Soil erosion modeling in alpine catchment basins

Soil Erosion implies the physical removal of topsoil by various agents like rain, water flowing over and through the soil profile, wind, ice or gravitational pull. Amount of organic soil material transported by water is a major issue in Alpine areas, the study of which has become mandatory. As a hillslope erosion model, an open source software called SMART-SED had been developed. For the proper and accurate functionality of the software, an update was recommended for Infiltration and Evapotranspiration modules. For infiltration, three models, Philip Two Term, The Constant Flux method and Singh and Yu, were concluded to be the best ones in terms of their reliability and limited input parameters. For evapotranspiration, three models, which are Hargreaves-Samani, Priestley Taylor and Penman Monteith were selected. These three models were concluded to be useful in varying availability of weather input parameters. The validation and calibration of the recommended models was performed with satisfactory results using Matlab scripts. The outcome of SMART-SED is forseen to give elite alternative for the study of solid erosion modeling. As a part of future validation of modified SMART-SED, results from the study of two physically based soil erosion models Erosion 3D and OpenLISEM were set as reference. The two models were applied on two synthetic cases to study the performance in terms of prediction of sediment erosion, deposition and runoff. The validation of results was not possible as the actual field data was not available. So, a sensitivity analysis was performed for both models based on the critical input parameters to study the model variability depending on slope, land use and soil type. Another study was performed taking a small experimental basin in Brescia, Lombardy. A plot scale experiments was performed on this area as found in the literature, the results for which were available. So, proper comparison between the two models was performed based on the results from field the experiment. Therefore, it was shown that Erosion 3D and OpenLISEM are useful tools for sediment modeling application and thus the results are valid for the future validation of SMART-SED.

L’erosione del suolo è un fenomeno fisico complesso che avviene diffusamente su tutte le superfici emerse terrestri a causa dell’azione degli agenti atmosferici quali la pioggia e il vento. Tuttavia anche il ruscellamento delle acque superficiali, che si genera a valle dei processi di infiltrazione, è in grado di incrementare l’erosione del suolo veicolandone anche il trasporto. In ambienti montani, tali processi idro-geologici sono generalmente molto attivi per cui il loro studio attraverso modelli numerici deterministici è diventato fondamentale al fine della valutazione di potenziali “Hazards”. Nell’ambito del progetto SMART-SED, è stato elaborato un modello numerico conservativo che ha il compito di simulare la produzione erosiva a livello di bacino. Al fine di migliorarne le prestazioni, è stato effettuato un aggiornamento delle parti che si occupano della modellazione dei processi di infiltrazione ed evapotraspirazione del suolo che sono necessari per la corretta valutazione della componente di ruscellamento superficiale. Per i processi di Infiltrazione ed Evapotraspirazione sono stati scelti alcuni dei molteplici modelli presenti in letteratura che fossero facilmente implementabili in SMART-SED ma anche sufficientemente accurati. In particolare, per l’Infiltrazione sono stati considerati. “Philip Two Term Method”, “The Constant Flux Method", e “Singh and Yu Method”, mentre per l’Evapotraspirazione sono stati selezionati “Hargreaves-Samani Formula”, “Priestley Taylor Formula” e “Penman Monteith FAO Model”. Di questi, la validazione e la calibrazione è stata ottenuta riferendosi a dati di letteratura per diversi tipi di suoli ed è stata automatizzata tramite software Matlab. Un’ulteriore attività ha riguardato la selezione di alcuni modelli completi di valutazione dell’erosione allo scopo di poter proporre dei casi studio “benchmark” per la validazione e calibrazione del modello SMART-SED. A questo proposito, i modelli Erosion 3D e OpenLISEM sono stati scelti come riferimento. I due modelli sono stati applicati su due casi sintetici, una versante piano e una piccola valle, per studiare le loro prestazioni in termini di previsione di erosione, trasporto e deposizione dei sedimenti. A questo proposito, è stata eseguita un'analisi di sensitività per entrambi i modelli sulla base dei parametri di taratura critici e per valutarne la variabilità a seconda della pendenza, dell'uso e del tipo di suolo. Non disponendo dei dati reali di produzione erosiva relativi ai due casi sintetici precedenti, è stato condotto uno studio ulteriore su un piccolo bacino sperimentale presso Case di Viso, in Val Camonica. Basandosi sulle valutazioni presenti in letteratura degli esperimenti condotti in quest’area, è stato eseguito un confronto quantitativo con le simulazioni condotte nell’area dai due modelli considerati. Dai risultati ottenuti, è stato dimostrato che Erosion 3D e OpenLISEM sono in grado di riprodurre quanto osservato sperimentalmente per cui sono da ritenersi idonei strumenti di confronto per la futura validazione del modello numerico SMART-SED.