A probabilistic approach to quantifying spatial patterns of flow regimes and network-scale connectivity

This thesis proposes a probabilistic approach for the quantitative assessment of reach- and network-scale hydrological connectivity as dictated by river flow space-time variability. Spatial dynamics of daily streamflows are estimated based on climatic and morphological features of the contributing catchment, integrating a physically based approach that accounts for the stochasticity of rainfall with a water balance framework and a geomorphic recession flow analysis. Ecologically meaningful minimum stage thresholds are used to evaluate the connectivity of individual stream reaches, and other relevant network-scale connectivity metrics. The framework allows a quantitative description of the main hydrological causes and the ecological consequences of water depth dynamics experienced by river networks. The analysis conducted in this thesis shows that the spatial variability of local-scale hydrological connectivity strongly depends on the spatial and temporal distribution of climatic variables. Depending on the underlying climatic settings and the critical stage threshold, loss of connectivity can be observed in the headwaters or along the main channel, thereby originating a fragmented river network. The network-scale approach developed in this work provides important clues for understanding the effect of climate on the ecological function of river corridors, and offers a new perspective to define ecological flows for the development of sustainable water policies.

Questa tesi propone un approccio probabilistico per quantificare la distribuzione spaziale della connettività idrologica alla scala di rete dettata dalla variabilità spazio-temporale dei deflussi. Le dinamiche spaziali dei deflussi sono definite sulla base delle caratteristiche climatiche e morfologiche del bacino contribuente, integrando un approccio fisicamente basato che descrive la stocasticità delle precipitazioni, ed incorporando un modello di bilancio idrologico e un modello di deflusso di recessione geomorfologica. La connettività idrologica lungo il reticolo idrografico è valutata sulla base di soglie associate a tiranti idrici ecologicamente significativi. Il modello proposto consente una descrizione quantitativa delle principali cause idrologiche e delle conseguenze ecologiche delle dinamiche dei tiranti sperimentate dalle reti fluviali. Le analisi condotte in questa tesi mostrano che la variabilità spaziale della connettività idrologica alla scala locale dipende fortemente dalla distribuzione spaziale e temporale delle variabili climatiche. I risultati evidenziano come la forma del reticolo connesso possa essere influenzata in modo cruciale dalle dinamiche idrologiche sottostanti. L'approccio a scala di rete sviluppato in questo lavoro fornisce importanti elementi per la comprensione dell'effetto del clima sulla funzione ecologica dei corsi d'acqua naturali e offre una nuova prospettiva per la definizione dei deflussi ecologici determinanti per lo sviluppo di politiche idriche sostenibili.