Integrated surface-subsurface hydrological model of Valmalenco basin

The study of an alpine basin is conducted using a three-dimensional integrated surface-subsurface hydrological model, Parflow v3.6. This study focuses on Valmalenco (Rhaetian Alps), a high-alpine basin that extends from 4050m to 280m asl.. To numerically describe this basin, which is characterized by small aquifers, steep streams, glacial units, and shallow bedrock, a 3D computational grid of the subsurface is developed using data from various open-source databases. The domain is represented with a horizontal resolution of 250m and a vertical resolution that grows from 0.025m to 24m, consistent with a hydraulic conductivity distribution that minimizes numerical instabilities when modeling with Parflow. The choice of a growing time step, initialized at 0.01 hours, and the solver settings were discussed addressing the simpler Dupuit condition problem. We demonstrate that the problem, when solved under Dupuit conditions, converges independently of discretization and soil properties within the range of values typically used in Parflow simulations. The scripts necessary for the execution and processing of the command line interface software were developed. The initialization of Valmalenco’s water flows was simulated, starting with an almost saturated domain. A initial water table depth of 0.35m and no rainfall was the setup which reduced ponding in sink cells. By sequentially increasing the spatial distribution of soil properties and the temporal variability of rainfall intensities (with recession-rainfall cycles), we observed that the water table’s lowering at the valley bottom became increasingly dependent on the distribution of hydraulic conductivity while under mountain ridges it remains dependent on the steep subsurface slopes.

Lo studio di un bacino alpino è fatto utilizzando un modello idrologico integrato tridimensionale di superficie-sottosuolo, Parflow v3.6. Il caso di studio interessa il Valmalenco (Alpi Retiche), un bacino alpino che si estende da 4050m a 280m di altitudine. Per descrivere numericamente questo bacino, caratterizzato da piccoli acquiferi, torrenti ripidi, unità glaciali e roccia superficiale, viene sviluppata una griglia computazionale 3D del sottosuolo utilizzando dati provenienti da varie base di dati open-source. Il dominio è rappresentato con una risoluzione orizzontale di 250 m e una risoluzione verticale che cresce da 0,025 m a 24 m, coerente con una distribuzione della conducibilità idraulica che minimizza le instabilità numeriche delle simulazioni con Parflow. La scelta di un passo temporale crescente, inizializzato a 0,01 ore, e le impostazioni del solver sono state discusse simulando il problema con le condizioni di Dupuit. Dimostriamo che il problema, quando risolto nelle condizioni di Dupuit, converge indipendentemente dalla discretizzazione e dalle proprietà del suolo, nell’intervallo di valori tipicamente utilizzati nelle simulazioni con Parflow. In quell’occasione sono stati sviluppati gli script necessari all’esecuzione di questo software in command line interface. Successivamente, i flussi d’acqua nel Valmalenco sono stati simulati, partendo da un dominio quasi saturo, dove la falda è stata impostata una profondità di 0,35m o meno e in assenza di pecipitazioni. Questa configurazione ha contribuito a ridurre il ristagno nelle ’sink cell’. Aumentando progressivamente la distribuzione spaziale delle proprietà del suolo e la variabilità temporale delle intensità di precipitazione (cicli di pioggia e recessione), si osserva l’abbassamento della falda acquifera che nel fondo valle diventa sempre più dipendente dalla distribuzione della conducibilità idraulica, mentre sotto le creste montuose rimane dipendente dalla distribuzione delle forti pendenze.