SEDIMENT DYNAMICS IN HIGH GRADIENT STREAMS: BEDLOAD INVESTIGATION IN TWO STUDY AREAS LOCATED IN ALPINE AND ANDINE ENVIRONMENTS

The major part of mountain drainage networks is formed by high gradient channels and their nature and dynamics affect the features of sediment delivered to downstream channels, determining the quantity, timing and size of material transported by lowland rivers. Bedload is the transport process that regards the coarser particles, that are mobilized by rolling, sliding and saltating on the channel bed. In mountain environments, the analysis and quantification of bedload transport is of fundamental importance for hazard assessment, understanding the morphodynamics of higher order channels, planning and designing reservoir sedimentation. The importance of this phenomenon contrasts with the fact that it is difficult and impractical to monitor, especially in small, steep mountain basins, due to its high-energy and impulsive nature. Moreover, in mountain streams the particle motion is strongly affected by the bed structures as well as by the highly heterogeneous channel-bed material, acting especially through the hiding/exposure, consolidation and embedding effects. These issues are reflected in the use of bedload equations that, being calibrated on data from laboratory flume experiments or from specific study areas, generally show low performances. Different direct and indirect methods can be used to monitor the bedload in the field but generally require either expensive structures (i.e. permanent monitoring stations) or extensive and perilous surveys (i.e. tracers, bedload traps). Consequently, field bedload data are relatively scarce, and monitoring programs maintained continuously over long-term periods are particularly rare. Thanks to the assumption that bedload transport may be understood as the result of random individual particle displacements, the sediment tracing method was widely employed in the last years. Such method allow to obtain precious data concerning sediment dynamic in mountain streams, improving the results obtainable by samplers, traps and permanent monitoring stations. This thesis aims to investigate the sediment dynamics in two study areas: the Rio Cordon (Alps) and Estero Morales (Andes), focusing particularly on the bedload. The Rio Cordon (northeast Italy) is a typical alpine channel characterized by step-pool and riffle-pool morphology and by a mean slope equal to 13%. The catchment extended 5 km2 exhibits a nivo-pluvial runoff regime. The second study site is the Estero Morales, a high-gradient stream located in the Metropolitan Region (central Chile). The channel bed exhibits boulder-cascade, step-pool and plane bed morphologies while the average slope is of about 9.5%. The basin (27 km2) hosts the San Francisco glacier (1.8 km2) that strongly affects the hydrological regime. In particular during the melt period (December-March) the glacier ensures daily discharge fluctuations with highly variable associated bedload transport rates. These study areas were investigated because different in terms of extent, geology, morphology, altitude, vegetation, climate, precipitation and flow regime. This dissimilarity allowed to carry out a comparative analysis. First, nearly 30 years of monitoring of sediment fluxes in the Rio Cordon instrumented basin were analyzed. The collected bedload and suspended sediment transport data allows sediment dynamics to be analyzed at different time scales, ranging from short- (single event) to long-term (three decades). The Rio Cordon monitoring station has been operating since 1986, continuously recording water discharge, bedload and suspended load (at 1 hr intervals, and 5 min intervals during floods). At the flood event scale, a good relationship was found between peak (Qpeak) and sediment load. The annual trend of sediment fluxes was analyzed as well as the single floods contribution to the total sediment yield. The annual suspended load contribution ranges from 10 to 2524 t y-1, while the bedload varies from 0 to 1543 t y-1. The higher annual yields were recorded in the years when large floods occurred, highlighting that the sediment budget in the Rio Cordon is strongly controlled by the occurrence of high magnitude events. Investigation of the seasonal suspended load contribution demonstrated that from 1986 to 1993 most sediments were transported during the snowmelt/summer seasons, whilst autumn and snowmelt were the dominant seasons contributing to sediment yield in the periods 1994-2004 and 2004-2014, respectively. The mean annual sediment yield from 1986 to 2014 is equal to 103 t km-2 y-1, and overall, bedload accounts for 21% of the total sediment yield. The ratio between the amount of sediment transported by the floods and the effective runoff of the events allowed the temporal trends of transport efficiency to be inferred, highlighting the existence