Analisi della connettività dei sedimenti in bacini montani colpiti da disturbi naturali

Sediment connectivity has become a fundamental concept to identify and analyse the linkages facilitating or inhibiting the sediment fluxes of any geomorphic system. Therefore, understanding how sediment connectivity operates and changes after natural disturbances, which can alter the properties of an entire geomorphic system, is fundamental to increase knowledge about functioning of mountain catchments. However, analysing the impact of such phenomena on sediment connectivity is still a major challenge. Hence, the main objective of the present PhD thesis is to investigate the effects of natural disturbances on sediment connectivity in different mountain catchments. In the first chapter, two case studies are presented from Chile, where large natural disturbances are a major source of disruption for river basins. The first study investigated the impact of a volcanic eruption by developing a multi-temporal analysis of a gemorphometric indicator (i.e. the Index of Connectivity - IC), used to measure the degree of linkage between hillslopes and channel. The results showed a large increase in IC values after the eruption, due to the land cover changes and the widening of the active channel triggered by the disturbance. The second study case addressed the effects of wildfires in a catchment in central Chile. The methodology developed from a refined version of the approach proposed in the first study to enhance the assessment of sediment connectivity in fire-affected areas. The outcomes indicated that fire severity and IC variations followed similar spatial patterns and that IC increased less after the second wildfire due to residual effects of the first event. The second chapter presents an analysis of the hydrological, geomorphic and sedimentological response of an alpine catchment to a storm. In 2018, the Vaia storm caused massive forest windthrows and large floods throughout the mountain sector of north-east of Italy. In this context, the comprehensive analysis carried out in the Rio Cordon catchment was necessary to inform about a wide range of effects that such event produced in a typical alpine stream. Sediment connectivity analysis, developed with IC and DEM of Difference (DoD), shed light on the role of the new sediment sources in providing the sediment from hillslopes to the stream. Therefore, the IC was used as a supportive tool to validate and link the outcomes of the other analyses, thus highlighting the whole sediment cascade. In the third chapter and last study case, a deep focus on the IC is presented. The study tried to respond to recent challenges and doubts concerning the reliability of the IC and the need for its validation. Specifically, the capability of IC in depicting structural connectivity and predicting functional connectivity was statistically evaluated in the Rio Cordon. First, for each sediment source of the catchment the connectivity status in respect to channel network was assessed. Then, different IC maps were computed and their capability in predicting the connectivity status was tested with logistic regression analysis. The results demonstrated that IC shows high accuracy when validating the static linkages and lower accuracy when predicting event-based linkages. Nevertheless, a threshold between high and low IC was derived, improving the reliability of IC maps as tools for watershed management. Overall, in this PhD thesis, insights about how to investigate sediment connectivity in different contexts were provided. In multiple catchments, affected by natural disturbances it was possible to derive a common and useful methodology to represent sediment connectivity and its evolution. Moreover, I pointed out that a more quantitative approach, based on IC and geomorphic change detection, could support a more holistic study. Finally, I assessed the true meaning of IC, emphasizing its advantages and disadvantages in an alpine catchment and opening new challenges in the field of sediment connectivity.

La connettività dei sedimenti è diventata un paradigma fondamentale per identificare e analizzare i collegamenti che facilitano o inibiscono i flussi di sedimenti di qualsiasi sistema geomorfologico. Quindi capire come la connettività dei sedimenti opera e cambia dopo disturbi naturali, capaci di alterare le caratteristiche di un intero sistema geomofologico, è essenziale per aumentare la conoscenza riguardo il funzionamento dei bacini montani. Tuttavia, analizzare l'impatto di tali fenomeni naturali sulla connettività è ancora una grande sfida. Perciò, l'obiettivo principale della presente tesi di dottorato è quello di indagare gli effetti dei disturbi naturali sulla connettività dei sedimenti in diversi bacini idrografici montani. Nel primo capitolo della tesi, sono presentati due casi di studio condotti in Cile. Il primo studio ha indagato l'impatto di un'eruzione vulcanica sviluppando un'analisi multi-temporale di un’indicatore geomorfometrico (Indice di Connettività-IC), che misura il grado di collegamento tra i versanti e il canale. I risultati hanno mostrato un incremento dei valori di IC dopo l'eruzione, dovuto ai cambiamenti di copertura del suolo e all'espansione del canale attivo. Il secondo studio ha affrontato gli effetti di incendi forestali in un bacino del Cile centrale. Per far ciò si è utilizzato un approccio più affinato del primo studio al fine di migliorare lo studio della connettività dei sedimenti nelle aree colpite dagli incendi. I risultati hanno indicato che la severità degli incendi e le variazioni di IC hanno seguito una distribuzione spaziale simile e che i valori di IC sono aumentati di meno dopo il secondo incendio a causa degli effetti residui del primo evento. Il secondo capitolo presenta un'analisi della risposta idrologica, geomorfologica e sedimentologica di un bacino idrografico alpino ad una tempesta. Nel 2018 la tempesta Vaia ha provocato vasti schianti da vento e inondazioni in tutto il settore montano del nord-est d'Italia. Perciò, l’analisi effettuata nel bacino del Rio Cordon è stata fondamentale per documentare i vari effetti che tale perturbazione ha prodotto in un tipico torrente alpino. L'analisi della connettività, sviluppata con IC e Dem of Difference (DoD), ha fatto luce sul ruolo delle nuove fonti di sedimenti nel fornire materiale dai versanti alla rete idrografica. Pertanto, l'IC è stato usato come strumento di supporto per collegare i risultati delle altre analisi. Nel terzo capitolo e ultimo caso di studio, viene presentato un approfondimento sull’IC. In particolare, la capacità dell'IC di rappresentare la connettività strutturale e di predire la connettività funzionale è stata valutata statisticamente nel Rio Cordon, utilizzando come campioni i collegamenti tra le fonti di sedimenti e la rete di canali. In primo luogo, si è proceduto a valutare lo stato di connettività per ogni fonte di sedimenti. In seguito, la capacità delle mappe di IC di predire tale stato è stata testata attraverso modelli di regressione logistica. I risultati hanno dimostrato che l'IC è accurato nel convalidare i collegamenti statici ma non riesce a predire i collegamenti basati sui processi. Ad ogni modo, si è derivata una soglia netta tra alto e basso IC, che potrebbe favorire l’uso delle mappe di connettività come strumento di gestione dei bacini montani. Nel complesso, in questa tesi ho fornito spunti su come indagare la connettività dei sedimenti in diversi contesti. In più bacini colpiti da disturbi naturali, è stato possibile derivare una metodologia utile per rappresentare la connettività dei sedimenti e le sue variazioni. Inoltre, ho sottolineato che un approccio più quantitativo, fondato sull’IC e sul rilevamento delle variazioni morfologiche, potrebbe sostenere uno studio più olistico. Infine, ho valutato la vera essenza dell’IC, sottolineando i suoi vantaggi e svantaggi, aprendo nuove sfide nel campo della connettività dei sedimenti.