Caratterizzazione della risposta idrologica di un piccolo bacino alpino mediante dati idrometrici, isotopici e di conducibilità elettrica

Questo lavoro di tesi esamina i processi di formazione del deflusso su un piccolo bacino alpino, denominato Rio Vauz (1.9 km2) e localizzato nelle Dolomiti (Alpi centro-orientali), utilizzando dati idrologici, isotopici e di conducibilità elettrica raccolti durante due anni di osservazione. La tesi è divisa in tre sezioni principali riguardanti: i) analisi di consistenza delle misure da spettroscopio laser per le analisi isotopiche di deuterio (d2H) e ossigeno18 (d18O); ii) analisi del ruolo dell’umidità del suolo durante la formazione di deflusso; iii) analisi della risposta idrologica del bacino agli eventi di pioggia e di fusione nivale mediante dati isotopici, idrometrici e di conducibilità elettrica. La prima parte del lavoro è dedicata all’analisi di consistenza delle misure da spettroscopio OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) relativo alle misure di d2H e d18O. Si tratta di un’apparecchiatura innovativa, il cui impiego per l’analisi della risposta isotopica di un bacino idrografico ha richiesto una verifica specifica della riproducibilità delle misure ottenute. A tal fine è stata analizzata tramite spettroscopio una serie di 35 campioni d’acqua confrontando i risultati ottenuti da quattro spettroscopi laser con quelli di uno spettrometro di massa convenzionale nelle tipiche condizioni da laboratorio. Tutti i campioni sono stati analizzati usando tre differenti schemi di combinazione standard/campioni e ricorrendo al relativo processamento dei dati per valutare l’eventuale miglioramento dei risultati rispetto allo spettrometro di massa. La ripetibilità dei quattro spettroscopi laser è stata valutata anche mediante analisi multiple di un sottoinsieme di campioni per valutare la stabilità delle misure di d2H e d18O. I risultati mostrano, per l’intero insieme di campioni, una buona congruenza tra le misure da spettroscopio laser e spettrometro di massa. Tuttavia, esiste un certo grado di variabilità nella precisione tra i quattro strumenti. L’analisi statistica ha evidenziato che non esistono deviazioni sistematiche rispetto ai valori dello spettrometro di massa; le differenze sono quindi di tipo casuale, non sono apparentemente legate a fattori esterni, ma possono condizionare il risultato finale. Le analisi mostrano che la precisione analitica delle misure varia da 0.56‰ a 1.80‰ per d2H e da 0.10‰ a 0.27‰ per d18O, con una marcata variabilità tra i quattro analizzatori. La capacità globale degli spettroscopi laser a riprodurre risultati stabili con misure ripetute dello stesso campione è accettabile, con alcune differenze entro il range di precisione analitica per ciascun spettroscopio. Perciò, mediando le misure di tre identici campioni si ottiene un più elevato grado di accuratezza e si elimina il potenziale relativo a scostamenti casuali. Una sottosezione si occupa di identificare possibili effetti memoria causati da importanti differenze tra i contenuti isotopici di vari campioni e standard analizzati mediante differenti spettroscopi laser. Il lavoro si focalizza su campioni d’acqua con valori isotopici molto negativi, che sono maggiormente predisposti a questo tipo di problema. L’effetto memoria è generalmente molto elevato per le prime iniezioni, mentre tende ad essere trascurabile dopo 8-10 iniezioni. La seconda parte del lavoro analizza il ruolo dell’umidità del suolo nel quadro della formazione del deflusso in un piccolo bacino alpino di testata, caratterizzato da versanti molto ripidi e da aree riparie ben definite. Il lavoro considera in particolare i seguenti aspetti: 1. individuazione di una relazione a soglia tra umidità del suolo e deflusso ed influenza della topografia del bacino sul medesimo effetto soglia; 2. analisi delle dinamiche temporali dell’umidità del suolo, portata e falda che caratterizzano le risposte del bacino alle piogge con diverse condizioni di umidità antecedente; 3. esame dell’effetto combinato delle condizioni antecedenti di umidità e della cumulata di pioggia sul deflusso ripario e da versante. I risultati evidenziano il forte controllo esercitato dall’umidità del suolo sul deflusso: esiste una chiara soglia nella relazione tra contenuto idrico del suolo e il coefficiente di deflusso, portata e il livello medio di falda sul