may by observed in a fluvial landscape, hence, this type of badland may be considered as micro-watersheds where geomorphic dynamics can be related to their geometric features. This research thesis summarized the assessment of two calanchi areas, located in Sicily. In total, 63 calanchi basins were individuated in the study areas, 23 in the Anticaglia creek (located in the head sector of the Imera Meridionale river basin) and 45 on the Bicchinel creek (left bank of the Belice river basin). Since onsite measurements techniques on badland areas are difficult, expensive and very time consuming, this research thesis focuses on data analyses with the use of remote sensing techniques. In particular, three different types of data were analyzed: i) Digital Elevation Models; ii) orthophotographs and iii) images from the Google Earth software. The first part of the investigation was to evaluate the morphometric characteristics of 25 calanchi landforms. For this aim, a Digital Elevation Model (DEM) obtained by LiDAR (Light Detection And Ranging) technology, with a horizontal and vertical resolutions of 2 m and 0.1-0.2 m, respectively, was used. In addition, an orthophotograph with a pixel resolution of 0.25 m was used as a visual reference of the areas, as well as the images obtained by the Google Earth software. Processing the DEMs and orthophotos in a GIS environment allowed to evaluate the morphometric characteristics of the 25 landforms. These characteristics were used to test two functional relationships, already tested in the literature for smaller linear erosion landforms (i.e. rills, ephemeral and permanent gullies): 1) an empirical functional relationship to estimate the eroded volume with the use of the total length of the landforms, and 2) a power relationship, between two dimensionless groups, to test the morphological similarity between the mentioned linear erosion landforms and the studied calanchi. The results of these analyses validate the length of calanchi channels as an optimal predictor for determining their eroded volume. Additionally, since calanchi fall inside the same range of the gully measurements, it can be concluded that length–volume power relationship previously obtained for gullies can be also applied to the calanchi landforms. Nevertheless, the results pointed out that for a given length value the corresponding calanchi volume value is higher than the gully one. This is justified by the fact that the investigated calanchi are generally characterized by cross-sections which are deeper and wider than the ones of the gullies available in the literature. With regard to the morphological similarity between rills, ephemeral and permanent gullies and calanchi, the dimensional analysis and self-similarity theory to the geometric characteristics of the calanchi channels (mean width and depth of the cross sections, volume and length) showed a high degree of morphological similarity between literature data from the smaller linear erosion landforms and the calanchi measurements from this research. In other words, a unique geometrical similarity condition between these four heterogeneous erosion landforms was found. Finally, for this first group of analyses, the Hack's law was tested for the calanchi obtaining an exponent smaller than 0.5, which demonstrates that the shape of these landforms becomes wider with increasing their basin area. The latter result was also proved by analyzing the maximum length and width of each calanchi landform, which showed that width increments slightly faster than length when increasing their size. The second goal of the thesis was to make a more detailed analysis of the calanchi badlands, and therefore a low altitude aerial survey was carried out on the 18-19 of October 2012, by using a quadricopter Microdrones MD4-200 and a Nikon Coolpix 16 MP digital camera. The aerial survey followed the classic photogrammetric strips with a front overlap of 80% and a side overlap of 60%. The resulting DEM has a horizontal and vertical resolution of 3 cm and 2 mm, respectively. Also, a very high resolution orthophoto was created for the area, with a pixel resolution of 3 cm. The use of this very high resolution remote sensing survey allowed to reconstruct the internal morphology of the calanchi landforms and to define the morphometric characteristics of a number of incisions which are hardly accessible in the field. In particular, this DEM was used to perform a morphometric analysis of three representative calanchi samples from the Anticaglia study area which were identified and mapped by photo interpretation. For the three calanchi basins, the river network was automatically extracted by adopting the procedure suggested by Broscoe (1959) and the morphometric characteristics of the channels (i.e. length, cross-section area and volume) were measured. The measurements achieved in this part of the research were also compared with the length-volume relationships already tested for rill, ephemeral and permanent gullies showing that they fall within the length-volume range observed for ephemeral gullies in other environmental conditions. Furthermore, when applying the dimensional analysis and self-similarity theory, expressing the dependence between the morphologic attributes of the channels, a high degree of morphological similarity was found between the characteristics of the studied calanchi channels and the literature data of rill, ephemeral and permanent gullies, suggesting that also the morphology of these linear erosion features is independent from the intrinsic characteristics of the eroded material. Finally, dimensional analysis and self-similarity theory were exploited to deduce a new model quantitatively relating the volume of sediments eroded from calanchi landforms and a set of geometric features of their tributary areas. To this aim, the geometric characteristics of the 63 calanchi samples, in addition to other 146 Italian calanchi basins derived from the literature, were used to calibrate and validate the mentioned model. The predictive skill of the model was assessed by calculating the Mean Square Error and the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient. The results show that the model provides a reliable prediction of eroded volume from basins entirely covered by calanchi landforms as well as from basins only partially affected by badland erosion processes. Furthermore, as the residuals between the calculated and the measured volume of the eroded material are normally distributed, the deterministic model may be considered complete, meaning that no other variables are necessary to explain the studied physical process. In other words, the model is able to predict erosion volume in calanchi landforms from a deterministic point of view.

