Regional modelling of sediment connectivity in gravel-bed river networks. Modelling framework and application to the upper Po basin

Sediment connectivity is an important aspect to be considered in water resources management, which, however, implies modelling challenges at large scale, often preventing it from being properly implemented. A recent attempt to tackle this problem is represented by CASCADE model. CASCADE (CAtchment Sediment ConnectivityAnd DElivery) is a newly developed modelling framework (Schmitt et al., 2016) combining concepts of graph-theory and sediment transport models. The approach describes the delivery of sediment mixtures originating from multiple sources in a river network by implementing individual transport processes, called "cascades". This allows to provide disaggregated information about provenance and destination of single sediment loads and so to quantitatively describe sediment connectivity in river networks, also for wide basins thanks to relatively little computational efforts required. The main aim of this thesis is verifying the performances of CASCADE simulation on the network scale through the comparison with distributed sediment observations, with a particular focus on methodology and tools. This thesis focuses on the Upper Po river basin, for which more accurate data are available for both the calibration and the validation compared to the previous model applications. Moreover, as the Po River is basically characterised by gravel bed, it provides a novelty also from this point of view, since most previous CASCADE implementations focused on sandy rivers. Before presenting the study site application, a detailed formalisation of the CASCADE framework is provided, introducing key aspects about conceptualisation of processes and MATLAB implementation necessary to carry out the simulation and the elaboration of final outputs. Secondly, the modelling framework is integrated with further components specially developed during this thesis work to exploit currently available high resolution topographic and multi-spectral data, used to model the river network under study. Specifically an automatic tool to extract the graph of the river network was implemented in MATLAB based on a digital elevation model and on the Topotoolbox functions by Schwanghart and Kuhn (2010). The results of the simulation of sediment fluxes over the river network confirm the goodness of CASCADE model as a screening tool for large scale assessment of sediment connectivity, having provided qualitatively reasonable outputs and estimates quantitatively consistent with observed validation data. Specifically, large scale patterns of bed material composition and total sediment flux agree with our conceptual understanding. Beyond, and this is the major finding of this thesis, CASCADE was able to reasonably represent observations of grain size and sediment flux data locally available for the river network under study.

La modellizzazione del trasporto solido fluviale su larga scala presenta delle difficoltà modellistiche che spesso ne hanno limitato l’applicazione nell’ambito della pianificazione e gestione delle risorse idriche, pur costituendo un importante aspetto da implementare per non incorrere in problemi di alterazione della morfologia fluviale. Il modello CASCADE rappresenta un recente esperimento in questa direzione. CASCADE (CAtchment Sediment ConnectivityAnd DElivery, Schmitt et al. (2016)) costituisce un nuovo approccio modellistico che introduce degli elementi di teoria dei grafi per la modellizzazione del trasporto solido in una rete idrografica. Rispetto ai modelli di trasporto solido precedentemente sviluppati, CASCADE consente di modellizzare i flussi di sedimenti conservando informazioni disaggregate su provenienza e destinazione di ogni singolo carico di sedimenti, rappresentando dunque uno strumento utile per esplorare la connettività del trasporto di sedimenti su larga scala. I costi computazionali contenuti consentono la simulazione anche per bacini idrografici molto estesi. In questa tesi ci si propone di eseguire una simulazione dei flussi di sedimenti sulla rete fluviale del Piemonte, coincidente con la parte più a monte del bacino del Po, da validare con dati spazialmente distribuiti, e al contempo fornire una dettagliata descrizione dei processi modellizzati dal modello CASCADE e della loro implementazione in codice MATLAB. Il caso di studio della rete idrografica dell’alto Po presenta delle interessanti novità rispetto alle precedenti applicazioni di CASCADE, in quanto svolto per la prima volta su un bacino per cui sono disponibili dati di alta qualità sia per la taratura che per la validazione del modello. Si tratta inoltre di una rete fluviale caratterizzata da sedimenti ghiaiosi, che costituisce quindi un test nuovo anche sotto questo punto di vista, essendo prevalentemente sabbiosi i sedimenti trasportati dai fiumi oggetto delle analisi precedenti a questo lavoro. Prima di affrontare il caso di studio viene fornita una descrizione del modello CASCADE con particolare attenzione alla implementazione in codice MATLAB dei vari componenti, in cui vengono presentate le nozioni necessarie ad eseguire una simulazione e ad elaborarne i risultati. In secondo luogo viene descritta la procedura di pretrattamento dei dati, che ha previsto l’elaborazione di un nuovo componente, basato sulle funzioni del Topotoolbox di Schwanghart and Kuhn (2010), per l’estrazione della rete fluviale a partire da un modello digitale del terreno ad alta risoluzione, nonché l’integrazione di dati di origine multispettrale necessari per la caratterizzazione morfologica della rete idrografica in esame. I risultati della simulazione dei flussi di sedimenti nella rete fluviale confermano la validità del modello CASCADE come strumento di indagine per la valutazione della connettività dei sedimenti su larga scala. I risultati sono infatti qualitativamente ragionevoli e quantitativamente compatibili con i dati di validazione. Nel dettaglio l’andamento sulla rete fluviale dei flussi di sedimenti e della loro composizione granulometrica è coerente con le possibili considerazioni a livello concettuale. Inoltre, aspetto più interessante tra i risultati di questa tesi, con il modello CASCADE è stato possibile riprodurre in maniera soddisfacente i dati di validazione riguardanti la granulometria e i flussi di sedimenti localmente disponibili per la rete fluviale in esame.