versante. Valori modesti del coefficiente di deflusso sono in genere associati alla risposta della sola area riparia, che è quasi sempre vicina alla saturazione. Elevati coefficienti di deflusso si verificano in associazione con condizioni antecedenti umide, quando in genere viene superato il valore soglia di umidità. In quest’ultimo caso, si attiva il deflusso sottosuperficiale di versante che diventa il principale contributo del deflusso totale. Infine, l’influenza delle condizioni antecedenti di umidità sul deflusso agisce anche nella relazione tra cumulata di pioggia e deflusso totale. Piogge modeste associate a condizioni antecedenti secche producono poco deflusso, quasi esclusivamente per deflusso superficiale da aree riparie prossime alla saturazione. Invece, per eventi di pioggia durante condizioni umide si verificano elevati valori di deflusso grazie al contributo dei versanti. Sono state analizzate anche le dinamiche dell’umidità del suolo lungo un versante: a parità di profondità, i valori più bassi e più variabili di umidità si riscontrano sul versante rispetto all’area riparia. L’incremento di umidità del suolo in occasione di piogge è maggiore per condizioni antecedenti secche e, a parità di condizioni antecedenti umide, tale incremento è maggiore con cumulate di pioggia superiori alla soglia di umidità. Infine, l’incremento di umidità del suolo durante l’evento di pioggia in genere aumenta passando dall’area riparia a quella di versante. La terza e ultima sezione della tesi si focalizza sulla risposta idrologica del bacino Rio Ponte durante gli eventi di fusione nivale e di pioggia. Il contributo relativo di acqua “vecchia” (acqua pre-evento, tipicamente di falda) e acqua “nuova” (acqua di evento, pioggia o acqua da neve fusa) è stato quantificato usando il deuterio e l’ossigeno 18 come traccianti e applicando il noto modello della separazione in due componenti. L’acqua “vecchia” rappresenta il principale contributo al deflusso totale sia durante eventi di fusione nivale sia di pioggia. Durante il ramo di concentrazione dell’idrogramma di tutti gli eventi, l’acqua del torrente riflette la composizione isotopica e la conducibilità elettrica dell’acqua da neve fusa e della pioggia, che è sempre poco conduttiva per entrambi i tipi di eventi, isotopicamente leggera durante eventi di fusione nivale e dipendente dalle condizioni ambientali durante le piogge. Durante il ramo di recessione, l’acqua di torrente ritorna alle condizioni pre-evento di conducibilità e isotopia, riflettendo il maggior contributo di acqua vecchia. In particolare, osservazioni condotte durante tre eventi di fusione nivale avvenuti in tarda primavera, in condizioni di bacino prossime alla saturazione, hanno evidenziato come il picco di portata corrisponda al minor valore di conducibilità elettrica e al massimo impoverimento isotopico del torrente (dovuto alla neve fusa isotopicamente leggera). Questa concordanza temporale porta al riconoscimento di una relazione lineare tra portata e concentrazione dei due traccianti. Al contrario, durante gli eventi estivi di pioggia, quando il suolo è umido ma non saturo, esiste un ritardo tra la portata e la concentrazione dei traccianti (soprattutto per la conducibilità elettrica) che porta ad una relazione isteretica. La percentuale di deflusso “nuovo” calcolata tramite l’isotopo dell’ossigeno è positivamente e significativamente correlata con le condizioni antecedenti (caratterizzate tramite l’indice Antecendent Precipitation Index API, umidità antecedente a 30 cm misurata sul versante, portata pre-evento e livello falda pre-evento) e con gli indicatori della risposta idrologica (coefficiente di deflusso, deflusso diretto, deflusso totale e picco di portata). L’acqua “nuova” calcolata tramite l’isotopo dell’idrogeno è positivamente e significativamente correlata con l’intensità massima di precipitazione, calcolata su diversi intervalli temporali. E’ possibile concludere che, per eventi caratterizzati da condizioni antecedenti umide e da afflussi importanti (sia di pioggia che di fusione nivale) con elevate produzioni di deflusso, la frazione di acqua “nuova” nell’idrogramma probabilmente riflette l’espansione delle aree sature (non solo aree riparie ma anche la parte inferiore dei versanti) nonché l’attivazione di vie preferenziali di deflusso sottosuperficiale grazie alla connessione tra aree riparie e di versante