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Gli indici climatici nella metodologia Pimenta e nella metodologia MEDALUS per l’individuazione delle aree

sensibili alla desertificazione in Sardegna

Dott. Agr. Giuseppe Bianco

Dott. Agr. Andrea Motroni

(1) CONSORZIO SAR srl - Servizio Agrometeorologico Regionale per la Sardegna

La Carta delle aree vulnerabili al rischio di desertificazione in Sardegna sulla base di parametri

meteorologici, fisiografici e pedologici

(1) CONSORZIO SAR srl - Servizio Agrometeorologico Regionale per la Sardegna

Giugno 2000

Desertification Prone Areas, Pimenta et al. (1997)

L’indice di aridità (UNEP):sinte-tizza qualitativamente le caratte-ristiche climatiche del territorio.

Ia = P / Etp

P = media delle piogge annualiETP = evapotraspirazione potenziale (Hargreaves)

Valori di Ia

Zona climatica

Valore del rischio

<0.5Aride o

semiaride3

0.5-0.65 Sub-umide 2

>0.65Umida o perumida

1

Indice della perdita di suolo: è la risultante della combinazione dei seguenti componenti:• componente di erosività, intensità della

pioggia mm/h;• componente edafica, carta dei suoli (Aru 1992);• copertura del suolo, Corine, IFRAS;• pendenza, DEM 250m.

Componente di erosività: capacità di erosione delle gocce di pioggia nel momento del loro impatto al suolo ed è legata alla energia cinetica della pioggia stessa.

Intensità (mm/h) Valore

< 60 1

60-67.5 2

67.5-75 3

> 75 4

Componente edafica: si è utilizzata, per l’individuazione dei tipi pedologici, la Carta dei Suoli della Sardegna (Aru et al., 1992), USDA Soil Taxonomy - 1988.

Situazioni ad alto rischio per tutte le aree:

•oltre i 1000 metri di altitudine con qualunque situazione di copertura pedologica;

•con suoli sviluppatisi su depositi eolici recenti (dune), prossime alle linee di costa e con una copertura vegetale costituita prevalentemente da rimboschimenti a conifere;

•aree umide in prossimità delle foci e degli stagni;

•nei suoli su formazioni calcaree cristalline.

Copertura del suolo: carta Corine land cover e quella dell'Inventario Forestale della Regione Autonoma della Sardegna,IFRAS

Risorsa naturale indice Risorsa naturale indice

Macchia rada e degradata 4 Aree agricole 3

Tessuto urbano 4 Macchia 3

Aree nude, sabbiose e degradate

4Boschi in via di rinnova-mento

2

Gariga 4Macchia con elementi arborei

2

Vegetazione fluviale 4 Latifoglie varie 1

Aree lacustri 4 Conifere varie 1

Pascolo con elementi arborei e/o macchia

3 Boschi compositi misti 1

Pendenza: si e' utilizzato un modello digitale del terreno (DEM), con una griglia regolare di 250 metri di lato

Classi di pendenza (%) Valore

<5 1

5-15 2

>15 3

Indice della perdita del suolo: è il prodotto delle sue singole componenti.Valore indice perdita

del suolo

Classificazione

1 a 4 Basso

4 a 17 Moderato

17 a 72 Medio-alto

72 a 144 Alto

Indice di siccità: esprime le variazioni del clima utilizzando i valori della pioggia e della temperatura (De Martonne-Gottmann).

P 12p

(----- + -----) /2T +10 t+10

P = precipitazione media annuaT = temperatura media annuap = precipitazione del mese consideratot = temperatura del mese considerato

Valore indice Clima Peso

Da 10 a 20 Semi arido 3

Da 20 a 30 Temperato caldo 2

Da 30 a 40 Temperato umido 1

Classe di rischioCopertura del territorio regionale (%)

Basso 6%

Moderato 28%

Medio 41%

Medio-alto 22%

Alto 3%

Carta delle aree vulnerabili al rischio di desertificazione in Sardegna sulla base di parametri meteorologici, fisiografici e pedologici

Carta di sintesi:•scala 1:250.000; •georiferita UTM ED 50; •il territorio regionale è suddiviso secondo5 classi crescenti di rischio didesertificazione. La suddivisione è ottenuta dalla somma dei valori dei singoli indici di partenza.

