Interaction between channel control works and sediment dynamics: a multi-temporal approach

The management of erosion and sediment transport in mountain streams is performed through the construction of control works within the channel network. Among other typologies, check dams are the most common and widespread hydraulic structures to manage sediment fluxes during flood events. The design of the check dams is based on their role to effectively stabilize the channel retaining sediment and preventing an excess of erosion that might destabilize the surrounding hillslopes. However, channel control works in mountain streams have a non-negligible impact on the coupling dynamics of hillslope-channel sediments and their transfer along the channel. Therefore, the assessment of the impacts of check dams on sediment dynamics in mountain streams is of major importance for the maintenance of the existing control structures and for the designing of new ones. In the last twenty years, the evolution of landscape has increasingly been studied through topographical data and with the realization of Digital Terrain Models (DTMs) and DTMs of Difference (DoDs). In mountain streams, the detection of morphological changes through multi-temporal topographical data helps the understanding of the dynamics of erosion and deposition patterns and allows their quantitative analysis. The main aim of this thesis is to define the effects of check dams on sediment dynamics in a steep channel affected by a flash flood. The study area is the Vegliato Torrent basin (UD), a 5 km2 catchment characterized by the presence of several check dams. To achieve the objective, multi-temporal DTMs derived from Light Detection and Ranging (LiDAR) data for 2019 and 2022 are used to create DoDs to detect and quantify erosion and deposition processes occurred during the 2021 flash flood event in Vegliato Torrent. The multi-temporal approach for the detection of erosion and deposition patterns allows to assess the impact of the check dams on sediment retention and on erosion and deposition processes. The structural and functional conditions of the channel works were also evaluated thanks to field surveys, hence supporting the findings of the DoD analysis and giving a more detailed view of the current situation of the channel control system. First, the field surveys show that the majority of the check dams are in a destroyed or heavily damaged state with ceased or compromised functionality. Moreover, since some check dams are in good structural conditions but present a sediment over-flooded state, the overall system’s net efficiency, which combines state and functionality, is estimated in the range of 25-30%. . From the DoDs analysis, a strong variability in sediment volumes emerged, with the channel network deeply affected by sediment fluxes during the study period and mainly conveyed during the flash flood. Patches of deep erosion are visible especially in the upper part of the basin with vertical variations in the order of meters. On the other hand, deposition areas are present in the middle-lower section of the study area and in correspondence of some points of stream’s diversion where some check dams are outflanked. The results of this research reflect the importance of the constant monitoring of the fluvial system and the channel control works. Moreover, what has emerged is the importance of high resolution and multi-temporal data, thanks to which is possible to achieve a detailed detection of morphological changes. Finally, the combined use of remote sensing data and field surveys will help a proper maintenance of the existent works, especially considering the need to reduce risks for human settlements and activities.

La gestione dell’erosione e del trasporto di sedimento nei torrenti montani viene effettuato attraverso la costruzione di sistemazioni idrauliche all’interno del canale. Tra le diverse tipologie, le briglie sono le strutture più comuni e diffuse per gestire i flussi di sedimento durante gli eventi di piena. La progettazione delle briglie è basata sul loro ruolo di stabilizzare efficientemente il canale ritenendo il sedimento e prevenendo un’eccessiva erosione che destabilizzerebbe i versanti circostanti. Tuttavia, le opere idrauliche nei torrenti montani hanno un impatto non trascurabile sulle dinamiche di congiunzione del sedimento tra versante e canale e il suo trasferimento lungo quest’ultimo. Quindi, la valutazione degli impatti delle briglie sulle dinamiche del sedimento nei torrenti montani risulta di grande importanza per la manutenzione delle sistemazioni esistenti e per la progettazione di ulteriori opere. Negli ultimi vent’anni, l’evoluzione del paesaggio è stata sempre più studiata tramite dati topografici e con la realizzazione di Modelli Topografici Digitali (DTM) e di Differenze tra DTM (DoD). Nei torrenti montani, il rilevamento dei cambiamenti morfologici attraverso dati topografici multi-temporali permette di comprendere le dinamiche dei processi di erosione e di deposizione e ne permette l’analisi quantitativa. Lo scopo principale di questa tesi è quello di definire gli effetti di un sistema di briglie sulle dinamiche del sedimento in un canale ripido colpito da un’alluvione improvvisa. L’area di studio è il bacino del torrente Vegliato (UD), avente una superficie di 5 km2 e caratterizzato dalla presenza di diverse briglie. Per raggiungere questo obiettivo, due DTM, uno dell’anno 2019 e uno del 2022, derivanti da dati LiDAR (Light Detection and Ranging) sono stati utilizzati per creare dei DoD per rilevare e quantificare i processi di erosione e deposizione avvenuti durante la piena improvvisa del 2021 nel torrente Vegliato. L’approccio multi-temporale per il rilevamento dei disegni di erosione e deposizione permette di valutare l’impatto delle briglie sulla ritenzione del sedimento e sui suddetti processi geomorfologici. Le condizioni strutturali e funzionali delle opere sono state anche valutate grazie a rilievi di campo permettendo, quindi, di consolidare i risultati ottenuti con l’analisi dei DoD, dando un’ulteriore visione dettagliata della situazione corrente delle sistemazioni. In prima istanza, i rilievi di campo riportano come la maggior parte delle opere risulti in uno stato di distruzione o di pesante danneggiamento con funzionalità nulla o compromessa. Inoltre, dal momento che alcune briglie risultano ancora in buone condizioni ma presentano uno stato di sovralluvionamento, l’efficienza netta dell’intero sistema, la quale combina stato e funzionalità delle opere, è stimata tra il 25 – 30%. Dall’analisi del DoD è emersa una forte variabilità nei volumi di sedimento, con il canale profondamente colpito da flussi sedimentari e principalmente trasportati durante l’alluvione improvvisa nel periodo studiato. Delle macchie di profonda erosione sono visibili specialmente nella parte superiore del bacino con variazioni verticali nell’ordine di più metri. D’altro canto, le aree di deposizione sono per lo più presenti nella parte mediana e inferiore dell’area di studio e in corrispondenza di alcuni punti di deviazione del canale dove alcune briglie risultano aggirate. I risultati di questa ricerca riflettono l’importanza di un monitoraggio costante del sistema fluviale e delle loro opere di sistemazione. In più, i dati topografici multi-temporali permettono di ottenere un rilevamento dettagliato dei cambiamenti morfologici. Infine, l’uso combinato di dati da telerilevamento e dati ottenuti con rilievi in campo permettono un’appropriata manutenzione delle opere esistenti, considerando la necessità di ridurre i rischi per la cittadinanza.