Transport of solutes in streams with transient storage and hyporheic exchange

Environmental quality and health safety assessment often requires modeling of solute transport in rivers. Conceptually, a stream can be divided into distinct compartments mutually interacting through bidirectional exchanges of mass and momentum. A distinction can generally be drawn between a main channel, where the velocities are relatively high, and different types of storage domains, where the average velocity is sensibly lower. The downstream propagation of dissolved substances in streams is influenced by exchanges between the main channel and surrounding retention zones, typically vegetated pockets, pools of recirculating or stagnant water, and permeable subsurface. Submerged vegetation and, at a small spatial scale, microbial biofilms also constitute additional retention domains which can significantly contribute to determining the fate of the transported substances. A one-dimensional model for solute transport in rivers (STIR) with transient storage is presented within this thesis. The model is based on a stochastic approach which allows to express the concentration of a solute in the main channel of a stream as a function of the residence time distributions (RTDs) in the storage domains. As a general RTD model, STIR can be used either as a calibration model or as a predictive tool. When used as a calibration model, a form is assumed for the RTD in the storage zones, and the relevant parameters are determined by fitting the simulated breakthrough curves to concentration data from tracer tests. On the other hand, if enough information is available about the properties of the system, specific modeling closures can be incorporated in STIR to represent individual exchange processes separately. In this work applications of the STIR model to field cases are presented where the model is calibrated with tracer test data. Distinct forms of the RTD in the storage zones are assumed to assess the capability of the model to reproduce the observed tracer breakthrough curves. Results show that, when the RTD in the storage zones is represented as a weighted average of two exponential distributions, the model provides an excellent approximation of the experimental data for all the study reaches examined and a useful conceptual separation of the timescales of retention. However, since concentration distributions in streams result from a complex interaction between transport processes in the main channel and exchange processes with the storage domains, uncertainty can arise about the interpretation of the model parameters. The particular form assumed for the storage time distribution determines the parameters of both surface transport and transient storage. This limitation cannot be overcome with traditional field tracer tests, unless complementing the experimental data with an accurate hydrodynamic modeling of the flow in the main channel. In flume experiments where the hydraulic conditions can be strictly controlled, the effect of specific retention processes can be isolated, under proper assumptions, by comparison of the model parameters with those relative to a reference configuration of the system in which the retention processes under consideration are not present. This methodology is illustrated with an application of STIR to data from flume experiments with microbial biofilms. Another important distinction often required in water quality assessments is between in-channel and subsurface transient storage. The near-stream region of the porous bed affected by the concentration of solutes in the stream is known as the hyporheic zone, and is recognized to be extremely important for the evolution of a riverine ecosystem. Exchange between the stream and the underlying hyporheic zone is known to be primarily driven by advective processes which develop at several spatial scales because of separate mechanisms such as flow over bed forms, around obstacles and through bars and meanders. Specific modeling closures for the residence time distribution of bed form-induced hyporheic exchange are presented in this thesis for the case of homogeneous and stratified beds, extending previous works on the subject. These modeling closures can be incorporated in a general RTD transport model such as STIR to estimate in a predictive manner the effect of bed form-induced hyporheic exchange on the concentration of a solute in the surface water or, at least potentially, to estimate particular parameters of hyporheic exchange with an inverse approach.

