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

This thesis aims to enhance the understanding of the hydrological functioning of headwater catchments by focusing on i) how rainfall patterns controls spatial and temporal variability of soil moisture, and ii) how the soil moisture variability provide a control to the catchment response. A first analysis of the spatial variability of soil moisture was carried out for data at 0-30 and 0-60 cm depth collected on a plot in Grugliasco (Po Plain, Northern Italy), characterized by two land uses (meadow and vineyard). Results showed that the differences in spatial mean and variability of soil moisture for the meadow and the vineyard are likely due to the different vegetation cover. Evaluation of the main physical controls on the spatial mean and the variability of soil moisture was carried out by using a simple bucket model. The model was calibrated by using spatial mean soil moisture and it had a relatively good prediction capability. The model was also shown to be able to capture the main differences between the two sites in terms of spatial variability of soil moisture. The spatial and temporal variability of soil moisture was also analyzed in relation to throughfall spatial patterns in plot on a forested hillslope in the Italian pre-Alps. Throughfall was measured using two types of throughfall collectors: buckets and rain gauges. The collectors differed in size, number and spatial arrangement. Results showed that buckets and rain gauges measured similar throughfall amounts during rainfall events. However, findings indicate that different collectors can lead to differences in the quantified spatial variability of throughfall and presence of local clusters and outliers. Near-surface soil moisture was measured upslope of each bucket, at 0-7 and 0-12 cm depth before and after rainfall events. Throughfall and soil moisture spatial patterns were not significantly or only weakly correlated, likely due to the lateral and vertical redistribution of water in the soil profile during the 2-36 hour period between the end of the rainfall event and the start of the soil moisture measurements. The temporal stability of soil moisture was larger than the temporal stability of throughfall and they were also not significantly correlated. The patterns of temporal stability were also not related to canopy characteristics (i.e., canopy openness and leaf area index). The application of the simple bucket model revealed that a large spatial variability in saturated hydraulic conductivity that is correlated with the spatial variability in leaf area index and root fraction weaken the correlation between throughfall and soil moisture patterns. The analysis of field data combined with the model application suggests that in this specific forested hillslope the spatial organization of soil moisture is dominated by a combination of soil properties and vegetation characteristics, rather than by the throughfall spatial patterns. Saturation at the soil-bedrock interface or the rise of shallow groundwater into more permeable soil layers results in subsurface stormflow and can lead to hillslope-stream connectivity. Networks of spatially-distributed piezometers in five small headwater catchments in the Italian Dolomites and the Swiss pre-Alps were used to quantify and compare the spatial and temporal variability of subsurface connectivity and its relation to streamflow dynamics. Results showed that the time that piezometers were connected to the stream was significantly correlated to the topographic wetness index, for two Swiss pre-alpine catchments, or to the distance to the nearest stream, for the dolomitic catchment with the largest riparian zone. During rainfall events, mainly anti-clockwise hysteretic relations between streamflow and the area that was connected to the stream were observed. Threshold-like relations between maximum connectivity and total stormflow and between maximum connectivity and the sum of total rainfall plus antecedent rainfall were more evident for the dolomitic catchments, where the riparian zone is characterized by a groundwater table near the soil surface. These preliminary results suggest that the delayed increase in subsurface connectivity relative to streamflow is likely not affected by the presence of a riparian zone. However, further analyses are needed to determine if morphology of the catchments affect the observed relations between subsurface connectivity and total stormflow. Finally, this thesis attempted to develop an index for the quantification of hysteretic loops between hydrological variables at the runoff event timescale. The index provides information on the direction, the shape and the extent of the loop. The index was tested with synthetic data and field data from experimental catchments in Northern Italy. Hysteretic relations between streamflow and soil moisture, depth to water table, isotopic composition and electrical conductivity of stream water were correctly identified and quantified by the index. The sensitivity of the index to the temporal resolution of the measurements and measurement errors was also tested. The index can successfully quantify hysteresis, except for very noisy data or when the temporal resolution of the measurements is not well suited to study hysteresis between the variables. Overall, this metric can be used to test if models reproduce temporal variability in hysteresis or to compare hydrological responses in different catchments or at different spatial scales.

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.