Suspended sediment fluxes in an Alpine torrent basin

Suspended sediment transport regards the finer material present in the channel and can be defined as the mobilization of particles suspended in water columns. This process is highly influenced by several factors, especially in mountainous areas, where it depends upon the size, morphology and lithology of the catchment, the stability of the coarse surface layer, the vegetation cover, the soil moisture and the characteristics of the precipitation, among others. Due to the many factors controlling it, suspended sediment transport in mountainous streams features greater variability than in low-land rivers. The assessment of suspended sediment transport, which can contribute up to the 100% of the total sediment load in mountainous areas, becomes necessary for the study of the solid transport in this kind of watersheds. In this context, intensive monitoring and long data series are a basic key in understanding the dynamics of the fine sediment fluxes interpreting the interactions of the factors influencing them and predicting the suspended sediment loads. Even so, studies of the suspended sediment transport in mountain catchments with an extended monitoring period are rare in literature. This thesis aims to analyze the suspended transport dynamics occurring in the Rio Cordon catchment, located in the eastern Italian Alps (Dolomites). The general objectives are to investigate the quantity and effectiveness of the fine sediment delivered by the sources present in the basin area, to assess the main factors affecting the suspended sediment fluxes in both long- and short-term, and to identify hydrological thresholds that control the response of suspended sediments to the water inputs. The Rio Cordon is a small catchment of 5 km2, characterized by step-pool and riffle-pool morphology and by a mean slope equal to 13%. It features the typical Alpine climatic conditions, due to which the runoff shows a nivo-pluvial regime dominated by snowmelt between May and June and characterized by significant floods due to persistent rainfall in summer and early autumn. A continuous monitoring station located at the outlet of the basin provides us with data since 1986. Three decades of monitoring of fine sediment fluxes have been analyzed at different time scales, ranging from long- (30 years) to short- term analysis (single event). The assessment of the annual sediment budget through the whole study period has shown that during the three decades, 79% of the total load registered in Rio Cordon was suspended load (11962 t). Nonetheless, this contribution was heterogeneously distributed both seasonally and through the years. The study of the seasonal behavior throughout the whole study period permits to appreciate substantial differences among years. Before 2001 the years showing higher loads from snowmelt events than from rainfall events were rare (only 5 cases out of 15), while from 2001 to 2015, snowmelt was the main suspended sediment contributor of the year in 10 cases. The analysis of the single events included the study of several parameters, such as the water discharge, the suspended sediment concentration, the runoff volumes, the total suspended sediment load, the characteristics of the precipitation, and the previous rainfall conditions. Hysteresis relationship between water discharge (Q) and suspended sediment concentration (SSC) at the event scale was described by analyzing the SSC/Q ratios of the rising and descending limbs of hydrograph and sedigraph. The barycenters of the sedigraph and hydrograph were calculated using Varignon’s theorem of moments in aims to add information about the way SSC and Q change within the event. Once assessed the sediment transport characteristics of the single events occurring during the study period, the sediment entrainment conditions were investigated. In this context, an exhaustive comparison with the flood events occurring in the Carapelle torrent was performed. The Carapelle is a medium-sized catchment of 50 km2 located in the Apulia Region, characterized by a Mediterranean climate and geomorphologic conditions. The analysis of the flood events occurred in both catchments permitted to assess the differences between them and the common factors that control the transport dynamics. Whilst 67.6% of the events analyzed in the Rio Cordon showed a clockwise behavior, 88% of the events showed a counter-clockwise behavior in the Carapelle torrent. Antecedent precipitations had greater influence in the transport dynamics in the Carapelle, whilst the rainfall characteristics during the event were more relevant in the Cordon. Differences in the catchment size and in the coupling explained the main differencesbetween catchments. Statistical analyses suggested that the main factors affecting suspended sediment transport are related to the flood properties and to the precipitation characteristics in both catchments. Field campaigns developed in 2014 and 2015 in the Rio Cordon catchment highlighted different responses to the water input at different reaches of the main channel that have a role in the transport dynamics. The results of this long-term analysis in the Rio Cordon have highlighted the temporal heterogeneity of the transport dynamics in this catchment, as well as the unpredictability that characterizes them. The catchment shows a stability trend, which can be interrupted if a high intensity flood event takes place. In this case, some source areas remain active for some time after the event, and the following events (both rainfall and snowmelt) show higher supply conditions. The sediment sources that contribute to the suspended sediment budget are usually located in the surroundings of the lower part of the main channel, thus indicating low coupling between the hillslopes from the upper areas of the catchment and the stream main channel.

