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Gobbi, Alberto (2012) Caratterizzazione della risposta idrologica di un piccolo bacino alpino mediante dati idrometrici, isotopici e di conducibilitĂ  elettrica. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

This work investigates runoff generation processes in a small alpine catchment called Rio Vauz (1.9 km2) in the Dolomites (central-eastern Italian Alps), using hydrological, isotopic and electrical conductivity data collected during two years of observation. The thesis is partitioned in three main sections regarding: i) consistency analysis of laser absorption spectroscopy measurements for deuterium (d2H) and oxygen-18 (d18O) isotopic analysis; ii) role of soil moisture during runoff generation; iii) analysis of catchment response to rainfall and snowmelt events by means of isotopic, electrical conductivity and hydrometric data.

The first part of the work is dedicated to analyse the reproducibility of off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS)-derived d2H and d18O measurements on a set of 35 water samples by comparing the performance of four laser spectroscopes with the performance of a conventional mass spectrometer under typical laboratory conditions.
All samples were analysed using three different schemes of standard/sample combinations and related data processing to assess the improvement of results compared with mass spectrometry. The repeatability of the four OA-ICOS instruments was further investigated by multiple analyses of a sample subset to evaluate the stability of d2H and d18O measurements.
Results demonstrated an overall agreement between OA-ICOS-based and mass spectrometry-based measurements for the entire dataset. However, a certain degree of variability existed in precision and accuracy between the four instruments. There was no evident bias or systematic deviations from the mass spectrometer values, but random errors, which were apparently not related to external factors, significantly affected the final results.
Investigation revealed that analytical precision ranged from 0.56‰ to 1.80‰ for d2H and from 0.10‰ to 0.27‰ for d18O measurements, with a marked variability among the four instruments. The overall capability of laser instruments to reproduce stable results with repeated measurements of the same sample was acceptable, and there were general differences within the range of the analytical precision for each spectroscope. Hence, averaging the measurements of three identical samples led to a higher degree of accuracy and eliminated the potential for random deviations.
A subsection concerns identification of possible memory effect due to important differences between the isotopic content of the various samples and standard analyzed by means of different laser spectroscopes. This work focuses on water samples with very negative isotopic values, that are more prone to have problems, as seen in previous work. Memory effect is generally very high for the first few injections whereas it tends to be negligible after 8-10 injections.

The second section of the work investigates the role of soil moisture on the threshold runoff response in a small headwater catchment in the Italian Alps that is characterised by steep hillslopes and a distinct riparian zone. This study focuses on: 1. the threshold soil moisture-runoff relationship and the influence of catchment topography on this relation; 2. the temporal dynamics of soil moisture, streamflow and groundwater that characterize the catchment’s response to rainfall during dry and wet periods; and 3. the combined effect of antecedent wetness conditions and rainfall amount on hillslope and riparian runoff.
Results highlight the strong control exerted by soil moisture on runoff in this catchment: a sharp threshold exists in the relationship between soil water content and runoff coefficient, streamflow, and hillslope-averaged depth to water table. Low runoff ratios were likely related to the response of the riparian zone, which was almost always close to saturation. High runoff ratios occurred during wet antecedent conditions, when the soil moisture threshold was exceeded. In these cases, subsurface flow was activated on hillslopes, which became major contributors to runoff.
Finally, the influence of antecedent moisture conditions on runoff was also evident in the relation between cumulative rainfall and total stormflow. Small storms during dry conditions produced low runoff amounts, likely mainly from overland flow from the near saturated riparian zone. Conversely, for rainfall events during wet conditions, higher runoff values were observed and hillslopes must have contributed to streamflow. The dynamics of soil moisture along a hillslope were also analysed: for the same depth, lowest and most variable values of soil moisture are detected on the hillslope compared to the riparian area. The increase of soil moisture for rainfall events is higher during antecedent dry conditions and, for the same wet antecedent conditions, it is bigger when cumulative rainfall exceed 23 mm. Finally, the increase of soil moisture during rainfall events is generally greater moving from the riparian area to the hillslope.