Le principali problematiche sono:

• la attribuzione soggettiva dei pesi;

• la scelta di significativi indicatori del fenomeno e coerenti con la scala di rappresentazione;

• la scelta dei dati di base che abbiano una certificazione intrinseca di qualità;

• nella metodologia applicata non si considera l’intervento antropico.

• la metodologia è sbilanciata verso i fattori climatici, le componenti suolo e vegetazione sono considerate solo parzialmente.

Metodologia MEDALUS

Scala 1:100000

Scala 1:250000

Giugno 2004

Resistenza alla siccità

Esposizione

Politiche di protezione

Intensità d’uso

Copertura vegetale

Protezione dall’erosione

Rischio d’incendio

Aridità

Precipitazioni

Pendenza

Drenaggio

Profondità

Pietrosità

Tessitura

Roccia madre

VQIIndice di

Qualità della Vegetazione

SQIIndice di

Qualità del Suolo

CQIIndice di

Qualità del Clima

MQIIndice di

Qualità della Gestione

ESAs

Tutte le informazioni e i valori degli indici e i relativi indicatori sono stati inseriti in un Sistema Informativo Geografico (GIS)

sotto forma di tematismi

Metodologia ESAs

Metodologia ESAs

Indice di qualità del climaClimate Quality Index (CQI)

Esposizione

Aridità

Precipitazioni

Precipitazioni

•Valore climatico del totale cumulato di precipitazione

•Periodo di riferimento 1971-2000

•Dati giornalieri da 200 stazioni meteorologiche

•Interpolazione trilineare a tre variabili (latitudine,

longitudine, quota) dei dati in una griglia regolare di

celle con passo 10 km x 10 km

4.0<2803

2.0280-6502

1.0>6501

IndicePrecipitazioni (mm)Classe

Griglia di celle 10 x 10 km

Calcolo dell’indice di aridità

Indice di Aridità di Bagnouls-Gaussen

BGI: indice di Bagnouls-Gaussen

kPiTiBGIn

i)2(

1−Σ=

=

Ti = temperatura media dell’aria nel mese i-esimo in °C

Pi = totale delle precipitazioni mensili in mm

ki = percentuale di mesi in cui 2Ti-Pi>0

Grafico di Bagnouls-Gaussen (curve umbrotermiche)

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

gen-61 feb-61 mar-61 apr-61 mag-61 giu-61 lug-61 ago-61 set-61 ott-61 nov-61 dic-61tem

pera

tura

med

ia m

ensi

le (

°C).

cum

ulat

o m

ensi

le d

i p

reci

pita

zion

e (m

m)

Pi

2Ti

Limiti

• Solamente atmosferico

• Non si prende in considerazione la componente suolo

Indice di aridità SAR-desertificazione

SETaPt

w −−=δδ

BILANCIO IDRICO MODIFICATO

S rappresenta il surplus

ETa l’evaporazione reale

P è la precipitazione

w è l’umidità del suolo

t è il tempo

Per surplus si intende la quantità di precipitazione che non evapora o rimane accumulata nel suolo e include il ruscellamento superficiale e sotterraneo.

(vedi Reed et al., 1997)

Dati climatici (P e T)

Dati agrometeorologici (ETo e ETa)

Dati pedologici (AWC)

GIS

Indice di Aridità Indice di Aridità -- Parametri utilizzatiParametri utilizzati

Dati climatici registrati e controllati da un punto di vista

qualitativo all’interno della banca dati climatica del S.A.R.

•Precipitazione •Temperatura minima e massima

la serie storica presa in considerazione è il trentennio 1971-2000

Stazioni meteoStazioni meteo

•Servizio Idrografico Regionale

•Aeronautica Militare

•Istituto di Agronomia e Coltivazioni Erbacee della Università degli Studi di Sassari


Spazializzazione dei dati

Temperatura:“optimum interpolation” (Chessa e Delitala)In funzione di latitudine, longitudine, quotae distanza dal mare

Precipitazioni:interpolazione trilineare,in funzione di latitudine, longitudine e quota.

