Contributi all'osservazione di campo ed alla modellazione matematica dei processi idrologici di versante

Prediction of fluvial basins response to the atmospheric forcing, one of the most studied issues in the hydrologic sciences, is very relevant in the practical management of water resource, in the discharge forecasting, in the pollution control and so on. Nevertheless the great improvements obtained in the recent past, many uncertainties persist, mainly due to the lacking in comprehension of the acting physical processes. While precipitation and evapotranspiration are the dominant forcing in the hydrographic basins dynamics, the basin geomorphologic and geohydrologic characteristics are responsible for atmospheric input transformation into outlet discharge. The basin separates the atmospheric forcing into surface flow, subsurface flow and variation in water storage both at the surface (terrain pits, lakes) and in the subsurface (variation in the water content at the unsaturated zone and water table level in the saturated one). The interdependency of surface and subsurface processes therefore determines an enormous modelling complexity, influenced not only by the geomorphologic heterogeneities in topography and by soil and bedrock typical heterogeneities, but even by the different space and time scales of acting phenomena. An exhaustive physical description of the whole processes is still missing in scientific literature, therefore forecasting models result simplified. Even at the small scale - the hillslope scale, that means the portion of the basin that is not permanently channelized, the relative role of the different processes of infiltration, exfiltration, surface and subsurface flow is still not well understood. One of the most important questions in the hydrologic studies is how much of the complexity at the small scale has to be included at the basin scale models. In order to answer to this question, a detailed comprehension of processes at the hillslope scale is necessary. It therefore results crucial to observe and understand the role of transport mechanisms at the hillslope scale, to determine the relative importance of surface/subsurface flow, and to study the existing dynamics between \textit{old} water, that is stored in the catchment, and \textit{new} water, that means the event one. This thesis has the purpose to deal with hydrologic dynamic of these processes, combining detailed modelling instruments and field high definition data. Here there are some experimental and modellistic results from a small hydrographic basin, that has been instrumented for the hydrologic monitoring of useful information to processes understanding. The thesis work actually started from the definition of data useful for the study and the search for the best field instrumentation. Therefore we installed the instruments to continuously measure precipitations, outlet discharges, water table levels, capillary pressures. In the meanwhile, a hydrogeological characterization of soil and subsoil was made by means of geophysical and geognostic methods, and a tracer experiment and an controlled irrigation were conducted at the study site. The utilized modelling instruments, coupling surface and subsurface flows, have been conditioned by hydrogeological characterization and calibrated on some registered events. The next validation on periods different from the calibration ones has shown a good predictive ability of the assumed model. They also permitted to evidence the hydrologic processes dominating flow generation, with interesting consequences for the general hydrologic problem and, particularly, for the experimental site.

La predizione della risposta dei bacini fluviali alle forzanti atmosferiche, uno degli argomenti più studiati nelle scienze idrologiche,è di grande importanza pratica nella gestione delle risorse idriche, nella previsione delle piene, nel controllo dell'inquinamento, e non solo. Nonostante i grandi progressi ottenuti nel recente passato, vi sono ancora molte incertezze legate principalmente alla scarsa comprensione dei processi fisici in gioco. Mentre la precipitazione e l'evapotraspirazione sono le forzanti dominanti la dinamica dei bacini idrografici, le caratteristiche geomorfologiche e geoidrologiche del bacino sono responsabili della trasformazione dell'input atmosferico in portata alla sezione di uscita. Il bacino partiziona infatti le forzanti atmosferiche in deflusso alla superficie, deflusso sotterraneo e variazione di immagazzinamento dell'acqua sia in superficie (depressioni del terreno, laghi) che nel sottosuolo (variazione del contenuto d'acqua nella zona insatura e del livello di falda nella zona satura). L'interdipendenza dei processi superficiali e sotterranei determina quindi una formidabile complessità modellistica, condizionata oltre che dalle eterogeneità geomorfologiche della topografia e dalle eterogeneità tipiche del suolo e sottosuolo, anche dalle diversificate scale spaziali e temporali dei fenomeni in gioco. Una descrizione fisica completa di tutti i processi non è ancora disponibile nella letteratura scientifica talchè i modelli previsionali risultano necessariamente semplificati. Anche alla piccola scala, la cosiddetta scala di versante, cioè la porzione del bacino che non è permanentemente canalizzata, il ruolo relativo dei diversi processi di infiltrazione, esfiltrazione, flusso superficiale, flusso sotterraneo, non è del tutto chiarito. Una delle domande più importanti nello studio dei processi idrologici è in quale porzione la complessa fisica della piccola scala deve essere presa in considerazione nei modelli a scala di bacino. La risposta a questa domanda non può prescindere da una comprensione dettagliata dei processi alla scala di versante. Risulta dunque cruciale osservare e comprendere il ruolo dei diversi meccanismi di deflusso a tale scala, determinare l'importanza relativa di deflusso superficiale/subsuperficiale e studiare le dinamiche che sussistono tra acqua vecchia, ossia già immagazzinata nel bacino, e acqua nuova, ovvero acqua dell'evento in corso. Questa tesi vuole occuparsi dello studio della dinamica idrologica di tali processi, utilizzando una combinazione di strumenti modellistici di dettaglio e misure di campo ad alta definizione. Si presentano quindi alcuni risultati sperimentali e modellistici ottenuti in un bacino idrografico di piccole dimensioni strumentato per il monitoraggio idrologico delle grandezze utili alla comprensione di tali fenomeni. Il lavoro di tesi è quindi partito dalla definizione delle grandezze utili allo studio in oggetto e dalla ricerca delle strumentazioni più adatte da usare in campo. Si è quindi proceduto alla installazione di tali strumentazioni nel bacino per misurare in continuo, tra le altre cose, precipitazioni, portate alla sezione di chiusura, livelli di falda, pressioni capillari. Si è proceduto contemporaneamente ad una caratterizzazione idrogeologica del suolo e sottosuolo mediante metodi geofisici e geognostici, oltre a effettuare esperimenti di traccianti e di infiltrazione controllata. Gli strumenti modellistici adottati, che accoppiano i flussi superficiale e subsuperficiale, sono stati condizionati alle misure dettate dalla caratterizzazione idrogeologica e calibrati rispetto ad alcuni eventi registrati in sito. La susseguente validazione su periodi diversi da quelli di calibrazione ha mostrato una buona capacità predittiva dei modelli così calibrati. Hanno permesso di evidenziare i processi idrologici dominanti la generazione del deflusso, con riflessi di rilievo per il problema idrologico generale e per il sito sperimentale in particolare.