Hydro-glaciological modelling for the Dudh Kosi river basin, Nepal

Understanding the hydrological dynamics of high altitude glacierised regions in the Himalayas is becoming more and more important as flash floods and the related hazards along with the glacier-stored water resources depletion are increasingly affecting the livings and economies of millions of people. This thesis develops a tool for modelling the hydro-glaciological processes in the Dudh Kosi River basin, Eastern Nepal, with particular focus on the Khumbu glacier, located within the catchment on the flanks of Mount Everest. A semi-distributed hydrological model is implemented over the study area (3700 kmq) at a daily time step, fed by ground observations merged with satellite long term averages of meteorological variables; evapotranspiration, surface runoff, snow and ice ablation, groundwater flow are simulated. %dire which sat? The model is able to predict discharge time series along the river, yielding good NSE at the basin outlet; model performance is improved with respect to the previously adopted altitude belts hydrological model. Flood peaks magnitude during summer monsoon still constitutes the major challenge, suggesting that further studies are necessary to appropriately depict precipitation patterns and soil water contents. Thereafter, a finer scale hydro-glaciological model is set up for the subcatchment closed 4 km downstream the tongue of Khumbu glacier. The model specifically addresses the major glaciological processes, such as snow and clean ice melt, reproduced by means of a hybrid model, ice melt under debris cover, simulated with an energy budget approach, glacier dynamics and water storage within ice and snow. The predictions of discharge at Periche show good agreement with the observations, as well as ice velocities and ice ablation rates. The analysis shows that the Dudh Kosi River flow is dominated by ice melt at high altitudes (70% of annual discharge) with rainfall contributions increasing downstream (from 15% at Periche to 64% at Rabuwa Bazar). While decreasing, ice melt plays an important role in the downstream region, providing 30% of the annual discharge. The two scale modelling approach is able to simulate discharge along the Dudh Kosi River and to spatially describe ice ablation and glacier flow, thereby offering a tool for studying the fate of Khumbu glacier under different climatic scenarios and for assessing natural hazards and water availability in the remote Himalayan catchment.

La comprensione delle dinamiche idrologiche nei bacini Himalaiani d'alta quota diventa sempre più importante con il verificarsi più frequente di piene devastanti e lo scioglimento dei ghiacciai, dato l'elevato numero di persone colpite da questi eventi. Questa tesi vuole dunque sviluppare un modello idro-glaciologico per il fiume Dudh Kosi, nel Nepal Orientale, analizzando in particolare il ghiacciaio del Khumbu, situato alle pendici del Monte Everest. Viene utilizzato un modello idrologico semi-distribuito a celle con passo giornaliero, che utilizza in ingresso variabili meteorologiche rilevate da stazioni a terra integrate con dati satellitari mediati sul lungo periodo. Sono simulatati processi quali l'evapotraspirazione, il deflusso superficiale e sotterraneo, lo scioglimento di neve e ghiaccio. Il modello restituisce in uscita l'idrogramma simulato in diverse sezioni del fiume; alla sezione di chiusura si ottiene una buona efficienza e un miglioramento rispetto alle simulazioni del precedente modello a fasce altitudinali. Ciò nonostante, la previsione del valore dei picchi di piena monsonici rimane scarsamente accurata, indicando che la via per possibili miglioramenti consiste nell'approfondire la rappresentazione spaziale delle piogge. In secondo luogo, un modello idro-glaciologico a maggior risoluzione spaziale viene implementato per il ghiacciaio del Khumbu, simulando dettagliatamente lo scioglimento di neve, ghiaccio scoperto, ghiaccio coperto da detrito, nonché la dinamica e l'idrologia glaciali. Le portate alla sezione di chiusura, posta 4 km a valle del ghiacciaio, riproducono bene i dati osservati; lo stesso vale per le velocità del ghiaccio ed i tassi di fusione. Dal modello si ricava che nelle zone più a monte la portata del fiume Dudh Kosi è composta prevalentemente (70%) da fusione glaciale, mentre il contributo derivante dalle precipitazioni cresce dal 16% a monte al 64% alla chiusura di valle; l'ablazione glaciale risulta comunque rilevante a valle, dove contribuisce per il 30% al deflusso annuale. Tale approccio modellistico a doppia scala consente di simulare la portata del fiume Dudh Kosi in diverse sezioni, così come i processi di dinamica e ablazione glaciale spazialmente distribuiti; il modello, dunque, si candida come strumento per lo studio del rischio naturale e dell'evoluzione glaciale per diversi scenari climatici in un bacino Himalayano scarsamente strumentato.