L'intelligenza artificiale avverte le colate detritiche
Di solito c'è poco tempo per avvertire della presenza di detriti e smottamenti. Utilizzando il monitoraggio sismico e l'apprendimento automatico, i ricercatori dell'ETH di Zurigo e del WSL hanno sviluppato un sistema di allarme in grado di segnalare tempestivamente le colate detritiche nell'Illgraben.
Le colate detritiche sono miscele di detriti, terra e acqua. Spesso si verificano in occasione di forti precipitazioni su terreni alpini scoscesi e si riversano a valle in modo incontrollato attraverso gole e torrenti di montagna. Solo in Svizzera si verificano diverse centinaia di eventi all'anno. Il cambiamento climatico favorisce questo fenomeno naturale, perché i suoli di permafrost stanno diventando sempre più instabili e gli eventi meteorologici estremi sono in aumento. Se le colate detritiche sono particolarmente grandi o si verificano in luoghi inaspettati, hanno un notevole potenziale distruttivo che minaccia le persone, le infrastrutture e l'ambiente.
I sistemi di allarme svolgono un ruolo importante nel ridurre al minimo il pericolo nelle aree esposte. ? fondamentale riconoscere l'avvicinarsi di masse di fango e detriti nel modo più precoce e affidabile possibile. Oggi i sistemi di allarme si basano su strumenti che di solito devono essere installati in tratti di valle accessibili e a bassa quota. Ciò significa che registrano gli eventi solo relativamente tardi - un problema diffuso nel rilevamento delle colate detritiche.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo e del WSL hanno sviluppato un nuovo tipo di rilevatore in grado di riconoscere le colate detritiche in una fase precedente. Il rilevatore identifica anche le scosse più piccole a distanza di sicurezza, che causano colate detritiche poco dopo il loro innesco. Gli scienziati guidati da Fabian Walter, l'ETH, professore di sismologia dei ghiacciai, hanno presentato il loro nuovo approccio nella rivista scientifica pagina esternaLettere di ricerca geofisica prima.
Misurazioni nel sito di prova della colata detritica di Illgraben
I ricercatori hanno scelto l'Illgraben nel Canton Vallese per il loro studio. Sui ripidi pendii del bacino idrografico superiore del canale, il materiale roccioso e terroso si stacca frequentemente, creando talvolta enormi valanghe di detriti e fango, che rotolano per due o tre chilometri attraverso la gola profondamente incisa dell'Illgraben. Poi raggiungono la valle principale e percorrono di nuovo la stessa distanza prima di sfociare nel Rodano. Da ben 20 anni il WSL gestisce un osservatorio con stazioni di misurazione lungo l'Illgraben per studiare la formazione e il movimento delle colate detritiche e per determinarne la massa, la densità e la velocità.
Negli anni '60, il canale inferiore dell'Illgraben è stato risanato e messo in sicurezza con diverse dighe, in modo che la maggior parte delle colate detritiche rimanga nel canale e non metta in pericolo i terreni circostanti, come la foce dell'Illgraben nel Rodano. Poiché diversi sentieri escursionistici passano vicino al fosso e attraverso il canale, dal 2007 un sistema di allerta precoce segnala le colate detritiche.
Questo sistema si basa su sensori presenti nel letto del torrente, tra cui geofoni, dispositivi di misurazione radar e laser e videocamere. Sebbene gli strumenti rilevino in modo affidabile le colate detritiche in transito, possono essere utilizzati solo nella parte bassa della valle, dove il torrente è accessibile. Questo limita il tempo di allerta a pochi minuti.
Rilevamento delle colate detritiche con sensori sismici
Il nuovo studio affronta questo punto debole. "Vogliamo rilevare le cadute di massi e le colate detritiche il più precocemente possibile, in modo da avvertire la popolazione delle aree a rischio con sufficiente anticipo", spiega Ma?gorzata Chmiel, prima autrice del lavoro e ricercatrice post-dottorato di Walter.Ma?gorzata Chmiel, prima autrice dell'articolo e ricercatrice post-dottorato nel gruppo di ricerca di Walter presso il Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia (VAW) dell'ETH di Zurigo. Invece di monitorare i flussi detritici con strumenti convenzionali, Walter e il suo team utilizzano sensori sismici, normalmente impiegati per misurare i terremoti.
I sismometri possono essere utilizzati anche per registrare le vibrazioni delle colate detritiche. A seconda delle dimensioni dell'evento, queste possono trovarsi anche a diversi chilometri di distanza. "Ciò significa che le colate detritiche possono essere potenzialmente rilevate anche quando si trovano ancora in aree più elevate e inaccessibili", spiega Walter, illustrando il vantaggio del nuovo sistema di monitoraggio. A tal fine, i ricercatori hanno installato una rete di sismometri intorno al bacino idrografico dell'Illgraben.
