GEOMORPHIC RESPONSE TO EXTREME FLOODS IN ALLUVIAL AND SEMI-ALLUVIAL RIVERS

ABSTRACT Extreme floods are one of the major natural hazards that affect Italian territory causing causalities, severe damages to human properties and infrastructures and major economic losses. High intensity flood events can significantly affect channel morphology with extremely variable magnitude and pattern among river reaches, even within the same catchment, depending on the initial morphological conditions and being a function of the balance between flood driving and channel boundary resistant forces. This work addresses a better comprehension of morphodynamic processes during extreme flood events through the use of integrated and interlinked approaches. The thesis addresses: i) the documentation and analysis of channel response and its variability during large floods through different morphological settings (i.e., alluvial/semi-alluvial and confined/unconfined rivers); ii) the development of a systematic approach to assess and quantify geomorphic changes; iii) the investigation of the main factors controlling such changes; iv) the development of empirical and conceptual models for the their prediction. This research presents a quantitative assessment of the geomorphic effects of extreme hydrological events in three Italian catchments recently affected by large floods. The evaluation of channel response is based on an integrated approach that makes a synergic use of two main methodologies employed in the geomorphological study of rivers: remote sensing and GIS analyses, and field surveys. Flood effects detection was carried out by means of a stepwise approach mainly based on multi-temporal GIS analysis of remote sensing data (i.e., aerial photos and satellite images) in synergy with other topographic data (e.g., DEMs, DTMs) integrated by field surveys. The research was conducted on alluvial and semi-alluvial rivers displaying typical characteristics of mountain streams and covering relatively wide ranges in terms of physiographic and geomorphological setting (e.g., channel width, channel gradient, lateral confinement, human impacts). The study rivers include six tributaries of the Magra River (northern Apennines) with basin areas ranging from 8 to 38 km2, the Posada River and its main tributary (northeastern Sardinia) with a basin area of 680 km2, and the Lierza Creek (Venetian Prealps) with a basin area of 7.5 km2. Planimetric changes are the main focus of the study. Channel widening was the most remarkable morphological response to the analysed extreme rainfall events, from alluvial unconfined channel reaches subjected to intense adjustments (i.e., very high effectiveness and magnitude) to lower or negligible adjustments in confined semi-alluvial channels. However, in the upstream reaches, generally characterized by high confinement and steep gradients, the flood power was high enough to erode the valley sides. A deeper analysis of channel width changes underlined two different behaviours depending on the initial channel width, showing larger variability in width changes in the narrower reaches than in the wider reaches. The results of this study reflect the physical complexity of the river system and the complex nature of high-magnitude events, as they show that flood-driven geomorphic changes are controlled by several factors, both morphological and hydraulic ones, which lead to variable patterns of change. The flood peak stream power is often not sufficient to explain satisfactorily the channel response to floods, and inclusion of other factors turned out to be necessary to increase explanatory capability. In particular, a statistical analysis of controlling factors showed that channel widening magnitude depends – besides unit stream power calculated using the pre-flood channel width – on lateral confinement, especially in unconfined alluvial channels with erodible channel beds. Although the highest values in peak unit stream power were observed in confined and partly confined semi-alluvial reaches, the most intense channel widening did not occur in such reaches. Unit stream power – calculated based on the pre-flood channel width – has a major role in determining channel width changes in alluvial reaches, suggesting that most of width changes occurred after flood peak. The results of this thesis confirm how predicting geomorphic effects of extreme floods in fluvial systems is challenging. However, a robust geomorphological approach as the one deployed here can contribute to i) the identification of the most probable reaches subject to dramatic morphological effects; ii) to define the minimum lateral extension that should be expected by flood erosion; iii) to provide a basis for the definition of sound river management strategies and interventions.

