Catchment-scale transport phenomena: rainfall intermittency, age of runoff, anthropic catchment management

Complexity of transport phenomena at the catchment scale arises from the interconnection of several processes over a range of spatial and temporal scales. The hydrologic and biogeochemical response of catchments is produced by the highly non-linear interaction between meteorological forcing, landscape heterogeneity, and human activity. As a result, a simple experimental analysis does not give significant insight into the processes involved and exploring such phenomena is a challenging task. Nevertheless, investigating these processes is important in order to evaluate the dominant controls on catchment-scale mechanisms as well as predict the response of the systems to human activities and climate-related perturbations. This is particularly relevant in changing environments, where a deep understanding of the systems is critical for a proper management of landscape and water resources. This thesis aims at exploring catchment-scale transport phenomena by applying novel modeling tools to relevant case studies. Both deterministic and probabilistic approaches are followed, as the latter are required by the random nature physical processes whereas the former allow for the analysis of the systems under certain, well defined conditions. Model evaluations are supported by robust analyses of extensive datasets, whose purpose is not simply to validate the approaches but rather to provide further insight into the processes. Long term effects of hydrologic fluctuations are captured by stochastic models in terms of steady state statistical distributions of relevant physical quantities. This modeling approach provides a causal relationship between daily rainfall random fluctuations and daily stream flow variability, this, in turn, relates to the variability of stream stage, and in-stream nutrients removal. The stochastic approach is further extended to evaluate the effect of the daily variability of precipitation on the inter-annual variability of water balance. The application of the model to a large amount of experimental catchment across the United States shows how there exist regions where the daily variability of water partitioning is the major control on inter-annual variability of water balance, and regions where the inter-annual variability arises from controls other than the simple scaling-up of short term processes. A deterministic approach, namely Mass Response Function (MRF), is used to evaluate the effect of soil heterogeneities, as well as the effect of water-mixing mechanisms on the hydrologic and biogeochemical response of catchments. The main idea underlying this framework is that the evolution of solute and water pulses moving within the soil largely depends on their residence time. The application of the MRF model to a tracer study on nitrates and lithium suggests that runoff is composed by a collection of water particles with a mixture of ages and that, in this case, the effect of unmixed preferential flow can be ruled out. The MRF is then coupled with a `source zone' model suitable to describe pesticides release from the top soil layer in intensively managed catchments. This additional module proves necessary to properly simulate the pesticides transport mechanisms. The application of the model to a decade-long water-quality monitoring dataset suggests that the prediction of the agro-chemical response requires an accurate knowledge of the management practices. In particular, the interval between the occurrence of large rainfall events and the pesticide application dates seems to constitute the main control on the pesticide release dynamics. These considerations are of particular interest when modeling pesticides as they are exclusively of anthropic origin. Whereas, when considering other types contaminant such as nutrients, the anthropic component may be clouded by the effect of chemical soil production.

La complessità dei fenomeni di trasporto alla scala di bacino deriva dall'interconnessione di diversi processi su diverse scale temporali e spaziali. La risposta idrologica e biogeochimica dei bacini è il prodotto di interazioni altamente non lineari tra le forzanti meteorologiche, le eterogeneità del territorio e le attività umane. Di conseguenza, semplici analisi sperimentali non permettono un'adeguata comprensione dei processi coinvolti, e l'analisi di questi fenomeni rappresenta un obiettivo ambizioso. Tuttavia, l'esplorazione di questi processi è importante per valutare i controlli dominanti su meccanismi di trasporto alla scala di bacino e predirne la risposta idrologica e biogeochimica a perturbazioni climatiche ed alla gestione del territorio. Questo è particolarmente importante nel caso di ecosistemi in cambiamento, dove una profonda comprensione dei processi è fondamentale per una corretta gestione del territorio e delle risorse idriche. Lo scopo di questa tesi è l'analisi di fenomeni di trasporto alla scala di bacino attraverso l'applicazione di nuovi approcci modellistici a casi studio di interesse. A questo scopo si è utilizzato sia un approccio probabilistico sia un approccio deterministico: il primo richiesto dalla natura casuale di numerosi processi fisici coinvolti, il secondo necessario per analizzare le dinamiche sotto condizioni ben definite. Lo studio è supportato da una robusta analisi dei dati disponibili, il cui scopo non è semplicemente quello di validare i modelli ma piuttosto di fornire una comprensione più approfondita delle dinamiche in gioco. Gli effetti di fluttuazioni idrologiche nel lungo termine sono simulati attraverso distribuzioni di probabilità stazionarie relative a grandezze fisiche rilevanti. Questo approccio modellistico fornisce una relazione causale tra la fluttuazione giornaliera della pioggia e la fluttuazione giornaliera dei deflussi, la quale, a sua volta, è messa in relazione con l'atezza di moto nei corsi d'acqua ed infine con i processi rimozione di nutrienti nelle reti idrografiche. Tale approccio stocastico è successivamente utilizzato per valutare l'effetto delle fluttuazioni giornaliere delle precipitazioni sulla variabilità inter-annuale del bilancio idrico alla scala di bacino. L'applicazione del modello ad un esteso numero di bacini sperimentali, distribuiti sul territorio degli Stati Uniti, mostra come esistano alcune regioni dove le fluttuazioni della pioggia giornaliera rappresentano il controllo principale sulla la variabilità inter-annuale del bilancio idrico, ed altre regioni dove questa variabilità è determinata da altri processi che non necessariamente avvengono alla scala giornaliera. Un modello deterministico, detto Mass Response Function (MRF), è utilizzato per valutare l'effetto delle eterogeneità del suolo e dei meccanismi di mescolamento sulla risposta idrologica e biogeochimica dei bacini. Il concetto principale che caratterizza questo approccio si basa sull'assunzione che l'evoluzione degli impulsi di acqua e soluti che si muovono nel suolo sia prevalentemente governata dal relativo tempo di residenza. L'applicazione del modello MRF ad uno studio di traccianti effettuato utilizzando nitrati e litio suggerisce che i deflussi sono composti da un insieme di impulsi aventi differenti età e che, almeno nel caso in esame, l'effetto di flussi preferenziali non mescolati può essere trascurato. Il modello MRF è stato successivamente accoppiato con un modello detto `source zone' atto a simulare il rilascio di pesticidi dallo strato superficiale del suolo in bacini intensamente antropizzati. L'aggiunta di questo secondo modello si è dimostrata necessaria per rappresentare accuratamente le dinamiche di trasporto dei pesticidi. L'applicazione ad un caso di studio sperimentale suggerisce come la previsione della risposta agro-chimica richieda un'accurata conoscenza della pratiche agricole utilizzate. In particolare, l'intervallo tra la data di applicazione dei pesticidi e i primi eventi di pioggia successivi sembra costituire il fattore principale nelle dinamiche di rilascio di contaminanti. Queste considerazioni sono di particolare interesse nella modellazione dei pesticidi in quanto di origine esclusivamente antropica. Nel caso invece della modellazione contaminanti quali i nutrienti, la componente antropica può venire oscurata dalla produzione chimica del suolo.