Punto cruciale: il rilevamento automatico
La vera sfida, tuttavia, è stata quella di creare un rilevatore in grado di distinguere specificamente le vibrazioni di una colata detritica dalle altre vibrazioni del terreno in un flusso continuo di dati sismici. Questo perché anche le mandrie di mucche, i cantieri lontani o il traffico ferroviario e stradale fanno tremare la terra.
Il team di Walter si è affidato all'apprendimento automatico, un metodo di intelligenza artificiale in cui un computer utilizza dati di addestramento per imparare autonomamente a riconoscere modelli in grandi serie di dati. I ricercatori hanno addestrato l'algoritmo di apprendimento con i segnali di precedenti movimenti di massa registrati all'Illgraben, per un totale di 22 eventi. Hanno poi testato il sistema in condizioni reali con dati di monitoraggio sismico in tempo reale.
Il risultato: delle 13 colate detritiche e dei piccoli eventi alluvionali che si sono verificati nell'Illgraben nell'estate 2020, il rilevatore AI ha riconosciuto in modo affidabile ogni singolo evento - senza generare falsi allarmi. "L'algoritmo ha rilevato già le prime scosse di colate detritiche che si sviluppano in alto", sottolinea Walter. A Illgraben, questo ha aumentato i tempi di allerta di almeno 20 minuti rispetto ai sistemi di rilevamento esistenti. "Si tratta di un enorme miglioramento", afferma Walter.
Generalista o specialista?
Con il loro studio, gli scienziati hanno dimostrato che le colate detritiche possono essere riconosciute precocemente utilizzando i dati sismici e l'apprendimento automatico. L'Illgraben rappresenta un laboratorio naturale ideale e l'approccio funziona bene. Tuttavia, il metodo richiede un'ampia serie di segnali di colate detritiche per addestrare l'algoritmo. "Tali dati di addestramento non sono quasi mai disponibili altrove", ammette lo specialista in movimenti sismici di massa.
Non è ancora chiaro in che misura il rilevatore addestrato sull'Illgraben sia in grado di riconoscere in generale anche le colate detritiche in altri bacini idrografici. I ricercatori intendono ampliare l'algoritmo in futuro, in modo che possa funzionare anche con una quantità minore di dati di addestramento, o forse addirittura senza dati di addestramento specifici del luogo.
Cooperazione per il rilevamento precoce dei pericoli naturali
Ma le ambizioni dei ricercatori vanno oltre. Il nuovo rivelatore è una prima pietra miliare di un progetto globale tra WSL e Swisscom Broadcast. La cooperazione nel settore della ricerca, in cui è coinvolto in modo significativo anche il gruppo di Walter, mira a migliorare il monitoraggio dei movimenti di massa nella regione alpina. A tal fine, Swisscom Broadcast sta sviluppando una piattaforma che riunisce flussi di dati provenienti da diverse fonti e li analizza in tempo reale per individuare tempestivamente i pericoli naturali.
Attualmente, la piattaforma dei pericoli naturali è alimentata principalmente dai sensori sismici di Fabian Walter e dai sismografi del Servizio Sismologico Svizzero. I ricercatori stanno lavorando per integrare in futuro altre fonti di dati rilevanti, dai valori delle precipitazioni e dalle misurazioni del permafrost al monitoraggio sismico con cavi in fibra ottica e un gran numero di sensori dell'Internet of Things. "Per elaborare queste enormi quantità di dati sono necessari metodi di big data e algoritmi intelligenti", afferma Walter. Il rilevatore AI per le colate detritiche è un primo passo in questa direzione".
Discussione in workshop con Fabian Walter
Dal 2015 Fabian Walter è assistente alla cattedra di sismologia dei ghiacciai presso l'ETH di Zurigo, finanziata dal Fondo Nazionale Svizzero (FNS). Questo studio è stato sostenuto dal Canton Vallese, dal WSL, dal FNS, dal Servizio Sismologico Svizzero e da Swisscom Broadcast.
Riferimento alla letteratura
Chmiel M, Walter F, Wenner M, Zhang Z, McArdell BW, Hibert C: pagina esternaL'apprendimento automatico migliora l'allarme sulle colate detritiche. Geophysical Research Letters (2021), doi: pagina esterna10.1029/2020GL090874
Ulteriori informazioni
- pagina esterna call_made Pericoli naturali: un sistema di monitoraggio innovativo testato con successo (Workshop talk, 28.11.2019)
- chevron_right Ricerca sui movimenti di massa alpini presso il VAW
- pagina esterna call_made Ricerca sulle colate detritiche al WSL: il sito di prova delle colate detritiche di Illgraben, Susten-Leuk (VS)