RIASSUNTO Gli eventi idrologici estremi sono uno dei maggiori rischi naturali che affliggono il territorio italiano causando la perdita di vite umane, ingenti danni ai beni economici, ai beni privati e alle infrastrutture. Eventi di piena estremi possono modificare significativamente la morfologia dell'alveo con un’elevata variabilità tra tratti dello stesso corso d’acqua, ma anche all'interno dello stesso bacino idrografico, ,in relazione alle condizioni morfologiche iniziali e in funzione dell'equilibrio tra le forze innescanti e le forze resistenti determinate dalle condizioni al contorno dell'alveo. Perciò, il lavoro è volto ad una migliore comprensione dei processi morfodinamici durante eventi di piena estremi attraverso l'impiego di approcci sinergici ed integrati. Il lavoro di tesi è volto i) all’analisi e alla documentazione del comportamento e della variabilità della risposta morfologica in contesti morfologici differenti (in corsi d’acqua alluvionali e semi-alluvionali, confinati e non confinati); ii) allo sviluppo di un metodo sistematico indirizzato alla valutazione e quantificazione delle variazioni geomorfologiche; iii) allo studio dei principali fattori che controllano tali variazioni; iv) allo sviluppo di modelli empirici e concettuali per la loro possibile previsione. Questa ricerca propone di valutare tramite un'analisi quantitativa gli effetti dei processi geomorfologici dovuti ad eventi idrologici estremi in tre differenti bacini idrografici italiani, recentemente colpiti da eventi ad elevata magnitudo. La valutazione della risposta geomorfologica è basata su un approccio integrato attraverso l'uso sinergico delle due principali metodologie impiegate nello studio geomorfologico dei corsi d’acqua, vale a dire l’impiego del telerilevamento e di analisi GIS e il rilevamento sul terreno. L'indagine degli effetti relativi agli eventi di piena considerati è stata effettuata attraverso un approccio stepwise grazie all'integrazione di analisi multitemporali in ambiente GIS di dati telerilevati (foto aeree ed immagini satellitari), in sinergia con altri dati topografici (ad esempio DEM o DTM), e rilievi sul terreno. Lo studio è stato condotto in corsi d’acqua alluvionali e semi-alluvionali che presentano le tipiche caratteristiche di torrenti montani ma con caratteristiche fisiografiche e geomorfologiche differenti (come ad esempio la larghezza e la pendenza dell'alveo, il confinamento e l'impatto antropico) includendo sei affluenti del Fiume Magra (Appennini settentrionali) con bacini aventi aree comprese tra 8 e 38 km2, il Fiume Posada ed il suo affluente principale (Sardegna nord orientale) avente un bacino di 680 km2, e infine il torrente Lierza (Prealpi venete) con un bacino di 7.5 km2. Le variazioni planimetriche rappresentano l’aspetto maggiormente analizzato in questo studio. L'allargamento dell'alveo, la riattivazione della pianura alluvionale e l'erosione dei versanti risultano essere la risposta geomorfologica dominante agli eventi estremi analizzati, con intensità da molto elevata, negli alvei alluvionali non confinati, a bassa o praticamente trascurabile, negli alvei semi-alluvionali confinati. Tuttavia, nei tratti di studio situati più a monte, dove generalmente il fondovalle risulta più confinato, ovvero dove la pianura alluvionale è di limitata larghezza e la pendenza è elevata, il flusso è altamente concentrato tende a causare l’arretramento dei versanti che ne limitano la mobilità trasversale, coinvolgendo nel processo erosivo anche porzioni poste al di fuori dello stesso corridoio fluviale erodibile. Un'analisi più dettagliata delle variazioni di larghezza dell'alveo ha fatto emergere due comportamenti differenti a seconda della larghezza iniziale, mostrando un’elevata variabilità nelle variazioni di larghezza maggiore nei tratti più stretti rispetto ai tratti più larghi. I risultati mostrano che le differenti variazioni morfologiche dovute a tali eventi sono controllate da molteplici fattori, sia morfologici che idraulici, riflettendo la complessità fisica sia del sistema fluviale che della natura di eventi a così elevata intensità. La potenza unitaria della corrente non è spesso sufficiente per l'interpretazione di una determinata risposta geomorfologica, perciò si rende necessario considerare altri fattori al fine di aumentare la capacità esplicativa di tali processi. L'analisi dei fattori di controllo ha evidenziato che la variazione di larghezza dell'alveo dipende essenzialmente da i) il confinamento laterale, specialmente nei tratti alluvionali a fondo mobile, dove il basso confinamento laterale controlla l'allargamento in un fondovalle in cui l'alveo è libero di modificarsi lateralmente, e ii) la potenza unitaria della corrente, calcolata utilizzando la larghezza dell'alveo iniziale (i.e., prima dell'evento). Nonostante nei tratti semi-alluvionali confinati e parzialmente confinati siano stati osservati i maggiori valori della potenza unitaria della corrente, non sono stati rilevati i processi di allargamento più significativi tra quelli osservati. La potenza unitaria della corrente, calcolata utilizzando la larghezza dell'alveo iniziale, risulta invece avere un ruolo maggiore nel determinare il processo di allargamento nei tratti alluvionali, suggerendo altresì che la maggior parte delle variazioni di larghezza si siano verificate successivamente al picco dell’evento di piena. I risultati di questa tesi confermano come la previsione degli impatti geomorfologici sul sistema fluviale rimanga un aspetto di non facile risoluzione. Ciò nonostante pongono l'attenzione sull'importanza di un'analisi geomorfologica quantitativa che può contribuire all'identificazione dei tratti più sensibili a variazioni morfologiche di elevata intensità e alla definizione di azioni di pianificazione volte alla mitigazione del rischio e alla scelta di strategie di gestione ed eventuali interventi.