Understanding sediment production in Alpine basins to improve integrated risk scenarios

Rivers, streams, and water courses have always been posing a risk to human life. The need for fresh water supply pushed people to settle nearby rivers from ancient times until the urbanization of XX century, transformed mountain villages in cities and rivers from opportunity to hazard. Hydraulic risk has been studied for long time, but only in the last couple of decades a clear concept about the role of solid transport in floods, especially in mountain environments, arose. This research work stems from the knowledge that common approaches to the problem try to decouple water flows by sediment fluxes, in order to get to a simplified interpretation of processes. This approach is proved to be not effective enough to manage floods that evolve at a fast pace and involve a huge quantity of sediments. The need for an integrated simulation tool was clear. Development of this type of tool cannot be done without a solid knowledge of sediment transport dynamics at a little spatial and temporal scale. The knowledge need to be gained monitoring a real stream with several techniques to measure the phenomenon in all his aspects. In this thesis’ project, the construction of a one-of-its-kind database is shown, starting from the chosen techniques to data retrieving and interpretation. The use of Passive Integrated Transponders, surface analysis and bathymetry are presented to create a comprehensive description. The data analysis allowed to demonstrate the natural existence of the ‘History Effect’, previously observed just in laboratory flumes, as long as other findings linked to well-known processes’ simulation that lose significance at the single event scale. In conclusion, these data have been used as a benchmark to test the Smart-SED code, which has been developed during the research and reached is first version at the end of PhD period. The code will greatly improve, thank to the high-resolution data collected in this thesis.

Fiumi, torrenti e corsi d'acqua hanno sempre rappresentato un rischio per la vita umana. La necessità di approvvigionamento di acqua dolce ha spinto le persone a stabilirsi nei fiumi vicini fin dai tempi antichi fino all'urbanizzazione del XX secolo, trasformando i villaggi di montagna in città e fiumi da opportunità a pericolo. Il rischio idraulico è stato studiato per molto tempo, ma solo negli ultimi due decenni è emerso un concetto chiaro sul ruolo del trasporto solido nelle alluvioni, soprattutto in ambienti montani. Questo lavoro di ricerca nasce dalla consapevolezza che approcci comuni al problema cercano di disaccoppiare i flussi d'acqua dai flussi di sedimenti, al fine di arrivare a un'interpretazione semplificata dei processi. Questo approccio si è dimostrato non abbastanza efficace per gestire le alluvioni che evolvono a un ritmo veloce e coinvolgono un'enorme quantità di sedimenti. La necessità di uno strumento di simulazione integrato era evidente. Lo sviluppo di questo tipo di strumento non può essere fatto senza una solida conoscenza delle dinamiche di trasporto dei sedimenti su piccola scala spaziale e temporale. Le conoscenze vanno acquisite monitorando un flusso reale con diverse tecniche per misurare il fenomeno in tutti i suoi aspetti. In questo progetto di tesi viene mostrata la costruzione di un database unico nel suo genere, a partire dalle tecniche scelte fino al recupero e all'interpretazione dei dati. L'uso dei transponder integrati passivi, l'analisi della superficie e la batimetria sono presentati per creare una descrizione completa. L'analisi dei dati ha permesso di dimostrare l'esistenza naturale dell'"Effetto Storia", precedentemente osservato solo nei canali di laboratorio, nonchè di altri processi ben noti che perdono significato alla scala del singolo evento. In conclusione, questi dati sono stati utilizzati come benchmark per testare il codice Smart-SED, che è stato sviluppato durante la ricerca e raggiunto la prima versione alla fine del periodo di dottorato. Il codice migliorerà notevolmente, grazie ai dati ad alta risoluzione raccolti in questa tesi.