Catchment-scale transport phenomena: rainfall intermittency, age of runoff, anthropic catchment management

La complessità dei fenomeni di trasporto alla scala di bacino deriva dall'interconnessione di diversi processi su diverse scale temporali e spaziali. La risposta idrologica e biogeochimica dei bacini è il prodotto di interazioni altamente non lineari tra le forzanti meteorologiche, le eterogeneità del territorio e le attività umane. Di conseguenza, semplici analisi sperimentali non permettono un'adeguata comprensione dei processi coinvolti, e l'analisi di questi fenomeni rappresenta un obiettivo ambizioso. Tuttavia, l'esplorazione di questi processi è importante per valutare i controlli dominanti su meccanismi di trasporto alla scala di bacino e predirne la risposta idrologica e biogeochimica a perturbazioni climatiche ed alla gestione del territorio. Questo è particolarmente importante nel caso di ecosistemi in cambiamento, dove una profonda comprensione dei processi è fondamentale per una corretta gestione del territorio e delle risorse idriche. Lo scopo di questa tesi è l'analisi di fenomeni di trasporto alla scala di bacino attraverso l'applicazione di nuovi approcci modellistici a casi studio di interesse. A questo scopo si è utilizzato sia un approccio probabilistico sia un approccio deterministico: il primo richiesto dalla natura casuale di numerosi processi fisici coinvolti, il secondo necessario per analizzare le dinamiche sotto condizioni ben definite. Lo studio è supportato da una robusta analisi dei dati disponibili, il cui scopo non è semplicemente quello di validare i modelli ma piuttosto di fornire una comprensione più approfondita delle dinamiche in gioco. Gli effetti di fluttuazioni idrologiche nel lungo termine sono simulati attraverso distribuzioni di probabilità stazionarie relative a grandezze fisiche rilevanti. Questo approccio modellistico fornisce una relazione causale tra la fluttuazione giornaliera della pioggia e la fluttuazione giornaliera dei deflussi, la quale, a sua volta, è messa in relazione con l'atezza di moto nei corsi d'acqua ed infine con i processi rimozione di nutrienti nelle reti idrografiche. Tale approccio stocastico è successivamente utilizzato per valutare l'effetto delle fluttuazioni giornaliere delle precipitazioni sulla variabilità inter-annuale del bilancio idrico alla scala di bacino. L'applicazione del modello ad un esteso numero di bacini sperimentali, distribuiti sul territorio degli Stati Uniti, mostra come esistano alcune regioni dove le fluttuazioni della pioggia giornaliera rappresentano il controllo principale sulla la variabilità inter-annuale del bilancio idrico, ed altre regioni dove questa variabilità è determinata da altri processi che non necessariamente avvengono alla scala giornaliera. Un modello deterministico, detto Mass Response Function (MRF), è utilizzato per valutare l'effetto delle eterogeneità del suolo e dei meccanismi di mescolamento sulla risposta idrologica e biogeochimica dei bacini. Il concetto principale che caratterizza questo approccio si basa sull'assunzione che l'evoluzione degli impulsi di acqua e soluti che si muovono nel suolo sia prevalentemente governata dal relativo tempo di residenza. L'applicazione del modello MRF ad uno studio di traccianti effettuato utilizzando nitrati e litio suggerisce che i deflussi sono composti da un insieme di impulsi aventi differenti età e che, almeno nel caso in esame, l'effetto di flussi preferenziali non mescolati può essere trascurato. Il modello MRF è stato successivamente accoppiato con un modello detto `source zone' atto a simulare il rilascio di pesticidi dallo strato superficiale del suolo in bacini intensamente antropizzati. L'aggiunta di questo secondo modello si è dimostrata necessaria per rappresentare accuratamente le dinamiche di trasporto dei pesticidi. L'applicazione ad un caso di studio sperimentale suggerisce come la previsione della risposta agro-chimica richieda un'accurata conoscenza della pratiche agricole utilizzate. In particolare, l'intervallo tra la data di applicazione dei pesticidi e i primi eventi di pioggia successivi sembra costituire il fattore principale nelle dinamiche di rilascio di contaminanti. Queste considerazioni sono di particolare interesse nella modellazione dei pesticidi in quanto di origine esclusivamente antropica. Nel caso invece della modellazione contaminanti quali i nutrienti, la componente antropica può venire oscurata dalla produzione chimica del suolo.