Water temperature in Alpine streams. A physically based model for the Lys creek, Italy

Water temperature controls many biochemical and ecological processes in rivers, like chemical reaction rate or oxygen solubility, essential for the reproduction of animals and plants and for the quality of irrigation water, thus for many fields in science it is necessary to understand and being able to reproduce its variation along the stream, as influences a wide range of aquatic organisms like fish, which have preference paths determined by the temperature. Here we studied the variation of river water temperature in the Lys River located in northeast of Valle di Aosta region in Italy, a river highly influenced by ice melt and withdrawals for hydropower production. We will see how all these factors have an affect on temperature using two different models found in literature: air2stream, an hybrid formulation between physical and stochastic models, developed in Trento University (Toffolon.M and S.Piccolroaz, 2015); and Poli-Wat.Temp, physical based model, developed in Politecnico di Milano (F. Fuso et al, 2022). Both models compute daily water temperature using air temperature data and discharge as input. For the application of the model it is necessary to collect meteorological and hydrological data at a daily scale, air temperature and discharge along the river for some specific points where we have some water temperature data, provided by ARPA Valle di Aosta. Calibration and validation of the models have been done by minimizing the difference between the observed values and the simulated ones, and results suggest that the proposed models in this study can be useful to describe the daily river temperature for medium and long-term behavior.

La temperatura dell'acqua controlla molti processi biochimici ed ecologici nei fiumi, come il tasso di reazione chimica o la solubilità dell'ossigeno, essenziali per la riproduzione di animali e piante e per la qualità dell'acqua di irrigazione, quindi per molti campi della scienza è necessario comprendere e poter riprodurre la sua variazione lungo il corso d'acqua, poiché influenza una vasta gamma di organismi acquatici come i pesci, che hanno percorsi di preferenza determinati dalla temperatura. In questo lavoro abbiamo studiato la variazione della temperatura dell'acqua del fiume Lys, situato a nord-est della Valle d'Aosta, un fiume fortemente influenzato dallo scioglimento dei ghiacci e dai prelievi per la produzione di energia idroelettrica. Vedremo come tutti questi fattori influiscono sulla temperatura utilizzando due diversi modelli presenti in letteratura: air2stream, una formulazione ibrida tra modelli fisici e stocastici, sviluppato presso l'Università di Trento (Toffolon.M e S.Piccolroaz, 2015); e Poli-Wat.Temp, modello a base fisica, sviluppato presso il Politecnico di Milano (F. Fuso et al, 2022). Entrambi i modelli calcolano la temperatura giornaliera dell'acqua utilizzando come input i dati di temperatura dell'aria e la portata. Per l'applicazione del modello è necessario raccogliere dati meteorologici e idrologici a scala giornaliera, la temperatura dell'aria e la portata lungo il fiume per alcuni punti specifici in cui disponiamo di dati sulla temperatura dell'acqua, forniti dall'ARPA Valle di Aosta. La calibrazione e la validazione dei modelli sono state effettuate minimizzando la differenza tra i valori osservati e quelli simulati, e i risultati suggeriscono che i modelli proposti in questo studio possono essere utili per descrivere la temperatura giornaliera del fiume per un comportamento a medio e lungo termine.