Il trasporto di sedimenti in sospensione riguarda il materiale fine presente nel corso d’acqua, e può essere descritto come la mobilizzazione delle particelle sospese nella colonna d’acqua. Nelle aree montane questo processo è definito da molteplici fattori, tali come la dimensione, morfologia e litologia del bacino, la stabilità dello stratto superficiale grossolano del letto fluviale, la copertura vegetale, il contenuto idrico del suolo e le caratteristiche delle precipitazioni. Dati i numerosi fattori che ne condizionano le dinamiche, il trasporto di sedimenti in sospensione in torrenti montani presenta una maggiore variabilità rispetto ai fiumi di pianura. Negli ambienti montani, il contributo del materiale fine alla quantità totale di sedimento trasportato può arrivare fino al 100%, perciò l’analisi e la quantificazione di questo tipo di trasporto è di fondamentale importanza. A tal fine, il monitoraggio continuo e ripetuto nel lungo periodo risulta indispensabile per lo studio delle dinamiche dei flussi di sedimenti fini, nonché per l’interpretazione delle interazioni fra i fattori che influiscono in esse e per la predizione delle produzioni solide. Nonostante ciò, i lavori che analizzano il trasporto in sospensione sulla base di a una lunga serie di dati sono particolarmente rari. L’obiettivo di questa tesi consiste nello studio delle dinamiche di trasporto del materiale sospeso nel bacino del Rio Cordon situato nelle Alpi Italiane. Il lavoro punta ad analizzare la quantità del materiale rilasciato dalle sorgenti di sedimento presenti nel bacino e l’effettività del trasporto, studiare i fattori principali che hanno un ruolo nel deflusso dei sedimenti sia nel breve che nel lungo termine, ed identificare le soglie idrologiche che controllano la risposta dei solidi ai contributi liquidi. Il bacino del Rio Cordon è un bacino dolomitico di piccole dimensioni (5 km2) il cui collettore principale è caratterizzato da morfologie a step-pool e a riffle-pool e da una pendenza media pari al 13%. Il bacino presenta le condizioni climatiche tipiche delle zone alpine, per le quali il regime nivo-pluviologico controlla il comportamento idrologico. Lo scioglimento nivale controlla i deflussi liquidi durante Maggio e Giugno, mentre durante l’estate e l’atunno il bacino è dominato da eventi di pioggia di alta intensità. Il monitoraggio continuo del bacino è stato permesso grazie ad una stazione sperimentale installata nel 1986 in corrispondenza della sezione di chiusura. Questo lavoro analizza tre decadi di dati di trasporto in sospensione in diverse scale temporali, partendo dal lungo periodo (studio interannuale) fino al breve periodo (studio di eventi singoli). Grazie alle serie di dati disponibili, sono state studiate le produzioni annuali.In tre decadi di monitoraggio sono state trasportate 11962 t di solidi sospesi, il 79% del materiale solido totale trasportato. Tuttavia, sia il contributo annuale che quello stagionale mostrano delle variazioni notevoli. Lo studio delle tendenze stagionali permette di aprezzare delle differenze fra i diversi anni. Prima del 2001, il contributo dello scioglimento nivale al trasporto in sospensione era molto limitato. Successivamente, tra il 2001 ed il 2015 si è visto come in undici eventi il contributo maggiore di solidi sospesi sia stato rappresentato dallo scioglimento nivale. Lo studio dei singoli eventi prevede l’analisi di diversi parametri, come le portate liquide, la concentrazione di sedimenti in sospensione, i volumi di deflusso, il trasporto totale di sedimenti fini, le caratteristiche delle precipitazioni e le condizioni di pioggia precedenti l’evento. Il rapporto d’isteresi fra la portata (Q) e la concentrazione di sedimenti in sospensione (SSC) a scala di evento è stato analizzato attraverso i valori di SSC/Q nel ramo ascendente e discendente dell’idrogramma e del sedimentogramma. I baricentri di queste due curve sono stati calcolati con il teorema dei momenti di Varignon con l’obiettivo di ottenere nuove informazioni sui cambiamenti di Q e SSC all’interno dell’evento. Questa procedura ha permesso di valutare la variabilità del trasporto in sospensione e di analizzare le condizioni di soglia per la mobilizzazione del materiale fine. È stato poi sviluppato un confronto tra questi risultati e quelli ottenuti dall’analisi degli eventi singoli registrati nel torrente Carapelle, un bacino di medie dimensioni (50 km2) situato nel nord della Puglia e caratterizzato da condizioni climatiche e geomorfologiche tipiche dei bacini mediterranei. Dal confronto tra le due aree di studio, è stato possibile individuare le differenze nel comportamento ed analizzare i fattori che ne controllano il trasporto di sedimenti. Il 67.6% degli eventi osservati nel Rio Cordon ha mostrato un’isteresi oraria, mentre nel Carapelle l’88% degli eventi ha presentato un ciclo antiorario. Inoltre, il Carapelle è più influenziato dalle pioggie antecedenti del Rio Cordon, mentre che quest’ultimo mostra una risposta leggermente alle charatteristiche della precipitazione durante l’evento. I motivi principali di tali differenze possono essere riconducibili alle diverse dimensioni dei bacini e alla diversità di connettività riscontrata in ogni bacino. Diverse analisi statistiche hanno rivelato che i fattori che più influenzano il trasporto di sedimenti in sospensione in entrambi i bacini sono le caratteristiche dei deflussi e le precipitazioni. I dati ottenuti dai lavori in campo sviluppati nel 2014 e 2015 nel Rio Cordon hanno sottolineato una risposta eterogenea ai deflussi da parte delle diverse aree del bacino. Questo ha delle conseguenze nelle dinamiche di trasporto. I risultati di questa analisi di lungo termine hanno sottolineato la grande eterogeneità temporale che caratterizza le dinamiche di trasporto all’interno di questo bacino, così come l’imprevedibilità delle produzioni solide. Nonostante il bacino tenda alla stabilità, questa tendenza può venire interrotta da eventi di alta intensità. In questo caso, l’attivazione di alcune aree sorgenti può causare il rilascio continuo di materiale anche durante gli eventi sucessivi (sia eventi di scioglimento che di pioggia), i quali mostrano dunque alte condizioni di disponibilità. Le aree sorgenti di sedimento che contribuiscono alla produzione totale misurata nella sezione di chiusura si trovano prevalentemente nelle vicinanze (oppure in prossimità) del collettore principale, a causa della disconnettività che caratterizza la parte intermedia del bacino.