Processes space-time variability and hydrological response of headwater catchments: role of rainfall, vegetation and antecedent conditions

Questa tesi ha lo scopo di migliorare la comprensione del funzionamento idrologico di bacini di testata analizzando i) come la precipitazione controlli la variabilità spaziale e temporale dell’umidità del suolo e ii) come quest’ultima a sua volta eserciti un controllo sulla risposta idrologica di bacino. Una prima analisi della variabilità spaziale dell’umidità del suolo è stata effettuata su dati raccolti a 0-30 e 0-60 cm di profondità in una griglia sperimentale presso Grugliasco (Provincia di Torino), caratterizzata da due diversi usi del suolo (prato e vigneto). I risultati hanno evidenziato che le differenze nella media e nella variabilità spaziale dell’umidità del suolo sono probabilmente dovute alla diversa copertura vegetazionale su prato e su vigneto. Un semplice modello a serbatoio (bucket) è stato usato per valutare i fattori principali che controllano l’umidità media del suolo. Il modello, calibrato sulle serie temporali di umidità media, ha dimostrato una relativamente buona capacità predittiva. Inoltre, il modello è stato in grado di rappresentare le differenze principali nella variabilità spaziale dell’umidità del suolo dei due usi del suolo. La variabilità spaziale e temporale dell’umidità del suolo è stata analizzata anche in relazione con i campi spaziali di precipitazione sottochioma determinati in una griglia sperimentale presso un versante forestato delle Prealpi Vicentine. La precipitazione sottochioma è stata misurata con due tipi di campionatori volumetrici di tipo manuale: secchi e pluviometri totalizzatori. I campionatori differivano per numerosità, superficie di campionamento e distribuzione spaziale. Questo confronto metodologico ha evidenziato che secchi e pluviometri totalizzatori misurano quantità simili di precipitazione sottochioma. Nonostante ciò, i risultati indicano che esistono delle differenze nella variabilità spaziale e nella determinazione di clusters e outliers di precipitazione sottochioma da parte dei due tipi di campionatori. L’umidità del suolo è stata misurata a 0-7 e 0-12 cm di profondità, poco a monte di ciascun secchio, prima e dopo gli eventi piovosi. I campi spaziali di precipitazione sottochioma e umidità del suolo sono risultati poco o per nulla statisticamente significativi, probabilmente a causa della redistribuzione laterale e in profondità dell’acqua nelle 2-36 ore comprese tra la fine dell’evento piovoso e l’inizio dei campionamenti dell’umidità del suolo. È stata osservata una maggiore stabilità temporale dell’umidità rispetto alla precipitazione sottochioma e anche in questo caso la correlazione è risultata non significativa. La copertura delle chiome e l’indice di area fogliare non sono risultate correlate con la stabilità temporale della precipitazione sottochioma. L’applicazione del modello a serbatoio ha mostrato che un’elevata variabilità spaziale della conducibilità idraulica a saturazione in correlazione con l’indice di area fogliare e la frazione di radici nel profilo di suolo tende a far diminuire la correlazione tra campi spaziali della precipitazione sottochioma e dell’umidità del suolo. I risultati ottenuti con l’integrazione dell’analisi dei dati osservati con l’applicazione modellistica fanno ipotizzare che, in questo specifico versante forestato, l’organizzazione spaziale dell’umidità sia dominata da una combinazione delle proprietà del suolo e delle caratteristiche vegetazionali piuttosto che dai campi spaziali della precipitazione. Il deflusso sottosuperficiale è in genere innescato dallo sviluppo di una zona satura presso l’interfaccia suolo-roccia madre o dalla risalita della falda effimera in orizzonti di suolo più permeabili. Lo sviluppo di deflusso sottosuperficiale condiziona, quindi, la connettività versante-torrente. Reti di piezometri spazialmente distribuiti in cinque bacini nelle Dolomiti e nelle Prealpi Svizzere sono state usate per quantificare e confrontare la variabilità spazio-temporale della connettività sottosuperficiale e la sua relazione con i deflussi alla sezione di chiusura. I risultati hanno evidenziato che il tempo totale durante il quale i piezometri erano connessi con il torrente è risultato significativamente correlato con l’indice topografico di saturazione, in due bacini svizzeri, o con la distanza minima dal corso d’acqua, nel caso del bacino dolomitico con l’area riparia più estesa. Durante gli eventi afflussi-deflussi sono state rilevate relazioni isteretiche principalmente antiorarie tra il deflusso alla sezione di chiusura e la superficie del bacino connessa con il torrente. Inoltre, relazioni a soglia più marcate sono state osservate tra connettività massima e deflusso diretto e tra connettività massima e somma della precipitazione totale con quella dei giorni antecedenti, per i due bacini dolomitici, caratterizzati da livelli di falda nella zona riparia più vicini alla superficie del suolo. Questi risultati preliminari indicano che un ritardo nell’aumento della connettività rispetto all’incremento dei deflussi non è probabilmente riconducibile alla presenza di una zona riparia. Nonostante ciò, ulteriori analisi sono necessarie per stabilire se la morfologia dei bacini condizioni le relazioni tra connettività sottosuperficiale e deflussi alla sezione di chiusura. Infine, in questa tesi è stato proposto un indice per la quantificazione dell’isteresi tra variabili idrologiche a scala di evento afflusso-deflusso. L’indice fornisce informazioni sulla direzione, la forma e l’area dell’isteresi. Test sull’indice sono stati eseguiti con dati sia sintetici che osservati da bacini sperimentali nell’Italia Settentrionale. Le relazioni isteretiche tra portata e umidità del suolo, livello di falda, composizione isotopica e conducibilità elettrica dell’acqua di torrente sono state correttamente identificate e quantificate dall’indice. Inoltre, sono stati effettuati test di sensibilità alla risoluzione temporale e agli errori di misurazione. L’indice ha quantificato l’isteresi in modo soddisfacente, tranne in presenza di dati affetti da rumore o quando la risoluzione temporale delle misurazioni non è risultata accettabile per lo studio dell’isteresi. Nel complesso, l’indice qui proposto può essere adottato per valutare la capacità dei modelli idrologici di identificare la variabilità temporale dell’isteresi o per confrontare la risposta idrologica di bacini differenti o a diverse scale spaziali.