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Re: [udig-dev] [udig-devel] GSoC'13 WR#2 – Hydrologically controlled landslides susceptibility tool for uDig
Dear Riccardo,

this mail is the most welcome since the concept of concentration time was exactly what took Cristiano and me the most of our meeting's time. t_c was something I had completely missed even in the second re-reading of the papers, mostly as was given as assumed in an educated reader (which I am not!)
So I will gladly go through those materials in the next days of the week and let all you know of any blocking issue.

The more people get involved in the project, the more I feel compelled to succeed! Gosh!

In the meantime, thank you again for this mail: I really appreciate it.

Marco



2013/7/3 Riccardo Rigon <rccrd.rgn@xxxxxxxxx>
Dear Marco,

in this moment I am out of town (actually in a summer school that could have been useful to you), and I am not able, I guess, to send out email with the account with which I am subscribed to the list. Feel free to forward the email I am sending to you to the mailing list if appropriate.

One source of information of Cristiano work is on-line here:


(papers included)

but what it is important for you  right now is to understand how water moves in hillslope (besides knowing about the stability problem, the second step).
For this task there are various presentation in my blog which regards my hydrology course,
 

but particularly I would suggest:


#13 in the course. 

Richards equation are actually not so important for your task, since you use some simplifications (on which I am talking tomorrow about: if they take a video, I will forward it to you ASAP). these were covered partially in this talk in Bologna:


At the very end I am also talking about some of the simplifications used by Cristiano from slide 64.

One concept you have to get is the one of concentration time (tempo di corrivazione in Italian): the timing at which the last molecule of water fallen in a catchment after a single instanteneous rainfall arrives at the outlet. I wrote  in Italian a comment that can help you, and is below my signature.

Rimango a disposizione per ogni chiarimento. Ad ogni modo anche Giuseppe Formetta che riceve in copia puo' essere di grande aiuto, essendo sia un conoscitore della fisica dei problemi che dei jgrasstools.

ric

Tempo di corrivazione

Spiegazione la piu' semplice possibile (o meglio che io riesca a fare) del funzionamento di *-SLAM e affini.

Il problema e' quello di usare la formula (o, le formule, visto che ce ne sono varie) del pendio infinito usando l'effettiva area contribuente all'istante t. Per calcolarla e' necessario calcolare, per ogni pxl, il tempo di corrivazione, t_c del suo bacino contribuente. 

Per tempi inferiori di t_c contribuisce infatti solo una porzione di area inferiore alla TCA (total contributing area). La stima di quanta  ne contribuisca  dipende dal metodo di calcolo del deflusso sub-superficiale.

Tutti questi modelli assumono che il moto:
- sia Darciano,
- avvenga a saturazione.

Pertanto la velocita' (il modulo della) di scorrimento in ogni pxl e' (approssimativamente, cioe' avendo confuso pendenza del bedrock con pendenza della falda, e considerando la conducibilita' idraulica a saturazione):
v = \frac{K_s}{\phi} \nabla \zeta
dove K_s e' la conducibilita' idraulica a saturazione [L/T] , \phi la porosit\`a [-], e \nabla \zeta [-] il modulo del gradiente topografico, se \zeta e' la superficie del terreno. 
Sulla base di questa determinazione della velocita' sotterranea, e' possibile calcolare la width function "sotterranea" in modo concettualmente del tutto analogo con quanto si fa con la wf di superficie, ma avendo l'accortezza di considerare direttamente i tempi di residenza t = L/v (dove L e' la lunghezza del pxl che varia a seconda della direzione) e quindi di ottenere una wf funzione di t e non di x. 
 
Il tempo di corrivazione e' definito solo se si assume un trasporto di tipo cinematico, cioe' senza diffusione, che comporta che il dominio della wf e' finito. t_C e' infatti l'estensione del dominio.

Quindi per calcolare t_c per ogni punto bisogna calcolare le wf di tutti i punti e di ciascuna wf memorizzare il dominio. 
A seconda delle semplificazioni che si fanno nei calcoli successivi, potrebbe pero' servire memorizzare, per tutti i punti tutte le wf. 

Borga et al. infatti fa questo (cosi' mi hanno raccontato, almeno). L'integrale della wf (come funzione di t), che varia tra zero ed uno, se normalizzato con la TCA del pxl,  rappresenta la porzione di area che contribuisce ad un determinato istante ed e' quella che entra nel calcolo di FS.

Calcolare tutte le wf per tutti i punti e' oneroso computazionalmente, sia in termini di tempo di calcolo che in termini di memoria occupata (e difatti i calcoli di Borga impiegano giorni per essere eseguiti … anche perche' forse non son fatti in modo furbo). 

