individuazione con i dati satellitari InSAR di un'area in improvvisa subsidenza per una estrazione di acqua dal sottosuolo - considerazioni sulla utilità di un monitoraggio satellitare della subsidenza in generale

i Persistent Scatterers nel territorio regionale toscano

L’uso dei satelliti per monitorare la superficie terrestre e quanto vi avviene è ormai diventato una pratica consolidata. I recenti progressi dei sensori radar ad apertura sintetica (InSAR) hanno consentito alla comunità scientifica di identificare e monitorare diversi rischi geologici. L’uso dei dati radar si è rivelato particolarmente utile per monitorare la subsidenza, cosa molto difficile e laboriosa fino ad oggi perché occorrevano osservazioni geodetiche manuali, da fare quindi singolarmente: era impossibile quindi avere un buon numero di misure, sia nello spazio che nel tempo. Già con i sensori GPS la situazione è migliorata, potendo ottenere misurazioni continue, ma ovviamente i dati GPS necessitano della presenza di un sensore e quindi non si può andare a ritroso nel tempo prima della loro istallazione; invece con i dati radar satellitari si può tornare indietro di 30 anni, pur considerando che tempo di rivisitazione e densità del dato nelle elaborazioni di immagini di satelliti come ERS e ENVISAT non sono certo paragonabili a quelli offerti dalle costellazioni satellitari attive oggi, come Sentinel-1 dell’ESA.

La Regione Toscana è stata la prima regione al mondo a utilizzare con continuità i dati satellitari InSAR per il monitoraggio operativo del territorio. Questo a partire dal 2018 con i dati che partono dalla fine del 2014 e con un loro aggiornamento ogni 12 giorni, il tempo di rivisitazione di un satellite della costellazione Sentinel-1 (ne ho parlato qui). Un algoritmo di data mining sulle serie temporali di ciascun punto identifica anomale variazioni di tendenza, ovvero accelerazioni o decelerazioni brusche (Raspini et al, 2018). Alla scoperta di una anomalia vengono informate le autorità locali responsabili della gestione del rischio idrogeomorfologico. Dal 2016 sono state individuate diverse situazioni critiche di deformazione del suolo, che comprendono sia frane (Raspini et al, 2019) che cedimenti (Ezquerro et al, 2020).

il bacino di Firenze - Prato - Pistoia. La stella indica la zona in esame 

l'anomalia estremamente circoscritta nello stesso verso
sia in ascendente che in discendente dimostra la subsidenza

LA BRUSCA ACCELERAZIONE DELLA SUBSIDENZA A MONTEMURLO. Il comune di Montemurlo si trova sul lato occidentale del bacino di Firenze-Prato-Pistoia, una depressione del tutto simile alle altre del versante occidentale dell’Appennino settentrionale come Mugello, Casentino, Valdichiana, Valdarno superiore etc etc, ma che misterioamente non ha un nome geografico preciso e quindi per evitare proteste campanilistiche è chiamato con il nome dei 3 centri proncipali. La parte occidentale del bacino è stata storicamente interessato da una importante subsidenza dovuta al sovrasfruttamento delle risorse idriche per la domanda di serre, vivai e industria tessile. Il sottosuolo è formato spesso da materiale di riempimento in superficie, ma essenzialmente da strati di materiale limoso e argilloso alternati a sabbie e ghiaie.

Nel luglio 2017 fu notata una brusca accelerazione della subsidenza in un’area ristretta all’interno della zona industriale di Montemurlo, con valori significativamente superiori a -100 mm/anno, quando invece da ottobre 2014 e fino a quel momento erano rimasti intorno alla soglia di stabilità oscillando di ± 2 mm/anno. La corrispondenza delle velocità dei persistent scatterers sia in geometria ascendente che discendente hanno confermato la predominanza di un moto verticale in un’area quasi circolare, suggerendo la presenza di una subsidenza indotta da attività antropica. Nei mesi successivi l'area coinvolta nel fenomeno è aumentata.

Scomponendo la velocità lungo la Linea di Vista del satellite nelle componenti est-ovest e verticale si evidenzia un cono rivolto verso il basso, tipica situazione associabile in genere con il sovrasfruttamento di una falda acquifera (Medici et al, 2024).

le serie temporali identificano l'insorgenza improvvisa del problema e una ricostruzione in 3D della storia deformativa

sezione con litologia e livelli piezometrici

INDAGINI SUL TERRENO E MODELLISTICA. Una volta interpretata come reale la deformazione del suolo rilevata, come da procedura sono state avvisate le autorità preposte alla gestione del rischio idrogeologico per avviare le indagini di campo, con le quali i dati sono stati convalidati ed è stata avviata una campagna per il rilevamento di eventuali danni alle strutture vicine. L'obiettivo principale era quello di eseguire ulteriori indagini approfondite, identificare possibili cause e fornire una potenziale soluzione per ripristinare il precedente scenario idrologico non critico.

