Dynamic sediment connectivity modelling for strategic river basin planning

Rivers sediment (dis)connectivity is a distributed property of river networks, emerging from numerous sediment transport processes across the entire network and their interactions in time and space, and plays a profound influence on river health and human livelihood. However, anthropic activities have profoundly altered sediment transport in river systems: dam construction starves the channel and delta of material, while land-use change alters the characteristics and rate of sediment delivery. The resulting impacts range from delta shrinking and banks instability to ecosystem degradation in the river and on the connected floodplains. Nevertheless, the evaluation of sediment (dis)connectivity degradation by human activities is often performed at the local scale, ignoring the basin-wide implications on the network morphology and the cumulative effects of multiple alterations. The research in this thesis focuses on developing network-scale sediment (dis)connectivity models for sediment processes characterization and anthropic alteration impact assessment. First, this work contributes the CASCADE toolbox for sediment transport modelling , which expands on the original CASCADE (CAtchment Sediment Connectivity and DElivery) model by partitioning sediment transport into distinct grain size classes and including fractional transport formulas. The new structure allows for a more extensive representation on the type and rate of sediment delivery throughout the network. The scarcity of input data for network hydro-morphology definition is compensated by using recently available large-scale datasets and performing extensive sensitivity analysis on the model parametrization. The toolbox is applied on the Vjosa river in Albania to quantify and characterize sediment transport and its influence on river forms stability in a data-scarce environment. A second achievement is the development of D-CASCADE, a dynamic, network-scale sediment (dis)connectivity model. The framework traces sediment delivery and transport patterns across time and space, allowing for a more thorough representation of sediment (dis)connectivity. Add-ons components are integrated in the flexible model structure for detailed representation of channel morphodynamic response to sediment delivery alterations. We tested the D-CASCADE model on the Bega river network, in Australia, to reconstruct historical morphological changes due to human activities across two centuries. D-CASCADE represents an important tool for strategic and sustainable planning and management of multiple human infrastructures on river systems. In this research, we focused on water and sediment management in reservoirs, and demonstrated the potential of D-CASCADE to quantify the spatio-temporal effects of dam operations, both locally, e.g, reservoir storage losses due to sedimentation, and on the broader river sediment (dis)connectivity. The model network-scale scope allows for the representation of multiple reservoirs on the same system, and the evaluation of the changes in the cumulative effects on sediment transport given by different design and timing of reservoirs management strategies. These may include both standard operations like daily water release, and exceptional events like drawdown sediment flushing. The D-CASCADE model is tested on the 3S system, a tributary of the Mekong, to evaluate strategic water and sediment management in multi-dam schemes. Finally, the new models presented are designed to be integrated into optimization-based frameworks for strategic reservoir management, to evaluate optimal trade-off between more traditional objectives like hydro-power production and irrigation demand, and the conservation of natural sediment (dis)connectivity. Part of this research has appeared or are about to appear in the following journal publications: Tangi, M., Schmitt, R., Bizzi, S., Castelletti, A., 2019. The CASCADE toolbox for analyzing river sediment connectivity and management. Environmental Modelling & Software 119, 884 400–406. DOI:10.1016/j.envsoft.2019.07.008. Bizzi, S., Tangi, M., Schmitt, R.J.P., Pitlick, J., Piégay, H. & Castelletti, A.F. (2021) Sediment transport at the network scale and its link to channel morphology in the braided Vjosa River system. Earth Surface Processes and Landforms, 46( 14), 2946– 2962. DOI:10.1002/esp.5225. Tangi, M., Bizzi, S., Fryirs, K., & Castelletti, A. (2022). A dynamic, network scale sediment (dis)connectivity model to reconstruct historical sediment transfer and river reach sediment budgets. Water Resources Research, 58. DOI: 10.1029/2021WR030784. Tangi, M., Bizzi, S. and Castelletti, A. Strategic water and sediment management in reservoirs to reduce storage losses and protect network connectivity. (In preparation).

