Assessment of the use of particles' morphometry for sediment fingerprinting

In recent years, several models have been proposed to describe sediment transport at basin scale. Some use connectivity concepts to allow the assessment of the impacts associated with alternative water management scenarios. However, since connectivity cannot (to date) be directly measured in the field nor remotely sensed, the identification of a measurable property allowing the inference of some transport characteristics, e.g. source locations, travel distances, residence time, would represent a significant improvement for model calibration. Recent studies on sediment attrition claim the existence of a “universal” relation between particles relative mass-loss (µ) and their circularity (C) and suggest that this relation might be useful for inferring the distance travelled (L) by individual particle (Novák-Szabó et al., 2018). Since collecting data about the mass-loss of individual particles in the field is not feasible using techniques available to date, it would be advantageous to assess whether it would be possible to establish a theoretical relationship between µ and L. Sternberg in 1875 suggested the exponential decrease of mass with the distance (Krumbein, 1941). Nevertheless, the coefficient which describe the speed with which the mass varies is unknown. Since the initial mass of the particles at the source points are unknown, an alternative could be the study of the exponential increase of µ with L. In this research, samples of metabasalts have been collected within the Sarzana River basin, located in North-East Italy. The digital images collected were then processed for deriving a series of shape characteristics. In order to overcome the limitations with respect to accuracy of segmentation in presence of shadows of available methods, a new segmentation model has been developed. This allowed the removal of the main effect produced by the shadows, reaching an accuracy of the model higher than 90%. Finally, the abrasion coefficients (k) that describe the particles’ mass degradation were estimated through a sequence of functions that relates C, µ and L. A sensitivity analysis has also been performed to infer the influence of the uncertainty on the estimation of C and k on the estimated values of L. This showed that, under the hypothesis of an accuracy of the estimations of circularity and abrasion coefficient of ~10-2, the accuracy of travelled distance cannot fall below 20%. Furthermore, the application of a sequence of two increasing function revealed a relevant dispersion of the distances, leading to errors of more than one order of magnitude.

Negli ultimi anni sono stati proposti diversi modelli per descrivere il trasporto dei sedimenti su scala di bacino. Alcuni utilizzano il concetto di connettività per valutare gli impatti associati a diversi scenari legati alla pianificazione e progettazione di interventi antropici. Tuttavia, poiché la connettività non può (ad oggi) essere misurata direttamente sul campo né percepita a distanza, l'identificazione di una proprietà misurabile che consenta l'inferenza di alcune caratteristiche di trasporto, ad es. luoghi di origine, distanze di viaggio, tempo di residenza, rappresenterebbe un miglioramento significativo per la taratura del modello. Studi recenti sull'attrito dei sedimenti affermano l'esistenza di una relazione "universale" tra la perdita di massa relativa delle particelle (µ) e la loro circolarità (C) e suggeriscono che questa relazione potrebbe essere utile per dedurre la distanza percorsa (L) dalle singole particelle (Novák-Szabó et al., 2018). Dal momento che la raccolta di dati sulla perdita di massa di singole particelle in campo non è fattibile utilizzando tecniche finora disponibili, sarebbe vantaggioso valutare se sia possibile stabilire una relazione teorica tra µ e L. Sternberg nel 1875 suggerì la diminuzione esponenziale della massa con la distanza (Krumbein, 1941). Tuttavia, il coefficiente che descrive la velocità con cui la massa varia è sconosciuto. Poiché la massa iniziale delle particelle nei punti di origine è sconosciuta, un'alternativa potrebbe essere lo studio dell'aumento esponenziale di µ con L. In questa ricerca sono stati raccolti campioni di metabasalti all'interno del bacino del fiume Sarzana, situato nel Nord-Est Italia. Le immagini digitali raccolte sono state poi elaborate per ricavare una serie di caratteristiche di forma. Al fine di superare i limiti legati alla precisione dei metodi di segmentazione ad oggi disponibili, è stato sviluppato un nuovo modello. Questo ha permesso la rimozione dell'effetto principale prodotto dalle ombre, raggiungendo un’accuratezza del modello superiore al 90%. Infine, i coefficienti di abrasione (k) che descrivono l’erosione di massa delle particelle sono stati stimati attraverso una sequenza di funzioni che si riferiscono a C, µ e L. È stata inoltre effettuata un'analisi di sensibilità per dedurre l'influenza dell'incertezza sulla stima di C e k sui valori stimati di L. Ciò ha dimostrato che, nell'ipotesi di una precisione delle stime della circolarità e del coefficiente di abrasione di ~10-2, la precisione della distanza percorsa non può scendere al di sotto del 20%. Inoltre, l'applicazione di una sequenza di due funzioni crescenti ha dimostrato una rilevante dispersione delle distanze stimate, portando ad errori di più di un ordine di grandezza.