L'area identificata era molto vicina ai pozzi di pompaggio di una lavanderia industriale. Per confermare l'ipotesi di una relazione fra subsidenza e sfruttamento delle falde acquifere da parte di questa attività, sono stati raccolti sei volte da ottobre 2019 a ottobre 2021 i dati di pompaggio e livello dell'acqua di due pozzi, compresi quantitativo prelevato e piezometria.

Tramite gli indicatori di assestamento verticale sono stati rilevati spostamenti significativi nel tempo in due porzioni dei 3 fori di sondaggio esistenti a profondità di circa 38 e 86 m.

Per l’analisi è stato usato il software open source GBIS Geodetic Bayesian Inversion Software. La sezione A–A' dell'area di interesse intercetta i vari fori di sondaggio disponibili con geologia nota e mostra tutti i dati raccolti dell'analisi di subsidenza e la profondità della sorgente valutata dalla modellistica. Il grafico presenta i livelli piezometrici in diversi momenti, vale a dire 2010 (prima dell'evento, in azzurro), 2019 e 2020 (dopo l'evento, rispettivamente in blu e in blu scuro), e le componenti verticale e orizzontale della velocità ottenuti da MTInSAR. Lo spostamento verticale massimo risulta allineato con il livello piezometrico, in particolare dove si trova il pozzo della lavanderia industriale e la velocità di deformazione modella un cono di pompaggio: la loro combinazione consente di identificare facilmente una correlazione diretta tra deformazione e deflessione piezometrica dal 2017, confermando l'ipotesi dell'estrazione ad alta portata di acqua di falda come causa del problema.

i cluster in movimento in ascendente a sinistra e discendente a destra, 
ricavati con i dati di Sentinel-1 tra 2014 e 2018 (Festa et al, 2022)

InSAR E STUDIO DELLA SUBSIDENZA IN GENERALE. Solo un servizio continuo di sorveglianza satellitare poteva individuare immediatamente il problema, quindi il titolare dell'attività che preleva acqua è stato sfortunato, perché solo in Toscana e in pochi altri luoghi al mondo sarebbe stato possibile evidenziare in tempo reale il problema.  

Ma proprio per questo l'esempio dimostra come i dati InSAR possano essere utilizzati per la rilevazione precoce dei fenomeni di cedimenti improvvisi del terreno, allo scopo di suggerire l'adozione di efficaci soluzioni per la mitigazione del problema immediatamente dopo la sua insorgenza.

In particolare l'approccio adottato nel caso di studio di Montemurlo dovrebbe essere replicato in ogni area soggetta a subsidenza. Considerando la classificazione automatica condotta dai dati InSAR, il territorio italiano ha più di 300 aree classificate come subsidenza e più come potenziale subsidenza (Festa et al, 2022) a causa di diverse cause, ma soprattutto:

• sfruttamento eccessivo delle risorse idriche
• consolidamento naturale dei sedimenti
• sovraccarico per rapida urbanizzazione in suoli o sottosuoli soffici
• attività mineraria e estrazione di idrocarburi
• formazione di doline risultanti dalla dissoluzione carsica
• sfruttamento geotermico

Quasi tutte queste cause possono essere esacerbate dai cambiamenti climatici in corso negli ultimi decenni, in quanto i periodi di siccità stanno diventando più prolungati e le precipitazioni sempre più concentrate, sia temporalmente che spazialmente, incidono sulle dinamiche delle falde acquifere e quindi sui livelli piezometrici.

Nelle aree costiere la situazione è ancora più delicata, perché tra pompaggi eccessivi, subsidenza per compattazione e innalzamento del livello marino, si aggiunge il rischio della risalita del cuneo salino, che impatta sulla salute della vegetazione e degli animali e sui rifornimenti idrici a uso irrigo, industriale e idropotabile.

In Europa il riconoscimento delle aree soggette a subsidenza può essere effettuato utilizzando i dati dell'European Ground Motion Service (EGMS) del Copernicus Land Monitoring Service (CLMS). Però, dato il ritardo con cui arrivano i dati di EGMS, una volta individuate le aree interessate, per un monitoraggio più immediato dovranno essere implementati servizi come quello della Regione Toscana, che successivamente al 2018 sono stati adottati anche in altre aree, in Italia e all'estero.

BIBLIOGRAFIA

Ezquerro et al. (2020) Vulnerability assessment of buildings due to land subsidence using InSAR data in the ancient historical city of Pistoia (Italy). Sensors 20, 2749

Festa et al. (2022) Nation-wide mapping and classification of ground deformation phenomena through the spatia lclustering of P-SBAS InSAR measurements: Italy case study. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 189, 1–22 (2022).

Medici et al (2024) InSAR data for detection and modelling of overexploitation‐induced subsidence in the industrial area of Prato.pdf Scientific Reports 14:17950

Raspini et al. (2018) Continuous, semi-automatic monitoring of ground deformation using Sentinel-1 satellites. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25369-w

Raspini et al. (2019) Persistent scatterers continuous streaming for landslide monitoring and mapping: The case of theTuscany region (Italy). Landslides 16, 2033–2044.