The third and latest section of this thesis focuses on the runoff response of Rio Ponte catchment during snowmelt and rainfall events. The relative contribution of “old water” (i.e., pre-event water, typically groundwater) and “new water” (i.e., event water, rainfall or snowmelt) was quantified using d2H and d18O as tracers and applying the well known model of two-component hydrograph separation. “Old water” is the dominant contributor to total runoff during both snowmelt and rainfall events.
During the hydrograph rising limb of all events, the streamflow reflects the isotopic composition and the electrical conductivity of snow-derived water and rainfall, always lowly conductive for both types of events, isotopically light during snowmelt events whereas dependent on the environmental conditions during rainfall events. During the hydrograph recession limb, the streamflow turns back to the pre-event isotopic and electrical conductivity conditions, reflecting the highest contribution of “old water”.
Particularly, during the three snowmelt events occurred in late spring, when the entire watershed was extremely wet, the peak discharge corresponds to the lowest value of electrical conductivity and to the most depleted value of isotopic content (due to the isotopically light melted snow) sampled in the stream.
This temporal agreement leads to a linear relationship between the streamflow and the concentration of the two tracers. Conversely, during summer rainfall-runoff events, when the soil is wet but not completely saturated, a temporal delays between the streamflow and the tracer concentration (particularly marked for electrical conductivity) exists: this leads to a hysteretic relationship.
According to oxygen, event water is positively and significantly correlated with antecedent conditions (API for days between 3 and 30, antecedent moisture conditions at 30 cm midslope, pre-event discharge and pre-event mean water table) and indicators of runoff response as runoff coefficient, stormflow, total runoff and peak discharge. According to hydrogen, event water is positively and significantly correlated with maximum rainfall intensity, computed over different temporal intervals.
Therefore, during antecedent wet conditions and during events (both rainfall and snowmelt) with high runoff production, the fraction of event water in the hydrograph likely reflects the expansion of saturated areas (not only riparian but also at the bottom of hillslopes), also due to the activation of rapid preferential subsurface flows through hydrological connection between upland and riparian zones

Abstract (italian)

Questo lavoro di tesi esamina i processi di formazione del deflusso su un piccolo bacino alpino, denominato Rio Vauz (1.9 km2) e localizzato nelle Dolomiti (Alpi centro-orientali), utilizzando dati idrologici, isotopici e di conducibilità elettrica raccolti durante due anni di osservazione. La tesi è divisa in tre sezioni principali riguardanti: i) analisi di consistenza delle misure da spettroscopio laser per le analisi isotopiche di deuterio (d2H) e ossigeno18 (d18O); ii) analisi del ruolo dell’umidità del suolo durante la formazione di deflusso; iii) analisi della risposta idrologica del bacino agli eventi di pioggia e di fusione nivale mediante dati isotopici, idrometrici e di conducibilità elettrica.

La prima parte del lavoro è dedicata all’analisi di consistenza delle misure da spettroscopio OA-ICOS (Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy) relativo alle misure di d2H e d18O. Si tratta di un’apparecchiatura innovativa, il cui impiego per l’analisi della risposta isotopica di un bacino idrografico ha richiesto una verifica specifica della riproducibilità delle misure ottenute. A tal fine è stata analizzata tramite spettroscopio una serie di 35 campioni d’acqua confrontando i risultati ottenuti da quattro spettroscopi laser con quelli di uno spettrometro di massa convenzionale nelle tipiche condizioni da laboratorio.
Tutti i campioni sono stati analizzati usando tre differenti schemi di combinazione standard/campioni e ricorrendo al relativo processamento dei dati per valutare l’eventuale miglioramento dei risultati rispetto allo spettrometro di massa. La ripetibilità dei quattro spettroscopi laser è stata valutata anche mediante analisi multiple di un sottoinsieme di campioni per valutare la stabilità delle misure di d2H e d18O.
I risultati mostrano, per l’intero insieme di campioni, una buona congruenza tra le misure da spettroscopio laser e spettrometro di massa. Tuttavia, esiste un certo grado di variabilità nella precisione tra i quattro strumenti. L’analisi statistica ha evidenziato che non esistono deviazioni sistematiche rispetto ai valori dello spettrometro di massa; le differenze sono quindi di tipo casuale, non sono apparentemente legate a fattori esterni, ma possono condizionare il risultato finale.
Le analisi mostrano che la precisione analitica delle misure varia da 0.56‰ a 1.80‰ per d2H e da 0.10‰ a 0.27‰ per d18O, con una marcata variabilità tra i quattro analizzatori. La capacità globale degli spettroscopi laser a riprodurre risultati stabili con misure ripetute dello stesso campione è accettabile, con alcune differenze entro il range di precisione analitica per ciascun spettroscopio. Perciò, mediando le misure di tre identici campioni si ottiene un più elevato grado di accuratezza e si elimina il potenziale relativo a scostamenti casuali.
Una sottosezione si occupa di identificare possibili effetti memoria causati da importanti differenze tra i contenuti isotopici di vari campioni e standard analizzati mediante differenti spettroscopi laser. Il lavoro si focalizza su campioni d’acqua con valori isotopici molto negativi, che sono maggiormente predisposti a questo tipo di problema. L’effetto memoria è generalmente molto elevato per le prime iniezioni, mentre tende ad essere trascurabile dopo 8-10 iniezioni.