Una semplificazione, per conservare RAM,  e quella di conservare solo il tempo di corrivazione e di considerare che al tempo t < t_c  contribuisca solo la frazione di area a(t) = t/t_c. 

Durante la fase transitoria (cioe' sino a che non sia stato superato il tempo di corrivazione di tutti i punti) puo' accadere che punti a monte abbiano un'area contribuente maggiore di punti a valle. 

L'osservazione ulteriore di Cristiano e' che la derivazione di cui sopra e' basata su un assunto, e cioe' che il tempo di corrivazione di un bacino e' calcolabile come sopra se e solo se l'infiltrazione verticale non gioca alcun ruolo fondamentale nel processo e, nella sostanza, si formi istantaneamente una falda sul bedorock, all'inizio della precipitazione. 

Questo non e' mai vero. Come prima approssimazione si deve aspettare un tempo, ti, che corrisponde al tempo necessario per costruire una falda alla profondita' desiderata. La complicazione introdotta da questo e' che bisogna aspettare questo tempo ti prima di calcolare il tempo di corrivazione, che diventa ti + t_c. Inoltre prima di ti, t < ti,  a(t) = 0.

Se il bedrock e' poi irregolare, allora ogni pxl ha un ti diverso e quindi la falda si forma in punti diversi in tempi diversi e si puo avere una falda formata a "patches". Le patches non connesse all'uscita non contribuiscono all'alimentazione, ma nel momento in cui si connettono provocano un subitaneo aumento dell'area contribuente e, di conseguenza, un aumento di portata e dell'instabilita'.  Cristiano nel suo lavoro ha semplificato, considerando quindi che il massimo contributo di area contribuente e' generato al tempo t_C  = max (ti+t_c) dove il massimo e' cercato tra tutti i punti a monte del pxl considerato. 



On Jul 2, 2013, at 12:27 PM, Marco Foi <foimarco@xxxxxxxxx> wrote:

Dear Prof. Rigon, it seems your mail was not recorded by the mailing-list server

Anyway.. ..I am very happy to hear your interest for the project.
And I am even happier since your help can be very useful in this early part of the project.

What could be of most value to me is some reference to hydologic papers/documents covering basic concepts involved in model.
As Lanni pointed out, a minimum domain knowledge (actually not so 'minimum') is required to develop the model into a tool.. ..but I have very limited time to grow such understanding.
A carefully selected bibliography of online available materials (no library at hand from where I am now) would be of utmost importance!
I hope this is not a too trivial or offending task for you.. ..since this is what I really need now, also to save all of you from an infinite sequence of isolated questions.

Thanks a million.
Marco






2013/6/29 Riccardo Rigon <rccrd.rgn@xxxxxxxxx>
Dear Marco,

if you need any help from me (on the hydrological part), I will be happy to help. The next two weeks I will be at a summer school and then I will take a short vacation. Eventually I will be available full time. 

riccardo

On Jun 29, 2013, at 7:44 PM, Marco Foi <foimarco@xxxxxxxxx> wrote:

Hi mates!

I’m Marco and am working on the development of a tool to assess susceptibility of hydrologically controlled shallow landslides. The software will be based on the Ph.D. Environmental Engineering thesis by Lanni C. (2012) and will consist of a model available for use within the uDig/JGrass Spatial Toolbox

These are the tasks I’ve been doing during this second week:

• What did I do this week?

- I kept studying the original work from Cristiano Lanni to fill my gap in hydrology: http://eprints-phd.biblio.unitn.it/779/
- Manager to travel to Bolzano to meet Cristiano and discussed with him the several hard points in his work.
- Unexpectedly recovered from Cristiano an implementation of the algorithm written for the R environment

• What will I be working on next week?

- Changing the original plan, I will review the newly found script to match equations in the published paper with the code so to gain the in-depth knowledge required to carry out the development.

• Did I meet with any stumbling blocks?

- I definitely underestimated the level of comprehension of the subject required to be able to perform the development. This will make me use some more time (one week) in this preliminary stage before getting down to code.

Best regards,
Marco

_______________________________________________
User-friendly Desktop Internet GIS (uDig)
http://udig.refractions.net
http://lists.refractions.net/mailman/listinfo/udig-devel

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Universita` di Trento         Dipartimento di Ingegneria Civile  e  Ambientale/CUDAM
Via Mesiano, 77, 38050  Trento      (ITALIA)                
Ph: +390461282614-10    Fax:+390461282672
Publications according to ISI: http://www.researcherid.com/rid/B-5395-2008
JGrass (Open Source GIS): http://www.jgrass.org/
Next JGrass development: http://www.jgrasstools.org
GEOtop (Open Source distributed hydrological model):  http://www.geotop.org/
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