I badlands sono forme di erosione localizzate principalmente nelle regioni aride e semi-aride e sono formati da una complessa combinazione di processi morfogenetici. La loro origine coinvolge processi di erosione idrica ma anche tunnel erosion e movimenti di massa. Inoltre, tali forme possono anche essere correlate a fenomeni di erosione accelerata che hanno luogo laddove le azioni antropiche disturbano l'equilibrio naturale tra processi morfogenetici e suolo. I badlands, con i loro versanti ripidi, sono spesso inseriti all’interno di paesaggi più dolci, in mezzo a colture o bosco, localizzati in aree dove i processi responsabili del loro modellamento sono di solito piuttosto attivi determinando la loro estensione, relativamente rapida, verso le loro zone circostanti. Le condizioni che sono maggiormente favorevoli al modellamento di tali forme sono le seguenti: i) affioramenti di materiali argillosi scarsamente o non consolidati; ii) climi aridi o semiaridi con una distribuzione irregolare delle precipitazioni ed un contrasto di stagione molto marcato; iii) versanti esposti a sud. L’elevato tasso di perdita di suolo e la notevole produzione di sedimenti che caratterizza questa tipologia di forme di erosione hanno favorito, negli ultimi decenni, l’interesse di molti studiosi italiani e stranieri. In Italia, i badlands sono distinti in due tipi: biancane e calanchi. Alla prima categoria appartengono piccole collinette che costituiscono forme isolate o si presentano in gruppi, e che sono principalmente interpretate come forme residuali dell'evoluzione di calanchi. Il secondo tipo, invece, identifica terreni profondamente incisi, con scarsa o nulla copertura vegetale, interfluvi molto stretti e affilati, valli con sezione trasversale a V e canali con un sistema di drenaggio estremamente denso e gerarchizzato. I calanchi mostrano, a piccola scala spaziale e temporale, molte delle forme e processi geomorfologici che possono essere osservati in un paesaggio fluviale, e di conseguenza, tali forme del rilievo sono spesso considerate come micro-bacini idrografici in cui le dinamiche geomorfologiche possono essere collegati alle loro caratteristiche geometriche. Il lavoro di ricerca sintetizzato nella presente tesi di dottorato si è concentrato nello studio di due aree a calanchi localizzate in Sicilia. Le analisi hanno riguardato 63 bacini calanchivi, dei quali 23 situati nell’area di alimentazione del torrente Anticaglia (che si trova nel settore di testata del bacino del fiume Imera Meridionale) e 45 nell’area drenata dal torrente Bicchinel (affluente di sinistra del fiume Belice). Poiché le tecniche di misura in loco su aree calanchive sono difficoltose, costose e richiedono lunghi tempi di osservazione, il lavoro è stato basato principalmente sull’analisi di dati acquisiti attraverso tecniche di tipo remote-sensing. In particolare, sono stati utilizzati tre tipi diversi di dati: i) modelli digitali del terreno; ii) ortofoto e iii) immagini satellitari disponibili nel software Google EarthTM. Una parte della ricerca ha avuto come obiettivo principale l’analisi morfometrica di 25 bacini calanchivi. L'indagine è stata condotta attraverso l'uso di un modello digitale del terreno (MDT) ottenuto mediante tecnologia LiDAR (Light Detection And Ranging), con una risoluzione orizzontale e verticale pari rispettivamente a 2 m e 0,1-0,2 m. Inoltre, ortofoto con risoluzione pari a 0,25 m sono state utilizzate come riferimento visivo delle aree, così come le immagini ottenute con il software Google EarthTM. L'elaborazione dei MDT in un ambiente GIS ha permesso di calcolare, per le 25 unità calanchive, i valori di un gruppo di variabili morfometriche. Tali valori sono stati utilizzati per testare due relazioni funzionali già verificate in letteratura per piccole forme di erosione lineare (i.e. rill e gully effimeri e permanenti): 1) una relazione empirica che consente di stimare il volume eroso tramite la misura della lunghezza lineare dei canali e 2) una relazione tra due gruppi adimensionali di variabili, per testare la somiglianza morfologica tra le forme di erosione lineare più piccole ed i calanchi studiati. I risultati di queste analisi confermano che la lunghezza dei canali calanchivi può essere utilizzata come variabile predittiva del loro volume eroso. Inoltre, poiché i calanchi si dispongono all'interno dello stesso andamento delle misure fatte sui gully permanenti, si può concludere che il rapporto lunghezza-volume precedentemente ottenuto per queste forme di erosione lineare può essere applicato anche alle forme calanchive. Tuttavia, i risultati hanno evidenziato che per un dato valore di lunghezza il corrispondente volume di un calanco è superiore a quello di un gully permanente. Ciò è giustificato dal fatto che i calanchi indagati sono generalmente caratterizzati da sezioni trasversali che sono più profonde e più larghe rispetto a quelle dei gully permanenti considerati. Per