of periods characterized by different sediment availability. In particular, a period with high transport efficiency appears to have occurred after an exceptional event registered in September 1994 (RI > 100 years). The 1994 flood affected the sediment availability at the basin and channel bed scales, and provided a legacy influencing the sediment dynamics in the basin over the long-term by increasing the transport efficiency for approximately a decade. The achieved results update the sediment budget assessed in the Rio Cordon, shedding further light on the long-term and recent behavior of sediment dynamics in a high gradient mountain basin. Once assessed the quantity and timing of sediment yield, the sediment entrainment conditions were investigated. For this purpose, the tracing method was used in either study areas. Specifically, on the channel bed of Rio Cordon and Estero Morales creeks were seeded 250 and 429 PITs (i.e Passive Integrated Transponder), respectively. In the Rio Cordon, the tracers are monitored since the 2010, analyzing the displacement over a study reach 320 m long. The Estero Morales creek was equipped with tracers since the austral summer 2014, and the displacements over a reach of approximately 700 m were monitored. Overall, 25 PIT surveys were performed in the two study areas, using a mobile antenna to detect the position of the tracers. In the Estero Morales and Rio Cordon the average recovery rate was 50% and 70%, respectively. These values are in line with the recoveries obtained by similar works concerning the tracing of bedload using PIT tracers. In terms of peak of water discharge (Qpeak), in the Alpine channel the monitored floods range between 0.44 m3 s-1 to 2.10 m3 s-1, while in the Andean stream Qpeak varies among 3.44 m3 s-1 and 4.68 m3 s-1. In either study cases, the influence of particle size and hydraulic forcing conditions on the sediment entrainment were investigated. In both channels, the size-selective transport appears the prevalent transport dynamic during the relative low-moderate magnitude floods while equal mobility conditions were triggered by the higher magnitude events. Notwithstanding the similar dynamics, the relationship between the grain size distribution of tracers mobilized and Qpeak seems to suggest that in the Rio Cordon the sediment entrainment is strongly affected by particle size, while in the Estero Morales such relationship is poorly defined. In order to compare the hydraulic forcing conditions, the unit stream power (ω) is derived from discharge measurement. Additionally for each displacement, the flow duration curve was realized and consequently the 25th (ω25), 50th (ω50) and 75th (ω75) percentiles of unit stream power were calculated. These significant percentiles, with the ωpeak, are used in order to test their capacity to explain the relationship among hydraulic forcing and tracers displacement. In both study areas, the mean transport distances are better correlated with the ωpeak of individual transport events, which appears the most relevant descriptor as regards the sediment entrainment. In this sense, the Estero Morales showed a persistent high transport capacity, while the Rio Cordon exhibited similar conditions only above a threshold ( ~ 400 W m-2). Over such threshold the Alpine stream exhibits higher transport efficiency compared to the Andean channel. This thesis benefited by two monitoring programs. First, the long-lasting monitoring program undertaken on the Rio Cordon thanks to the experimental station active since 1986, that permitted to produce long-term data series, very precious in order to analyze the sediment dynamics over long-term. Secondly, the use of PIT tracers in the Estero Morales and Rio Cordon creeks allowed to obtain interesting results concerning the sediment entrainment in this two study areas, permitting to perform a comparative analysis. In this sense, the PIT tracers have proved to be a very fitting method to monitoring the bedload without disturbing the channel bed and avoiding empirical assumptions regarding the sediment transport.

La maggior parte della rete idrografica montana è costituita da collettori ad elevata pendenza (torrenti montani). La natura e la dinamica di tali collettori influenzano le caratteristiche del materiale solido rilasciato a valle, determinando aspetti quali quantità, temporalità e caratteristiche fisiche del sedimento trasportato ai fiumi pedemontani e vallivi. Col termine trasporto di fondo (bedload) si definisce la mobilitazione del materiale grossolano presente in un collettore, materiale che viene mobilitato lungo il letto tramite rotolamento, strisciamento e saltazione. In ambiente montano, l’analisi e la quantificazione del trasporto di fondo è di fondamentale importanza per diversi aspetti, come ad esempio poter meglio comprendere le condizioni morfo-dinamiche dei collettori montani, valutare