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Benettin, Paolo (2015) Catchment transport and travel time distributions: theoretical developments and applications. [Tesi di dottorato]

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Documento PDF (Tesi di dottorato in formato pdf, comprensiva di frontespizio, abstract inglese e italiano, bibliografia) - Versione aggiornata
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Abstract (inglese)

The fate of water and solutes introduced into a watershed and sampled at the catchment outlet depends on a number of factors that include the underlying climatic forcing and the heterogeneity of subsurface environments. After a storm event, the hydrologic response of a watershed is known to rapidly displace large amounts of water that had been contained in the system storage prior to the arrival of the storm. The actual time spent by non-event water particles within the catchment spans a large range of timescales and typically exceeds the characteristic times of the hydrologic response by at least two orders of magnitude. Inferring water age is crucial for our understanding of streamflow generation and catchment-scale dispersion processes. Water travel time distributions can be used to address a number of environmental challenges, such as modeling the dynamics of river water quality, quantifying the interactions between shallow and deep flow systems and understanding nutrient loading persistence. The need for robust yet simple mathematical tools to describe water age dynamics is here addressed using a catchment-scale approach. In this context, water particles can be seen as a dynamic population whose evolution can be described through suitable partial differential equations. Novel theoretical solutions are here proposed, with extensive applications to real-world case studies that include the transport of chloride, isotopic content and silica. Coupling transport models to high-quality hydrochemical datasets allows for inferences on water age distributions and proves able to explain different features of measured water quality dynamics. The applications allowed an improved understanding of the underlying transport processes and many further developments can be foreseen along the path here pursued, inching towards a watershed theory.

Abstract (italiano)

Le dinamiche dell’acqua e dei soluti introdotti nei bacini idrografici e campionati alle rispettive sezioni di chiusura dipende da numerosi fattori, tra cui l’influenza del clima e l’eterogeneità dell’ambiente sotterraneo. In seguito a un evento di precipitazione, la risposta idrologica di un bacino innesca lo spostamento di volumi di acqua che in gran parte si trovavano già immagazzinati nel sottosuolo prima dell’inizio della precipitazione. Il tempo da cui tali particelle d’acqua si trovavano nel bacino può variare su un ampio intervallo di scale temporali e tipicamente supera i tempi caratteristici della risposta idrologica di almeno due ordini di grandezza. La stima dell’età dell’acqua ricopre notevole importanza nella comprensione dei meccanismi di deflusso e di dispersione alla scala di bacino. Le distribuzioni dei tempi di residenza, utilizzate in questa tesi, possono essere utilizzate per affrontare numerosi problemi ambientali, tra cui la modellazione idrochimica dei corsi d’acqua, la quantificazione degli apporti di deflusso superficiali o profondi e la stima della persistenza dei nutrienti nelle acque. La necessità di disporre di strumenti matematici semplici e robusti viene qui affrontata utilizzando un approccio a scala di bacino. In tale contesto, le particelle d’acqua si possono vedere come una popolazione dinamica che evolve nel tempo e descrivibile mediante opportune equazioni differenziali. Questa tesi propone nuovi sviluppi teorici e molteplici applicazioni a casi di studio reali, tra cui il trasporto di cloruri, deuterio e silice. Associando modelli di trasporto a misure idrochimiche è possibile ottenere una stima delle distribuzioni dei tempi di residenza, permettendo di spiegare diverse caratteristiche delle dinamiche dei soluti nei corsi d’acqua. Le applicazioni hanno consentito una migliore comprensione dei processi di trasporto a scala di bacino e segnano la strada verso ulteriori sviluppi orientati a una teoria generale del bacino.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Rinaldo, Andrea - Botter, Gianluca
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2015
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):tempi di residenza, trasporto idrologico, travel time distributions, catchment-scale, watershed, hydrology
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/02 Costruzioni idrauliche e marittime e idrologia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale
Codice ID:7669
Depositato il:13 Nov 2015 13:41
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