quanto riguarda la somiglianza morfologica tra rill, gully effimeri e permanenti e calanchi, l'analisi dimensionale e la teoria di auto-similitudine applicata alle variabili morfologiche dei canali calanchivi (media larghezza e profondità delle sezioni trasversali, volume e lunghezza) hanno mostrato un alto grado di somiglianza morfologica tra i dati della letteratura delle forme di erosione lineare più piccole e le misure dei calanchi di questa ricerca. In altre parole, è stata trovata una condizione di similitudine geometrica unica tra queste quattro diverse forme di erosione. Infine, per questo primo gruppo di analisi, la legge di Hack è stata testata per i calanchi ottenendo un esponente minore di 0,5, il che dimostra che la forma di questi badlands si allarga con l'aumentare dell’area complessiva del loro bacino. Quest'ultimo risultato è stato anche confermato dall’analisi della lunghezza massima e della larghezza di ogni calanco, che ha dimostrato che la larghezza aumenta più velocemente rispetto alla lunghezza, quando aumenta la loro superficie complessiva. Il secondo obiettivo della tesi è stato quello di analizzare con maggiore dettaglio le caratteristiche morfometriche dei calanchi studiati. A tal fine, nell’area calanchiva del torrente Anticaglia, tra il 18 e il 19 ottobre di 2012, è stato condotto un rilievo aereo a bassa quota utilizzando un quadricottero Microdrones MD4-200, dotato di una fotocamera digitale Nikon Coolpix 16 MP. Il rilievo aereo ha seguito le classiche strisce fotogrammetriche con una sovrapposizione anteriore del 80% e una sovrapposizione laterale del 60%. Le foto aeree acquisite hanno consentito la produzione di un MDT con risoluzione orizzontale e verticale pari rispettivamente a 3 cm e 2 mm. Inoltre, è stata derivata un’ortofoto con una risoluzione del pixel di 3 cm. L'uso di questo rilievo ci ha permesso di ricostruire con elevata precisione la forma interna dei calanchi e di definire le caratteristiche morfometriche di un gran numero di incisioni che sono difficilmente accessibili nel campo. In particolare, il MDT è stato utilizzato per eseguire un’analisi morfometrica di tre unità calanchive rappresentative della zona di studio di Anticaglia, che sono state identificate e mappate attraverso fotointerpretazione. Per i tre bacini calanchivi, la rete fluviale è stata estratta automaticamente adottando la procedura suggerita da Broscoe (1959) e sono state misurate le caratteristiche morfometriche dei canali (ad esempio la lunghezza, l’area della sezione trasversale e il volume). Le misurazioni ottenute in questa ricerca sono state confrontate con i rapporti lunghezza-volume già osservati per rill, gully effimeri e permanenti mostrando che i calanchi rientrano nello stesso andamento di gully effimeri formatisi in altre condizioni ambientali. Inoltre, dall’applicazione dell’analisi dimensionale e della teoria di auto-similitudine, che esprime la dipendenza tra gli attributi morfologici dei canali, è stato trovato un alto grado di somiglianza morfologica tra le caratteristiche dei canali calanchivi studiati e i dati di letteratura dei rill, gully effimeri e permanenti, suggerendo che la morfologia delle forme di erosione lineare è indipendente dalle caratteristiche intrinseche del materiale eroso. Una terza parte della ricerca è stata finalizzata alla messa a punto, tramite l’analisi dimensionale e la teoria di auto-similitudine, di un nuovo modello che mette in relazione il volume eroso nei calanchi ed una serie di caratteristiche geometriche delle loro aree di alimentazione. Per la calibrazione e la validazione di tale modello sono stati utilizzati i 63 calanchi delle due aree di studio, insieme ai dati morfometrici di altri 146 bacini calanchivi italiani riportati in letteratura. L'abilità predittiva del modello è stata valutata calcolando l'errore quadratico medio ed il coefficiente di efficienza di Nash-Sutcliffe. I risultati dimostrano che il modello fornisce una previsione affidabile di volume eroso sia nei bacini interamente coperti da calanchi che in quelli solo parzialmente interessati da processi di erosione calanchiva. Inoltre, poiché i residui tra il volume eroso calcolato e quello misurato sono distribuiti normalmente, il modello deterministico può essere considerato completo, nel senso che non sono necessarie altre variabili per spiegare il processo fisico studiato. In altre parole, il modello è in grado di predire il volume eroso in calanchi da un punto di vista deterministico. Le attività di ricerca condotte ed i risultati ottenuti hanno dimostrato che dati acquisiti tramite tecniche remote-sensing possono essere utilizzati per derivare con buona approssimazione le caratteristiche morfometriche delle forme calanchive. Questo incoraggia ulteriori indagini su siti calanchivi, dove le misurazioni sul campo richiedono tempi e costi elevati, comportando, in alcuni casi, anche problematiche dovute alla scarsa accessibilità delle aree.