il pericolo connesso al trasporto solido, pianificare e progettare opere di trattenuta. L’importanza di questo fenomeno contrasta però col fatto che esso è di difficile monitoraggio, soprattutto nei piccoli bacini montani, a causa della sua natura puramente impulsiva. Inoltre, nei torrenti montani la mobilità del sedimento è fortemente influenzata dalla presenza di forme di fondo e dal materiale altamente eterogeneo costituente il letto del collettore, aspetti che si traducono negli effetti di nascondimento/esposizione (hiding/exposure), consolidamento (consolidation) e incorporamento (embedding). Tali condizioni rendono difficile la valutazione del trasporto di fondo e si riflettono, ad esempio, nelle equazioni predittive. Esse, infatti, sono perlopiù sviluppate tramite esperimenti di laboratorio (flume) o calibrate in specifiche aree studio, e quindi forniscono generalmente basse performance se applicate ad altri siti di studio. Diversi metodi diretti ed indiretti possono essere utilizzati in campo al fine di monitorare il trasporto di fondo. Generalmente tali metodi richiedono la realizzazione di dispendiose strutture (es. stazioni di monitoraggio permanenti) o estese e perigliose indagini di campo (es. tracers, bedload traps). Come conseguenza, i dati di campo riguardanti il trasporto di fondo sono relativamente scarsi, ed in particolare i programmi di monitoraggio mantenuti nel lungo periodo sono particolarmente rari. Grazie all’assunzione che il trasporto di fondo può essere inteso come il risultato di singoli movimenti casuali di particelle, negli ultimi anni il metodo dei traccianti (tracers) è stato largamente impiegato in campo. Tale metodologia consente di ottenere preziosi dati riguardanti le dinamiche di trasporto solido, affinando i risultati ottenibili tramite samplers, traps e stazioni di monitoraggio permanenti. L’obiettivo principale del lavoro di tesi è stato quello esaminare le dinamiche di trasporto solido in due aree studio, il Rio Cordon (Alpi) e l’Estero Morales (Ande), focalizzandomi in particolare nell’indagine del trasporto solido di fondo. Il Rio Cordon (NE Italia) è un tipico torrente alpino, caratterizzato da una prevalente configurazione step-pool/riffle-pool e da un pendenza media pari al 13%. Il bacino esteso 5 km2 mostra un regime dei deflussi dominato da scioglimento nivale e da precipitazione piovose. In questo bacino è in funzione dal 1986 una stazione di monitoraggio, realizzata al fine di registrare in continuo le portate liquide ed il trasporto solido (di fondo e in sospensione). Il secondo sito è l’Estero Morales, torrente montano situato nella Región Metropolitana de Santiago (Cile centrale). Il collettore presenta una morfologia mista, in cui prevalgono le configurazioni a boulder-cascade, step-pool e plane bed, mentre la pendenza media è pari al 9.5%. Questo bacino andino ospita il ghiacciaio San Francisco (1.8 km2), il quale influenza notevolmente il regime idrologico dell’area studio. Durante il periodo di scioglimento (Dicembre-Marzo), il ghiacciaio assicura fluttuazioni giornaliere nelle portata idriche con un ampio variabilità nei tassi di trasporto solido. Queste aree studio sono state esaminate in quanto diverse in termini di geologia, morfologia, vegetazione, clima, precipitazioni e regime delle portate. Tale diversità ha permesso di poter eseguire un’analisi comparativa tra le due aree studio. Grazie ai dati prodotti dalla stazione di monitoraggio situata nel Rio Cordon, sono stati analizzati i flussi di sedimento registrati dal 1986 ad oggi. I dati raccolti riguardanti sia il trasporto solido di fondo che in sospensione hanno permesso di analizzare le dinamiche di trasporto solido a diverse scale temporali, spaziando dal breve (eventi di piena) al lungo periodo (tre decenni). A scala di evento, una buona relazione è stata trovata tra picco di portata (Qpeak) e le quantità di sedimento trasportate. Il trend annuale nei flussi di sedimento è stato esaminato così come il contributo dei singoli eventi alla produzione totale di sedimento da parte del bacino. In questo senso, il contributo annuale in sospensione varia tra 10 e 2524 t y-1 mentre il trasporto di fondo varia tra 0 e1543 t y-1. In termini di quantità trasportate, i maggiori apporti annuali sono stati registrati negli anni in cui si sono verificati eventi ad elevata magnitudo, evidenziando come il budget di sedimento nel Rio Cordon sia controllato dal verificarsi di tali fenomeni. L’analisi del trasporto in sospensione stagionale ha dimostrato che tra il 1986 e il 1993 la maggior parte del materiale fine è stato mobilitato durante lo scioglimento nivale e durante la stagione estiva. L’autunno ed il periodo di scioglimento nivale sono stati invece le stagioni che hanno principalmente contribuito nei periodi 1994-2004 e 2004-2014, rispettivamente. Il bacino del Rio Cordon, nel periodo 1986-2014, è stato caratterizzato da