La valutazione della qualità delle acque e le operazioni di monitoraggio ambientale richiedono spesso la caratterizzazione dei processi di trasporto e ritenzione di soluti nei sistemi fluviali. La propagazione a valle delle sostanze disciolte in un corso d'acqua, come nutrienti e contaminanti, è influenzata da scambi di massa tra corrente principale, dove le velocità sono relativamente elevate, e circostanti zone d'immagazzinamento temporaneo, tipicamente zone vegetate, sacche di ritenzione laterali e substrato permeabile, dove le velocità sono sensibilmente inferiori. Anche la vegetazione sommersa e, su piccola scala spaziale, i biofilm microbici costituiscono domini di ritenzione addizionali che possono condizionare sensibilmente il destino delle sostanze trasportate. Nel Capitolo 1 di questa tesi viene presentata una panoramica dei processi di trasporto attivi nei corsi d'acqua su diverse scale spaziali e temporali, evidenziando in particolare il loro contributo nell'equazione di bilancio di massa di un soluto. Il Capitolo 2 offre una rassegna dei principali modelli monodimensionali di trasporto ed immagazzinamento temporaneo proposti in letteratura. Nel Capitolo 3 viene presentato il modello di trasporto monodimensionale STIR (Solute Transport In Rivers). Tale modello si basa su un approccio stocastico che permette di esprimere la concentrazione di un soluto nel canale principale in funzione della distribuzione del tempo di residenza nei domini d'immagazzinamento. La formulazione a distribuzione generale del tempo di residenza rende STIR un modello flessibile e modulare che può essere usato sia come modello di calibrazione sia come strumento predittivo. Quando utilizzato come modello di calibrazione, la stima dei parametri si basa su dati di concentrazione ottenuti mediante prove con tracciante in sito. Si procede dunque assumendo una certa forma funzionale per la distribuzione del tempo di residenza nelle zone d'immagazzinamento e determinando i relativi parametri in modo da minimizzare le differenze tra simulazioni e dati sperimentali. Quando siano disponibili sufficienti informazioni sulle proprietà di un corso d'acqua, specifiche chiusure modellistiche possono essere incorporate nel modello STIR per rappresentare separatamente particolari processi di ritenzione e valutare in modo predittivo la risposta del sistema all'immissione di un soluto. Nel Capitolo 4 viene presenta un'applicazione del modello STIR a prove con tracciante in tre corsi d'acqua con caratteristiche molto diverse in termini di portata, substrato e vegetazione. Distinte forme della distribuzione del tempo di residenza nelle zone d'immagazzinamento sono assunte per valutare la capacità del modello di riprodurre le curve osservate. I risultati mostrano che, quando la distribuzione dei tempi d'immagazzinamento è espressa da una media pesata di due distribuzioni esponenziali, il modello fornisce un'ottima approssimazione dei dati sperimentali in tutti i tratti di studio esaminati ed un'utile separazione concettuale delle scale temporali caratteristiche dei processi di ritenzione. L'interpretazione fisica dei parametri può tuttavia presentare delle incertezze, in conseguenza del fatto che le distribuzioni di concentrazione nei corsi d'acqua risultano da una complessa interazione tra processi di trasporto nella corrente principale e processi di scambio con i domini di ritenzione. In particolare, se i parametri del trasporto superficiale non sono fissati a priori, essi dipendono dalla forma specifica assunta per la distribuzione dei tempi d'immagazzinamento. Questa limitazione non può essere superata attraverso tradizionali prove con tracciante, se non integrando i dati sperimentali con un'accurata modellazione idrodinamica del corso d'acqua. Nel caso di prove con tracciante eseguite in canaletta, dove le condizioni idrauliche sono in genere strettamente controllate, l'effetto di particolari processi di ritenzione può essere isolato, sotto specifiche assunzioni, prendendo come riferimento una configurazione di base del sistema in cui tali processi non siano attivi. Questa metodologia viene illustrata nel Capitolo 5 con un'applicazione del modello STIR volta a caratterizzare l'effetto ritentivo di biofilm microbici mediante esperimenti in canaletta. Negli studi di vulnerabilità di sistemi fluviali è utile distinguere tra processi d'immagazzinamento superficiale e sotto-superficiale. Risulta importante, in particolare, caratterizzare la ritenzione di soluti nella regione del letto, nota come zona iporeica, che è direttamente influenzata dalla concentrazione nella corrente superficiale. Essa costituisce infatti un importante ambiente di transizione e riveste un ruolo fondamentale per l'evoluzione di un ecosistema fluviale. Lo scambio tra la corrente e la sottostante zona iporeica è primariamente dovuto a processi convettivi che si sviluppano su diverse scale spaziali a causa dell'interazione fra corrente e irregolarità dell'alveo, quali forme di fondo, barre alternate e meandri. Nei Capitoli 6 e 7 sono derivate specifiche chiusure modellistiche per lo scambio iporeico indotto da forme di fondo in letti omogenei e stratificati che estendono precedenti studi in materia. Tali chiusure modellistiche possono essere incorporate in un modello di trasporto come STIR per stimare in modo predittivo l'effetto dello scambio iporeico indotto da forme di fondo sulla concentrazione di un soluto nell'acqua superficiale o, almeno potenzialmente, per stimare i parametri dell'immagazzinamento iporeico mediante un approccio inverso.