Risposta idrologica di recessione e morfologia della rete di drenaggio

The present study becomes part of the mathematical modeling of hydrological processes at the catchment scale. The main objective of this work is to examine the relationship between the hydrological response of a basin during the recession and its geomorphological characteristics. The recession curves represent the power law relationship between the discharge and the streamflow decline rate -dQ/dt = kQ^b. Recently it has been developed the geomorphological theory of recession hydrological response. The basic idea of this theory is that che power law relationship -dQ/dt = kQ^b originates from the power law relationship between the number of the channel heads of active drainage network (ADN) N(t) and its total length G(t) at time t. This study contributes to the validation of the geomorphological recession theory. The thesis work actually started from the examination of the catchment morphological properties obtained wid GIS tools, with the purpose to analyze the recessions of some mountain basins (Vermigliana, Fersina creeks). This analysis was carried out following the approach proposed by[Brutsaert and Nieber, 1977]. For one of test cases the spatial interpolation of precipitations was performed in order to examine eventual dependencies of the recession curve parameters on the heterogeneous spatial distribution of precipitations. Then, several numerical experiments were carried out in order to understand the dynamics of active drainage networks during the recession phase and to evaluate experimentally the factors of the links between "traditional" and "geomorphological" recession curves and relative parameters. The tool adopted in this work is the distributed hydrological model CATchment HYdrology (CATHY), which couples the subsurface flow in porous media with the surface flow. This model was applied to both a synthetic catchment (V-catchment) and some natural basins. The thesis work had positive feedback on some of the assumptions relative to recession curves. Also, the dependence of the recession curve parameters on the heterogeneity of the spatial rainfall distribution was investigated. The modeling of dynamic active drainage network with CATHY showed that the relationship between the flow rate and the ADN length is a power law with exponents less than one. The flow rate per unit length is variable in time, with a tendency to the stabilization for a long recession times. This finding is significant as the recent theory implies the constant flow rate per unit length. The simulated discharge drained into ADN is closed to the simulated discharge at the basin outlet. Therefore, it allows as to deduce that the method of analysis adopted in the present work is suitable tool for understanding of the complexity of the processes that determine the recession hydrologic response at the catchment scale. The obtained results will allow the improvements in the analysis of the relationships between geomorphological catchment properties and recession response processes.Il presente lavoro si inserisce nell'ambito della modellazione matematica dei processi idrologici a scala di bacino. L'obiettivo principale della ricerca svolta è lo studio delle relazioni tra la risposta idrologica di un bacino nella fase di recessione e le sue caratteristiche geomorfologiche. Le curve di recessione rappresentano la relazione tra la portata e la sua diminuzione nel corso del tempo, espressa nei termini della legge di potenza -dQ/dt = kQ^b. Recentemente si sta sviluppando la teoria geomorfologica della risposta idrologica di recessione. L'idea di fondo di tale teoria consiste nel fatto che la relazione -dQ/dt = kQ^b abbia origine dalla legge di potenza, la quale lega il numero delle origini dei canali attivi della rete di drenaggio N(t) e la sua lunghezza totale G(t) al tempo t. Il presente lavoro contribuisce alla validazione della teoria geomorfologica di recessione. Nella prima fase del lavoro sono state studiate le proprietà morfologiche del bacino ottenute con gli strumenti GIS al fine dell'analisi delle recessioni di alcuni bacini montani (torrenti Vermigliana, Fersina) seguendo l'approcio proposto da [Brutsaert and Nieber, 1977]. In uno dei casi è stata effettuata l'interpolazione spaziale delle precipitazioni con lo scopo di vagliare possibili dipendenze dei parametri di recessione dalla distribuzione spaziale eterogenea delle piogge. Nella seconda fase della ricerca sono state eseguite le sperimentazioni numeriche al fine di studiare la dinamica delle reti di drenaggio durante la fase di recessione e di valutare in modo sperimentale i fattori della relazione tra le curve di recessione "tradizionali" e quelle "geomorfologiche" e i parametri relativi. Lo strumento adottato nella ricerca è il modello idrologico distribuito accoppiato degli afflussi-deflussi CATchment HYdrology (CATHY). Il modello è stato applicato sia ad un bacino sintetico (V-catchment), sia ai bacini reali. Dallo studio effettuato si è avuto riscontro positivo su alcune delle ipotesi recenti relative alle recessioni. E' stata inoltre sperimentata la dipendenza dei parametri della curva di recessione dall'eterogeneità della distribuzione spaziale delle piogge. In merito alle modellazioni della rete dinamica realizzate con CATHY è emerso che la relazione tra la portata e la lunghezza della rete può essere espressa attraverso la legge di potenza con esponenti inferiori ad uno. La portata per unità di lunghezza è variabile nel tempo con tendenza alla stabilizzazione per i tempi lunghi. Tale constatazione è significativa, in quanto recenti teorie postulano la costanza della portata per unità di lunghezza. Le portate drenate nella rete dinamica si avvicinano alla portata totale simulata nella sezione di chiusura del bacino. Pertanto si ritiene che il metodo di analisi adottato sia lo strumento più adatto allo studio della complessità dei processi che determinano la risposta idrologica nella fase di recessione a scala di bacino. Lo studio effettuato potrà consentire gli approfondimenti necessari nell’analisi delle relazioni tra le proprietà geomorfologiche del bacino ed i processi di recessione