Tecniche di monitoraggio e modellazione delle dinamiche di espansione e contrazione della rete di drenaggio in un bacino mediterraneo

The research activities of the doctoral thesis were carried out within the European project DyNET (Dynamical River Networks: climatic controls and biogeochemical function). This project aims to study the dynamics of expansion and contraction of river networks, often mistakenly considered in the past as static objects. The experimental activities are aimed at understanding how specific climatic, geomorphological and biogeochemical factors affect these dynamics and how the different elements interact with the variability of the length of the active reticulum of watercourses. The purpose of the work presented in this thesis was to develop models that effectively describe the dynamics of expansion and contraction of the active drainage network of river networks in a basin with a temperate Mediterranean climate, both in terms of time and space; another goal was to evaluate the effectiveness of multispectral images acquired with the drones used to support the visual monitoring on site of the dynamics of the network. The work was divided into the following phases: (a) seasonal monitoring in the field, with a visual inspection of the drainage network of two selected sub-basins over an area of 1.15 km2, with frequency from biweekly to sub-weekly; (b) mapping and classification of the drainage network, distinguishing the various sections between temporary, perennial and inactive; (c) experimentation on the use of RGB, TIR (thermal– infrared, thermal infrared) and NIR (near-infrared) images from drone, to support the monitoring of temporal lattices; (d) statistical modelling of the length of the total active drainage network of the two sub-basins, taking into account the variability of some meteorological parameters (daily rainfall and potential evapotranspiration); (e) modelling of the spatial distribution of the active network based on the topographic and geological characteristics of the sub-basins. Through the research activities related to this doctoral thesis, the following specific objectives have been achieved: (a) further increase of available data relating to Mediterranean temporary rivers and proposal of innovative methods for monitoring the dynamics of temporary river networks, with the use of multispectral images (RGB, TIR and NIR) from drone to support direct ground surveys; (b) analysis of the time scales of the seasonal recession up to the complete drying of the temporary networks, through a new approach that puts them in relation with the relevant hydroclimatic variables and evaluating the role of potential evapotranspiration in the contraction of the network ; (c) evaluation of the importance of geomorphological and geolithological characteristics in modelling the spatial distribution of the active drainage network length.

Le attività di ricerca della tesi di dottorato sono state svolte nell’ambito del progetto europeo DyNET (Dynamical River Networks: climatic controls and biogeochemical function). Questo progetto si propone lo studio delle dinamiche di espansione e contrazione dei reticoli fluviali, spesso erroneamente considerati in passato come oggetti statici. Le attività sperimentali sono finalizzate alla comprensione di come specifici fattori climatici, geomorfologici e biogeochimici influenzano queste dinamiche e in che modo i diversi elementi interagiscono con la variabilità della lunghezza del reticolo attivo dei corsi d’acqua. La finalità del lavoro presentato in questa tesi è stata quella di sviluppare dei modelli che descrivano efficacemente le dinamiche di espansione e contrazione della rete di drenaggio attiva dei reticoli fluviali in un bacino a clima mediterraneo temperato, sotto l’aspetto sia temporale che spaziale; altro obiettivo è stato quello di valutare l’efficacia di immagini multispettrali acquisite con i droni usate a supporto del monitoraggio visivo in sito delle dinamiche della rete. Il lavoro è stato articolato secondo le seguenti fasi: (a) monitoraggio stagionale sul campo, con ispezione visiva della rete di drenaggio di due sottobacini prescelti su un’area di 1.15 km2, con frequenza da bisettimanale a sub-settimanale; (b) mappatura e classificazione della rete di drenaggio, distinguendo i vari tratti tra temporanei, perenni e inattivi; (c) sperimentazione sull’uso di immagini RGB, TIR (thermal – infrared, infrarosso termico) e NIR (near–infrared, vicino infrarosso) da drone, a supporto del monitoraggio dei reticoli temporanei; (d) modellazione statistica della lunghezza della rete di drenaggio attiva totale dei due sottobacini, tenendo conto della variabilità di alcune forzanti meteo-climatiche (piogge giornaliere ed evapotraspirazione potenziale); (e) modellazione della distribuzione spaziale della rete attiva sulla base delle caratteristiche topografiche e geologiche dei sottobacini. Attraverso le attività di ricerca relative a questa tesi di dottorato sono stati raggiunti i seguenti obiettivi specifici: (a) ulteriore incremento di dati disponibili relativi a fiumi temporanei mediterranei e proposta di metodi innovativi di monitoraggio delle dinamiche dei reticoli fluviali temporanei, con l’ausilio di immagini multispettrali (RGB, TIR e NIR) da drone a supporto dei rilievi diretti a terra; (b) analisi delle scale temporali della recessione stagionale fino al completo essiccamento dei reticoli temporanei, attraverso un nuovo approccio che li mette in relazione con le variabili idroclimatiche rilevanti e valutando il ruolo dell'evapotraspirazione potenziale nella contrazione della rete; (c) valutazione dell’importanza delle caratteristiche geomorfologiche e geolitologiche nella modellazione della distribuzione spaziale del reticolo attivo.