Metodi basati sull’informazione topografica per il partizionamento e la caratterizzazione di bacini idrografici, corsi d’acqua e pianure alluvionali in modelli idrologici dettagliati attraverso l’utilizzo di dati topografici a elevata risoluzione

The spatial representation of hydrological processes is a key component of detailed modeling of drainage basins, rivers, and floodplains. Since the seminal framework proposed by Freeze and Harlan (1969), numerous distributed hydrologic models have been developed to explicitly describe topographic and hydrological heterogeneity. Yet the long-standing trade-off between fully distributed models — highly realistic but computationally intensive — and lumped or semi-distributed approaches — efficient but lacking spatial detail — remains unresolved. This dissertation advances a terrain-informed modeling paradigm that reconciles these perspectives by developing a unified methodology for partitioning and characterizing uplands, river networks, and lowland floodplains. At the core of this framework is the LANDMARK algorithm (Moretti et al., 2023), a tool for automated geomorphological analysis capable of extracting hydrologically meaningful ridge and thalweg networks directly from high-resolution, unconditioned digital terrain models. LANDMARK enables the delineation of physically consistent endorheic and exorheic subbasins without hydrological preprocessing, thereby preserving the full elevation detail required for robust distributed modeling. Two geomorphic domains are investigated. In highland environments, the study advances distributed hydrologic modeling by extending the two-layer soil–vegetation–atmosphere formulation of Orlandini (1999). This physically based model links near-surface soil-moisture dynamics with the surface energy balance, enabling continuous simulation of evapotranspiration, infiltration, and runoff generation across terrain partitions derived from LANDMARK. In lowlands, the research addresses the explicit description of floodplain inundation in anthropogenic landscapes shaped by vegetation, levees, and buildings. Building on Pizzileo et al. (2024), digital surface models are directly incorporated into two-dimensional hydraulic simulations, allowing the geometric representation of land-surface macrostructures that influence flood propagation. This approach mitigates the limitations of traditional digital terrain models, which omit such features and tend to underestimate hydraulic connectivity and storage. The LANDMARK framework acts as the conceptual and numerical bridge between highland and lowland modeling approaches. By automatically extracting physically meaningful topographic networks from unaltered high-resolution elevation data, LANDMARK provides a unified geomorphic basis for both hydrologic and hydraulic modeling. These terrain partitions support the construction of geomorphologically informed computational meshes and hydrologic response units that preserve drainage connectivity while enabling efficient numerical implementation. By integrating high-resolution terrain analysis with physically based hydrologic and hydraulic modeling, this dissertation establishes a unified terrain-driven framework that represents the cross-scale hydrologic–hydraulic system extending from upland hillslopes to lowland floodplains. The resulting methodology enhances the realism of surface and subsurface flow simulations, preserves geomorphic integrity across scales, and provides a robust foundation for flood-risk assessment, landscape management, and ecohydrological research in both natural and human-modified environments.

La rappresentazione spaziale dei processi idrologici costituisce un elemento fondamentale nella modellazione dettagliata dei bacini idrografici, dei corsi d’acqua e delle pianure alluvionali. A partire dal quadro fondativo proposto da Freeze e Harlan (1969), sono stati sviluppati numerosi modelli idrologici distribuiti per descrivere in modo esplicito l’eterogeneità topografica e idrologica del territorio. Tuttavia, il persistente compromesso tra modelli completamente distribuiti — altamente realistici ma computazionalmente onerosi — e approcci lumped o semi-distribuiti — efficienti ma privi di dettaglio spaziale — resta irrisolto. Questa dissertazione avanza un paradigma di modellazione terrain-informed che concilia queste prospettive sviluppando una metodologia unificata per la partizione e la caratterizzazione delle aree montane, delle reti fluviali e delle pianure alluvionali di fondovalle. Il nucleo del framework è rappresentato dall’algoritmo LANDMARK (Moretti et al., 2023), uno strumento per l’analisi geomorfologica automatizzata capace di estrarre reti di cresta e di talweg idrologicamente significative direttamente da modelli digitali del terreno ad alta risoluzione e non preprocessati. LANDMARK consente la delineazione di sottobacini endoreici ed esoreici fisicamente coerenti senza ricorrere a preprocessing idrologico, preservando l’intero dettaglio altimetrico necessario per una modellazione distribuita robusta. Sono esaminati due domini geomorfici. Nelle aree montane, lo studio avanza la modellazione idrologica distribuita estendendo la formulazione a due strati suolo–vegetazione–atmosfera di Orlandini (1999). Questo modello fisicamente basato collega la dinamica dell’umidità del suolo superficiale al bilancio energetico alla superficie, permettendo la simulazione continua di evapotraspirazione, infiltrazione e generazione del deflusso sulle partizioni del terreno derivate tramite LANDMARK. Nelle pianure alluvionali, la ricerca affronta la descrizione esplicita dei processi di inondazione in paesaggi antropizzati caratterizzati da vegetazione, argini e edifici. Sulla base di Pizzileo et al. (2024), i modelli digitali delle superfici sono integrati direttamente in simulazioni idrauliche bidimensionali, consentendo la rappresentazione geometrica delle macrostrutture superficiali che influenzano la propagazione della piena. Questo approccio supera i limiti dei tradizionali modelli digitali del terreno, che omettono tali elementi e tendono a sottostimare la connettività idraulica e la capacità di invaso. Il framework LANDMARK funge da ponte concettuale e numerico tra gli approcci di modellazione delle aree montane e delle pianure alluvionali. Attraverso l’estrazione automatica di reti topografiche fisicamente significative da dati altimetrici ad alta risoluzione non modificati, LANDMARK fornisce una base geomorfica unificata per la modellazione idrologica e idraulica. Queste partizioni del terreno supportano la costruzione di mesh computazionali geomorfologicamente informate e di unità idrologiche che preservano la connettività del drenaggio, garantendo al contempo un’efficiente implementazione numerica. Integrando l’analisi del terreno ad alta risoluzione con modelli idrologici e idraulici fisicamente basati, questa dissertazione stabilisce un framework unificato guidato dalla morfologia che rappresenta il continuum idrologico–idraulico dalle aree collinari e montane fino alle pianure alluvionali. La metodologia risultante migliora il realismo delle simulazioni del deflusso superficiale e sotterraneo, preserva l’integrità geomorfica alle diverse scale e fornisce una base solida per la valutazione del rischio alluvionale, la gestione del paesaggio e la ricerca ecoidrologica in contesti naturali e antropizzati.