La interpolazione dei dati è stata effettuata su una griglia regolare con celle di 10 km x 10 km sia per le temperatura minime e massime, sia per le precipitazioni. Per ciascuna cella della griglia è stato calcolato il valore di ETo.


X---XXXFAO Blaney-Criddle

---X--XHargreaves

---XXXXFAO Radiazione

-XX--XXPriestley-Taylor

-XX-XXXPenman-Monteith

--X-XXXFAO Penman (c=1)

--XXXXXFAO Penman corretto

-XX-XXXPenman (1963)

nGRnRguRHTMetodo

Parametri meteorologici necessari per l’applicazion e dei metodi di stima dell’ETo

Indice di Aridità Indice di Aridità ––Parametri derivati Parametri derivati -- EToETo

)8.17(0023.0 += TTR

ET da

THARG λ

aR radiazione solare extraterrestre [MJ m-2 d-1]

dT escursione termica mensile [°C]

λ calore latente di vaporizzazione [MJ kg-1]

Indice di Aridità Indice di Aridità ––Parametri derivati Parametri derivati -- EToETo

I valori di evapotraspirazione di riferimento sono calcolati colmetodo di

HARGREAVES - SAMANI

T)10361.2(501.2 3−−=λ

Carta ecopedologicadella Sardegna

Scala 1:250.000

Joint Research Centre

Dipartimento di Ingegneria del Territorio – Sezione di Geopedologia eGeologia Applicata dell’Università degli Studi di Sassari

Indice di Aridità Indice di Aridità -- Parametri pedologiciParametri pedologiciValori di AWC (Available Water Capacity)

Il modello di bilancio idrico è applicato su base giornaliera, pertanto, preliminarmente si è reso necessario ottenere una serie di dati stimati“quasi-giornalieri” attraverso la semplice suddivisione dei valori mensili per il numero dei giorni di ciascun mese.

Calcolo dell’evapotraspirazione effettiva - ETa

Nel suolo l’acqua viene estratta ad un livello potenziale finché non si raggiunge una soglia di contenuto idrico del suolo in corrispondenza della quale l’evapotraspirazione non è più controllata dalle condizioni meteorologiche, ma è progressivamente ridotta fino ad annullarsi quando si raggiunge il punto di appassimento, al quale l’acqua è trattenuta con una tale forza nel terreno da non essere più disponibile per le piante.

Indice di Aridità Indice di Aridità –– Applicazione del bilancioApplicazione del bilancio

Indice di Aridità Indice di Aridità –– Evapotraspirazione realeEvapotraspirazione reale

Per il calcolo dell’evapotraspirazione reale o effettiva si utilizza la funzione di estrazione dell’umidità del suolo o coefficiente di evapotraspirazione f che mette in relazione il tasso reale col tasso potenziale di evapotraspirazione basato sull’andamento del valore del contenuto corrente di umidità e la capacità idrica del suolo (Shuttleworth, 1993), secondo la formula

ETa = f * Eto

f = W/W*

W = contenuto idrico del

suolo in un dato giorno

W* = acqua disponibile

Stima dell’AWC (Available Water Content)

Il bilancio idrico modificato messo a punto non è solo atmosferico ma prende in considerazione anche il suolo

AWC = C.I.C. – P.A.

Per capacità idrica di campo (C. I. C.), o limite superiore di drenaggio,si intende il contenuto idrico di un suolo saturo di acqua che abbia raggiunto l’equilibrio gravitazionale dopo alcuni giorni di drenaggio

Il punto di appassimento (P. A.) permanente o limite inferiore di acquadisponibile è definito come il livello di contenuto idrico al quale le piante non sono capaci di assorbire acqua dal terreno in quantità sufficiente per l’accrescimento e iniziano ad appassire

viene ottenuto considerando la profondità effettiva di un determinato tipo di suolo e la capacità idrica del suolo disponibile per le piante (available water-holding capacity),espressa con un coefficiente. Ad esempio,un profilo di suolodella profondità di un metro con una available water-holdingcapacity uniforme di 0.15 presenta un valore totale della capacitàtotale di trattenere l’acqua di 150 mm

Il valore di AWC

Stima dell’AWC (Available Water Content)