una produzione media annuale di sedimento pari a 103 t km-2 y-1, con il trasporto di fondo che ha contributo per il 21% al totale trasportato. Il rapporto tra la quantità di sedimento trasportato da ciascun evento ed il volume d’idrogramma che ha contribuito a tale evento di trasporto, ha permesso di ottenere un trend temporale riguardante l’efficienza di trasporto. Tale trend ha evidenziato l’esistenza di periodi caratterizzati da una diversa disponibilità di sedimento. In particolare, un periodo ad elevata efficienza di trasporto sembra essersi verificato successivamente ad un evento eccezionale registrato nel Settembre 1994 (RI > 100 years). Tale evento ha influenzato le disponibilità di sedimento sia a scala di bacino che di collettore, e la sua magnitudo ha influenzato le dinamiche di trasporto solido nel lungo periodo, incrementandone l’efficienza per circa un decennio. I risultati ottenuti aggiornano il budget di sedimento riguardante il Rio Cordon, facendo inoltre luce sulle quelle che possono essere nel lungo periodo le dinamiche di trasporto in un bacino alpino. Una volta affrontata la questione della quantità e la temporalità con cui un collettore montano può trasportare sedimento, la tesi si è focalizzata nell’esaminare le condizioni di mobilità che caratterizzano il trasporto di fondo. A questo scopo, il metodo dei traccianti e stato utilizzato in entrambi i siti di studio. Nello specifico 250 PITs (Passive Integrated Transponders) sono stati installati nel Rio Cordon, mentre 429 sono stati posizionati nell’Estero Morales. Nel collettore alpino i tracers sono stati monitorati a partire dal 2010, indagandone gli spostamenti lungo un tratto di studio esteso 320 m. L’Estero Morales è stato equipaggiato con i traccianti a partire dall’estate australe 2014 ed utilizzando un tratto di studio esteso circa 700 m. Complessivamente nelle aree di studio sono stati eseguiti 25 monitoraggi PIT, avvalendosi di un’antenna mobile per determinare la posizione dei traccianti. Nelle campagne di misura effettuate nell’Estero Morales e nel Rio Cordon sono stati raggiunti dei tassi di recupero dei traccianti pari al 50% e 70%, rispettivamente. Tali valori sono in linea con i tassi ottenuti da lavori simili riguardanti il monitoraggio tramite tracers. In termini di portata al picco, nel Rio Cordon sono stati monitorati eventi compresi tra 0.44 m3 s-1 e 2.10 m3 s-1, mentre nell’Estero Morales QPEAK varia tra 3.44 m3 s-1 e 4.68 m3 s-1. In entrambi i siti, è stata esaminata l’influenza sia della dimensione del sedimento sia delle condizioni idrologiche sulle distanze di trasporto. In entrambi i casi, il trasporto selettivo appare la dinamica di trasporto prevalente durante gli eventi a bassa e media magnitudo; mentre condizioni di equimobilità sono state innescate dagli eventi ad elevata magnitudo. Nonostante queste dinamiche simili, la relazione tra granulometria dei traccianti mobilitati e Qpeak sembra suggerire che nel Rio Cordon il trasporto è fortemente influenzato dalle dimensioni della particella, mentre nell’Estero Morales tale relazione appare alquanto debole. Al fine di confrontare i casi studio, lo stream power (ω) è stato utilizzato in entrambi i siti per descrivere le condizioni idrologiche. Per ciascun movimento PIT, è stata realizzata la relativa curva di durata potendo così calcolare anche il 25° (ω25), 50° (ω50) e 75° (ω75) percentile di unit stream power a cui è stato sottoposto ciascun tracciante. In entrambi i siti la distanza media è positivamente correlata con ωpeak, il quale appare il descrittore più rilevante per quanto riguarda la mobilità dei traccianti. In questo senso, nell’Estero Morales è stata riscontrata durante l’intero periodo di studio una elevata capacità di trasporto. Nel Rio Cordon condizioni comparabili sono state osservate solo oltre una specifica soglia ( ~ 400 W m-2), oltre cui il collettore alpino mostra capacità di trasporto superiori rispetto a quanto osservato nel torrente andino. Questa tesi beneficia di due programmi di monitoraggio dedicati al trasporto di fondo. Il primo è rappresentato dal monitoraggio a lungo termine in corso nel Rio Cordon e svolto dal 1986 dalla stazione sperimentale. Tale programma ha prodotto una serie di dati estesa quasi tre decenni, permettendo di analizzare le dinamiche di trasporto solido nel lungo periodo. Oltre a ciò, il monitoraggio intrapreso nell’Estero Morales e nel Rio Cordon tramite l’uso di traccianti PIT ha consentito di ottenere interessanti risultati riguardanti la mobilità del sedimento in queste due aree studio, permettendo di effettuare un analisi comparativa. In questo senso, i traccianti PIT si sono dimostrati un metodo particolarmente adatto al monitoraggio del trasporto di fondo, il quale non causa disturbi al letto del collettore ed evita di doversi avvalere di assunzioni empiriche riguardanti un fenomeno così complesso come il trasporto solido.