Analysis and modelling of surface runoff triggering debris flows

In the Dolomites, short-duration and high-intensity rainfalls produce abundant surface runoff in headwater catchments. These discharges often trigger debris flows on the scree slopes placed at the base of rock cliffs. With the aim to quantify the discharges delivered by these headwater catchments and associated rainfalls, we built a measuring facility at the outlet (elevation 1770 m a.s.l.) of a rocky channel incised on the Dimai Peak, near Cortina d'Ampezzo (Belluno province) in the Venetian Dolomites (North Eastern Italian Alps). The channel delivers surface runoff gathered by a small impervious headwater catchment (area ~0.032 km^2, average slope ~320%). The facility consists of a monitoring station equipped with a rain gauge, and trapezoidal-shape waterproof basin, closed by a sharp-crested weir. The recorded rainfalls allow us to verify the features that lead to runoff discharges or mass transport events. In the period 2011-2017, among the measured discharges, about fifteen runoff events were considered as significant. These observations provide a unique opportunity for improving knowledge about the hydrological response of a rocky headwater catchment. The recorded hydrographs show impulsive shapes, with a sudden raise up to the discharge peak, generally followed by a likewise rapidly decreasing tail. Furthermore, the discharges can be used to calibrate and validate hydrological models. We show that the observations can be modelled by means of a distributed hydrological model, assuming that the excess rainfall is accurately evaluated. More specifically, we show that the combination of the Soil Conservation Service Curve-Number (SCS-CN) procedure with constant routing velocities results in an underestimation of the flow peak and a delayed time of peak. Better predictions of the peak of discharge, its timing, and the impulsive shape of the hydrographs could be obtained by coupling the SCS-CN method with a simplification of the Horton equation, and simulating the routing of runoff along the channel network by means of a matched diffusivity kinematic-wave model. The reliability of the method is tested by comparing simulated and observed timings of hyper-concentrated runoff or debris flow triggering in two neighbouring dolomitic watersheds.In ambiente dolomitico, gli eventi di precipitazione di tipo convettivo, caratterizzati da brevi durate ed alte intensità, sono in grado di generare abbondanti deflussi superficiali alla base delle pareti rocciose. Questi deflussi incidono i ghiaioni presenti al piede dei bacini di testata e sono spesso responsabili dell'innesco di fenomeni di colata detritica. Con l'obiettivo di stimare le precipitazioni e portate dei deflussi superficiali, abbiamo installato una stazione di monitoraggio alla base del Campanile Dimai (gruppo del Pomagagnon - Dolomiti), nei pressi di Cortina d'Ampezzo (provincia di Belluno). La stazione è dotata di pluviometro e registra i dati di un misuratore di portata costruito in prossimità della sezione di chiusura (quota 1770 m s.l.m.) del canale roccioso inciso sul Campanile Dimai stesso. La struttura consiste in una piccola vasca impermeabilizzata di forma trapezoidale delimitata da uno stramazzo in parete sottile che raccoglie i deflussi generati dalle pareti rocciose del bacino di testata sovrastante (area ~0.032 km^2, pendenza media ~320%). Le precipitazioni registrate nel periodo 2011-2017 hanno permesso di capire quali caratteristiche portano alla formazione di deflusso e/o di trasporto solido nel bacino. Fra i vari idrogrammi registrati, è stato possibile considerarne significativi, sia in termini di valore di picco che di volume defluito, una dozzina. Queste misure sono un'occasione più unica che rara per approfondire la conoscenza riguardo alla risposta idrologica di questo tipo di bacini. Gli idrogrammi mostrano una risposta di tipo impulsivo, con un aumento improvviso del deflusso superficiale fino al valore di picco, seguito generalmente da un'altrettanto rapida decrescita. Queste misure di deflusso, inoltre, permettono di calibrare e validare i modelli idrologici. In questo lavoro, infatti, mostriamo come queste caratteristiche di deflusso possano essere riprodotte usando un modello idrologico distribuito, premesso che la precipitazione efficace venga valutata correttamente. L'utilizzo del metodo Curve Number del Soil Conservation Service (SCS-CN), combinato con la propagazione del deflusso a velocità costante, produce una sottostima del picco di deflusso ed un ritardo nel tempo di picco rispetto a quanto registrato. Per ottenere una riproduzione soddisfacente del valore di picco, del tempo di picco e della forma dell'idrogramma, il metodo SCS-CN deve essere accoppiato con una versione semplificata dell'equazione di Horton per la valutazione del deflusso generato. Inoltre, bisogna utilizzare un modello di onda cinematica, in cui la diffusività numerica è uguagliata a quella idraulica, per la propagazione della portata nel canale. Ad ulteriore conferma dell'affidabilità della metodologia sviluppata, vengono confrontate le tempistiche osservate e simulate per alcuni eventi di colata detritica/flusso iperconcentrato avvenuti in due bacini dolomitici in prossimità del bacino oggetto di studio