0.150.210.36Argilloso

0.150.210.36Limoso-argilloso

0.150.190.34Limoso-argilloso-franco

0.170.150.32Limoso

0.150.150.30Limoso-franco

0.140.120.26Franco

0.130.100.23Sabbioso-franco

0.080.060.14Franco-sabbioso

0.080.040.12Sabbioso

ACQUA DISPONIBILEP. A.C. I. C.TESSITURA

Valori tipici dei parametri acqua-suolo per diverse classi di tessitura

Nel modello utilizzato, la capacità di trattenuta di acqua del terrenocoincide con l’acqua disponibile per le piante. Questo dato assumepertanto una valenza agronomica importante. Per la analisi della variabilità spaziale e temporale del bilancio idrico del suolo a scalaregionale, si è pertanto proceduto alla realizzazione di una stima dell’AWC (Available Water Content)

In funzione di:il tipo di suolola tessiturala profonditàla composizione chimica ecc.

(Prof. Salvatore Madrau del Dipartimento di Ingegneria del Territorio –Sezione Geopedologia e Geologia Applicata dell’Università di Sassari)

Calcolo del bilancio idrico

L’equazione seguente descrive come viene calcolato l’accumulo di acqua nel terreno:

ETofPww iii 11 −− −+=

in cui:wi = contenuto idrico del suolo nel giorno iwi-1 = contenuto idrico del suolo nel giorno precedenteP = precipitazioniETo= evapotraspirazione potenzialef i-1 = wi-1/w*= coefficiente di evapotraspirazione del giorno i-1w* = capacità idrica del terreno (AWC)

Il modello di bilancio idrico del suolo fornisce valori di umidità giornaliera per ciascuna cella della griglia, basati sui valori di precipitazione e di evapotrapirazione per il trentennio di riferimento e in base alle caratteristiche del terreno.

Per ciascun anno, i valori dell’indice di aridità sono stati determinati calcolando il numero di giorni con un contenutodi umidità del suolo al di sotto di differenti soglie di AWC (0%, 10%,25%, 50%, 75%). La soglia del 50% è stata scelta per il calcolo dell’indice di aridità con lo scopo di evitare sovrastime e sottostime dell’indice e per ottenere una buona variabilità spaziale

Esempio dell'andamento dell'umidità del suolo per i l decennio 1980-90

0

25

50

75

100

gen-

81

lug-

81

gen-

82

lug-

82

gen-

83

lug-

83

gen-

84

lug-

84

gen-

85

lug-

85

gen-

86

lug-

86

gen-

87

lug-

87

gen-

88

lug-

88

gen-

89

lug-

89

gen-

90

lug-

90AW

C -

% a

cqua

dis

poni

bile

CIC

PA

soglia

Indice di aridità – SAR desertificazione

2.0>1656

1.8151-1655

1.4136-1504

1.2121-1353

1.1106-1202

1.095-1051

IndiceGiorni di deficit idricoClasse

Esposizione

L’esposizione dei versanti è considerata un fattore importante per i processi di degrado del territorio, poiché influenza il microclima attraverso l’angolo e la durata dell’incidenzadei raggi solari sulla superficie del suolo. In ambiente mediterraneo, aree con esposizione dei versanti a sud e ad ovest sono raggiunte da una quantità di energia solare incidente maggiore; sono quindi più calde, presentano valori di evapotraspirazione maggiori e una conseguente minore capacità di trattenere l’acqua, rispetto ai versanti esposti a nord e ad est. Nei versanti sud ed ovest il recupero della vegetazione è pertanto più lento e i tassi di erosione sono più elevati rispetto ai versanti nord ed est

2.0SO-SE2

1.0NO-NE1

IndiceEsposizioneClasse

Il dato cartografico di base utilizzato per il calcolo delle esposizioni è il DEM (Digital Elevation Model) con una risoluzione spaziale di 20 metri. Un dato così dettagliato, ma necessario data la scala di lavoro, presenta il vantaggiodi distinguere i versanti nord dai versanti sud, individuando, ad elevato dettaglio, condizioni microclimatiche ed energetiche differenti, che influenzano notevolmente i processi erosivi legati alla presenza o assenza della vegetazione. Un dettaglio cosìelevato, però, presenta il problema di sovrastimare l’esposizione nelle aree in cuila pendenza non è tale da determinare la formazione di un versante. Pertanto, dopo un’attenta analisi, si è deciso di non considerare l’esposizione delle aree con pendenza inferiore al 5%, considerandole pertanto alla stregua di aree di pianura (quindi con indice pari a 1), come riportato nella tabella seguente:

