Human activities and climate change: evaluation of the impacts on mountain rivers

The aim of the thesis is the analysis of the effects of all the impacts due to human activities and climate change on mountain rivers, considering in particular different aspects: the hydromorphological conditions, the ecological flow evaluation, the combined effects of climate change and land use changes and the effects of reservoirs. The first part of the research is focused on the evaluation of the hydromorphological state of some mountain streams located in the Italian Alps. The analyses were carried out using the method CARAVAGGIO (Core Assessment of River hAbitat VAlue and hydro-morpholoGIcal cOndition), which complies with the EC Water Framework Directive. An intensive campaign of field surveys was conducted and a great amount of data was collected to obtain specific synthesis indexes. As a second step, a procedure able to merge the easiness of use of hydrological methods and the multi-factor approach of CARAVAGGIO was proposed to evaluate the ecological flow, i.e. a human modified flow regime that captures the natural flow variability in order to maintain the structure and the functional integrity of the aquatic ecosystem. The ecological flow was estimated from basic hydrological information, using a simple set of coefficients to take into account other quality issues, particularly the lentic-lotic features of flow regime. The third aspect that was considered is the combined effect of climate variability and human activities (land use change) on the natural streamflow. A case study based on a tributary of Lake Maggiore was carried out. A statistically identified change point was used to define the base period in the streamflow series. The application of different methods, hydrological sensitivity, climate elasticity, hydrological model and histogram matching approach allowed to estimate the anthropogenic and climatic effects on streamflow and to have an idea of the complicated non-linear relationship among streamflow, precipitation and temperature. Finally, the effects of reservoirs on the hydrological regime of the river are discussed. In particular, a methodology able to evaluate the changes in the river flow variance due to reservoirs was proposed.

Scopo della tesi è l’analisi degli effetti di tutti gli impatti dovuti alle attività antropiche e ai cambiamenti climatici sui corsi d’acqua di montagna, considerando in particolare diversi aspetti: l’idromorfologia, la definizione del deflusso ottimale da rilasciare nel corso d’acqua, gli effetti combinati di cambiamenti climatici e cambio di uso del suolo e gli effetti dei grossi invasi. Il focus della prima parte della tesi riguarda la valutazione delle condizioni idromorfologiche di alcuni corsi d’acqua montani situati in area alpina. L’analisi è effettuata con il metodo CARAVAGGIO (Core Assessment of River hAbitat VAlue and hydro-morpholoGIcal cOndition), che risponde alle richieste della Direttiva Quadro sulle Acque. E’ stata effettuata una campagna intensiva di rilievi sul campo, che ha permesso di raccogliere molti dati, al fine di ottenere degli indici di sintesi. Successivamente, si è utilizzata una procedura in grado di unire la semplicità di un approccio idrologico con l’approccio del metodo CARAVAGGIO, al fine di valutare il valore di deflusso ottimale da rilasciare a valle di opere di presa, ossia quel valore di deflusso che permette di mantenere i processi fisici, chimici e biologici in un corso d’acqua. Il terzo aspetto considerato è l’effetto combinato dei cambiamenti climatici e delle attività umane, inteso come cambiamento di uso del suolo, sulle portate dei corsi d’acqua montani. E’ presentato un caso di studio nel bacino del lago Maggiore. Dopo aver identificato un “change point” nella serie di portate considerata, si sono utilizzati diversi metodi (hydrological sensitivity, climate elasticity, hydrological model e histogram matching approach) per stimare la complessa relazione non lineare fra portata, pioggia e temperatura. Infine, si sono considerati gli effetti dei grossi invasi sul regime idrologico dei corsi d’acqua. Viene proposta una procedura per valutare i cambiamenti nella varianza della portata dei corsi d’acqua, dovuta agli invasi.