La seconda parte del lavoro analizza il ruolo dell’umidità del suolo nel quadro della formazione del deflusso in un piccolo bacino alpino di testata, caratterizzato da versanti molto ripidi e da aree riparie ben definite. Il lavoro considera in particolare i seguenti aspetti: 1. individuazione di una relazione a soglia tra umidità del suolo e deflusso ed influenza della topografia del bacino sul medesimo effetto soglia; 2. analisi delle dinamiche temporali dell’umidità del suolo, portata e falda che caratterizzano le risposte del bacino alle piogge con diverse condizioni di umidità antecedente; 3. esame dell’effetto combinato delle condizioni antecedenti di umidità e della cumulata di pioggia sul deflusso ripario e da versante.
I risultati evidenziano il forte controllo esercitato dall’umidità del suolo sul deflusso: esiste una chiara soglia nella relazione tra contenuto idrico del suolo e il coefficiente di deflusso, portata e il livello medio di falda sul versante. Valori modesti del coefficiente di deflusso sono in genere associati alla risposta della sola area riparia, che è quasi sempre vicina alla saturazione. Elevati coefficienti di deflusso si verificano in associazione con condizioni antecedenti umide, quando in genere viene superato il valore soglia di umidità. In quest’ultimo caso, si attiva il deflusso sottosuperficiale di versante che diventa il principale contributo del deflusso totale.
Infine, l’influenza delle condizioni antecedenti di umidità sul deflusso agisce anche nella relazione tra cumulata di pioggia e deflusso totale. Piogge modeste associate a condizioni antecedenti secche producono poco deflusso, quasi esclusivamente per deflusso superficiale da aree riparie prossime alla saturazione. Invece, per eventi di pioggia durante condizioni umide si verificano elevati valori di deflusso grazie al contributo dei versanti.
Sono state analizzate anche le dinamiche dell’umidità del suolo lungo un versante: a parità di profondità, i valori più bassi e più variabili di umidità si riscontrano sul versante rispetto all’area riparia. L’incremento di umidità del suolo in occasione di piogge è maggiore per condizioni antecedenti secche e, a parità di condizioni antecedenti umide, tale incremento è maggiore con cumulate di pioggia superiori alla soglia di umidità. Infine, l’incremento di umidità del suolo durante l’evento di pioggia in genere aumenta passando dall’area riparia a quella di versante.

La terza e ultima sezione della tesi si focalizza sulla risposta idrologica del bacino Rio Ponte durante gli eventi di fusione nivale e di pioggia. Il contributo relativo di acqua “vecchia” (acqua pre-evento, tipicamente di falda) e acqua “nuova” (acqua di evento, pioggia o acqua da neve fusa) è stato quantificato usando il deuterio e l’ossigeno 18 come traccianti e applicando il noto modello della separazione in due componenti. L’acqua “vecchia” rappresenta il principale contributo al deflusso totale sia durante eventi di fusione nivale sia di pioggia.
Durante il ramo di concentrazione dell’idrogramma di tutti gli eventi, l’acqua del torrente riflette la composizione isotopica e la conducibilità elettrica dell’acqua da neve fusa e della pioggia, che è sempre poco conduttiva per entrambi i tipi di eventi, isotopicamente leggera durante eventi di fusione nivale e dipendente dalle condizioni ambientali durante le piogge. Durante il ramo di recessione, l’acqua di torrente ritorna alle condizioni pre-evento di conducibilità e isotopia, riflettendo il maggior contributo di acqua vecchia.
In particolare, osservazioni condotte durante tre eventi di fusione nivale avvenuti in tarda primavera, in condizioni di bacino prossime alla saturazione, hanno evidenziato come il picco di portata corrisponda al minor valore di conducibilità elettrica e al massimo impoverimento isotopico del torrente (dovuto alla neve fusa isotopicamente leggera). Questa concordanza temporale porta al riconoscimento di una relazione lineare tra portata e concentrazione dei due traccianti. Al contrario, durante gli eventi estivi di pioggia, quando il suolo è umido ma non saturo, esiste un ritardo tra la portata e la concentrazione dei traccianti (soprattutto per la conducibilità elettrica) che porta ad una relazione isteretica.
La percentuale di deflusso “nuovo” calcolata tramite l’isotopo dell’ossigeno è positivamente e significativamente correlata con le condizioni antecedenti (caratterizzate tramite l’indice Antecendent Precipitation Index API, umidità antecedente a 30 cm misurata sul versante, portata pre-evento e livello falda pre-evento) e con gli indicatori della risposta idrologica (coefficiente di deflusso, deflusso diretto, deflusso totale e picco di portata). L’acqua “nuova” calcolata tramite l’isotopo dell’idrogeno è positivamente e significativamente correlata con l’intensità massima di precipitazione, calcolata su diversi intervalli temporali.
E’ possibile concludere che, per eventi caratterizzati da condizioni antecedenti umide e da afflussi importanti (sia di pioggia che di fusione nivale) con elevate produzioni di deflusso, la frazione di acqua “nuova” nell’idrogramma probabilmente riflette l’espansione delle aree sature (non solo aree riparie ma anche la parte inferiore dei versanti) nonché l’attivazione di vie preferenziali di deflusso sottosuperficiale grazie alla connessione tra aree riparie e di versante

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Borga, Marco
Supervisor:Penna, Daniele
Data di deposito della tesi:30 January 2012
Anno di Pubblicazione:31 January 2012
Key Words:separazione idrogramma, isotopi stabili, conducibilitĂ  elettrica
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/08 Idraulica agraria e sistemazioni idraulico-forestali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Codice ID:4827
Depositato il:26 Oct 2012 11:38
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