Con il termine (dis)connettività dei sedimenti si indica una proprietà distribuita delle reti fluviali, risultante dalle interazioni spaziotemporali di molteplici processi di trasporto solido lungo tutto il bacino idrografico, che influenza profondamente la salute del sistema fluviale e il benessere delle popolazioni locali che da esso dipendono. Le attività antropiche alterano i processi fluviali di trasporto di sedimenti: la costruzione di dighe, ad esempio, riduce l'apporto solido a canali e delta, mentre l'alterazione dell'uso del suolo modifica la tipologia e l'intensità dei contributi di materiali dai versanti. Queste modifiche portano a ampi impatti sul sistema fluviale, che possono includere restringimento dei delta, instabilità degli argini fluviali e deterioramento degli ecosistemi fluviali e delle adiacenti pianure alluvionali. Nonostante ciò, le analisi di impatto ambientale vengono solitamente svolte a scala locale, ignorando così le implicazioni a livello di bacino sulla connettività dei sedimenti e gli effetti cumulati di molteplici alterazioni su un singolo reticolo idrografico. La ricerca illustrata nel presente lavoro di tesi è focalizzata sullo sviluppo di modelli che riproducano la (dis)connettività dei sedimenti a scala di bacino, caratterizzando i principali processi morfologici responsabili, e valutino gli impatti delle alterazioni antropiche. Nella prima parte viene presentato ed illustrato il toolbox CASCADE, che permette la simulazione del trasporto di sedimenti sull’intero reticolo fluviale. Esso espande la struttura dell’originale modello CASCADE (CAtchment Sediment Connectivity And DElivery) includendo la rappresentazione differenziata del movimento di particelle di diverse grandezze attraverso l’uso di formule di trasporto solido frazionario. Questa nuova struttura permette di esplicitare la tipologia e la composizione dei materiali trasportati e depositati in ogni punto del sistema fluviale. La mancanza di dati di input distribuiti, raramente resi disponibili dalle campagne dati locali, è compensata dall’uso di database idro-morfologici a larga scala e dall’impiego di analisi di sensitività sui parametri in ingresso al modello. Il toolbox è stato applicato sul fiume Vjosa, in Albania, con lo scopo di quantificare e caratterizzare il trasporto di sedimenti in un caso studio povero di dati e stabilire una relazione tra questi processi e la stabilità delle forme fluviali. Un secondo contributo consiste nella presentazione di D-CASCADE, un modello per la simulazione dinamica della (dis)connettività dei sedimenti. D-CASCADE risulta capace di tracciare il trasporto di materiali sia nello spazio che nel tempo, garantendo una più completa rappresentazione dei processi morfologici. Componenti “add-on” sono stati integrati nella struttura flessibile del modello, garantendo così una rappresentazione più dettagliata della morfodinamica dei canali fluviali in risposta a cambiamenti nella disponibilità e nell’ apporto di materiali solidi. D-CASCADE è stato testato sul fiume Bega, in Australia, per la ricostruzione di cambiamenti morfologici avvenuti lungo due secoli causati da attività umane nel bacino idrografico. D-CASCADE rappresenta, inoltre, uno strumento innovativo per la pianificazione e la gestione strategica e sostenibile di molteplici infrastrutture antropiche su una singola rete fluviale. In particolare, la ricerca qui presentata si concentra sulla regolazione del bilancio idrico e dei sedimenti nei bacini delle dighe, e dimostra l’ampio potenziale di D-CASCADE per la valutazione degli effetti, dislocati nello spazio e nel tempo, delle differenti strategie di gestione degli impianti, sia a livello locale, es. ad esempio attraverso il progressivo interramento dei bacini, sia sulla (dis)connettività dell’intero reticolo. La prospettiva a larga scala permette di simulare la presenza di molteplici dighe su un singolo sistema fluviale, e di valutare gli effetti cumulati delle loro operazioni di gestione dei serbatoi sui processi morfologici; siano esse procedure standard come il rilascio giornaliero dall’impianto, o straordinarie come interventi di fluitazione a bacino vuoto per la rimozione del materiale depositato. Il modello D-CASCADE è stato applicato al sistema 3S, un tributario del Mekong, per esplorare strategie sostenibili di gestione dell’acqua e dei sedimenti in molteplici dighe localizzate nello stesso sistema fluviale. I nuovi modelli proposti sono stati sviluppati per essere integrati in processi di ottimizzazione della pianificazione e gestione di dighe, al fine di indentificare compromessi tra obiettivi tradizionali, come la produzione idroelettrica o la domanda irrigua e la protezione della naturale (dis)connettività dei sedimenti. Parte della ricerca illustrata nel presente lavoro di tesi è stata pubblicata, o è in procinto di esserlo, sulle seguenti riviste scientifiche: Tangi, M., Schmitt, R., Bizzi, S., Castelletti, A., 2019. The CASCADE toolbox for analyzing river sediment connectivity and management. Environmental Modelling & Software 119, 884 400–406. DOI:10.1016/j.envsoft.2019.07.008. Bizzi, S., Tangi, M., Schmitt, R.J.P., Pitlick, J., Piégay, H. & Castelletti, A.F. (2021) Sediment transport at the network scale and its link to channel morphology in the braided Vjosa River system. Earth Surface Processes and Landforms, 46( 14), 2946– 2962. DOI:10.1002/esp.5225. Tangi, M., Bizzi, S., Fryirs, K., & Castelletti, A. (2022). A dynamic, network scale sediment (dis)connectivity model to reconstruct historical sediment transfer and river reach sediment budgets. Water Resources Research, 58. DOI: 10.1029/2021WR030784. Tangi, M., Bizzi, S. and Castelletti, A. Strategic water and sediment management in reservoirs to reduce storage losses and protect network connectivity. (In preparazione).