2.0Versanti SO-SE

2

1.0Pendenze <5%, aree di pianura,versanti NO-NE

1


2.0Versanti SO-SE2

1.0Pendenze <5%, aree di pianura,versanti NO-NE

1


2.0SO-SE2

1.0NO-NE1


Indice di Qualità del Clima (CQI)

CQI = (precipitazione x aridità x esposizione) 1/3

>1.81Bassa qualità3

1.15-1.81Moderata qualità2

<1.15Alta qualità1

RangeDescrizioneIndice di Qualità del Clima

Indice di Qualità del Clima

Risultati

Il risultato finale dell’applicazione della metodologia è l’ottenimento di un indice riassuntivo, dato dalla combinazione degli indici di qualità ambientale (suolo, clima, vegetazione) edell’indice di qualità della gestione, di sensibilità delle aree ESAsalla desertificazione. La tecnologia GIS ha consentito di calcolare, sotto forma di carta tematica, la media geometrica dei quattro indicatori, intesi come piani informativi:

Metodologia ESAs

ESAI = (SQI * CQI * VQI * MQI)ESAI = (SQI * CQI * VQI * MQI)1/41/4

ScalaScaladello studiodello studio1:2500001:250000

Suddivisione del territorio della

Sardegna in aree ESAs

critiche 52%

fragili 37%

potenziali 4%

non soggette 1%

non classificate

5%

fragili F3 13%

critiche C3 13%

critiche C2 27%

critiche C1 14%

fragili F216%

fragili F1 7%

Critiche C1Critiche C1

12%12%


29%29%


11%11%

Fragili F1Fragili F1

7%7%


16%16%


14%14%

PIMENTA MEDALUS

3%Alto

22%Medio-alto

41%Medio

28%Moderato

6%Basso

Percentuale di copertura del

territorio regionale

Classe di rischio

4%Potenziale

7%Fragile F1

11%Critica C3

29%Critica C2

12%Critica C1

14%Fragile F3

16%Fragile F2

Percentuale di copertura del

territorio regionale

Classe di rischio

PIMENTA MEDALUS

CONCLUSIONI

• Maggiore completezza della metodologia ESAs vs Pimenta

• Maggior dettaglio dell’indice di aridità che considera anche la componente pedologica

• In base alla soglia di AWC scelta, si ottengono chiaramente risultati diversi

• Difficoltà nel paragonare i due risultati

Limiti/suggerimenti:�Opinabilità dei pesi assegnati

�Classi di Precipitazioni

�Intensità delle precipitazioni?

�Indice di aridità basato sul bilancio idrico

�Correzione dell’esposizione

�Classi di vegetazione difficili da individuare

�Fotografia statica � aggiornamento dinamico

�Incendi e superficie interessata?

�Nessun indicatore demografico

�(Abbandono delle campagne, sovrapopolamento delle coste)

Rocce nude, corpi d’acqua, aree urbane.NON CLASSIFICATA

Aree altamente degradate, caratterizzate da ingenti perdite di materiale sedimentario e in cui i fenomeni di erosione

sono evidenti

CRITICA

Aree limite, in cui qualsiasi alterazione degli equilibri tra risorse ambientali e attività umane può portare alla progressiva desertificazione del territorio. Ad esempio, il prolungarsi delle condizioni di siccità può portare alla riduzione della copertura vegetale e a successivi fenomeni di erosione

FRAGILE

Aree a rischio di desertificazione qualora si verificassero condizioni climatiche estreme o drastici cambiamenti nell’uso del suolo. Si tratta di terre abbandonate gestite in modo non corretto nel passato

POTENZIALE

Aree con terreni profondi o molto profondi, quasi pianeggianti, ben drenati, con condizioni climatiche semi-aride o più bagnati.

NON SOGGETTA

Descrizione Tipo

Carbonia Aree sensibili alla Desertificazione ESAs

non soggette0,3%

potenziali4%

fragili 36%

critiche52%

non classificate20%

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