GROUNDWATER-SURFACE WATER INTERACTION IN ALPINE CATCHMENT

The recognized evidence of global warming demands assessment of the present and future water cycle in Europe and worldwide. Recently, evidence of modified hydrological regime in the Alps under climate change has been documented. However, according to the IPCC Fifth Assessment Report, it is still necessary to deepen our understanding of the impact of climate change and land use on groundwater storage in the alpine catchment areas. A major limitation to the analysis of the surface water-groundwater interaction in alpine terrain are the difficultly of data acquisition as well as the limited presence of meteorological stations. These two factors considerably increase the uncertainty of a holistic representation of the hydrological processes and a reliable estimation of groundwater recharge. The aim of this research work is to improve the current knowledge on the interaction between surface water and shallow aquifers and to define a method for an integrated modelling of the main components of the water cycle at the catchment scale to be used as input for groundwater modelling. The collection and use of data and methods that allow for the maximum discretisation of the heterogeneity of the elements involved is the guiding thread of this work. The scientific approach is demonstrated for a complex case study, the Valtellina valley (northern Italy), to investigate the interaction among the components of hydrogeologic cycle and their future projections according to climate dynamics. This valley could be considered a perfect case study because it is characterized by an active system that rapidly reacts to meteorological and climatic variations. This is visible by the fluctuation of the groundwater and of the main river, Adda River, during extreme precipitation events and with snow melts during the spring/summer periods. The thesis is divided into three main sections. The first provides a description of hydro-stratigraphy of the Valtellina valley floodplain. This section includes the groundwater flow model in a steady state condition, developed by using FeFlow 7.2, and the relative automatic calibration process for the hydrogeologic parametrization. 5 The second shows the quantification of seasonal groundwater storage volume according to the residual water budget method for two hydrologic years. For the estimation of the main components (Precipitation, Evapotranspiration and Snow water equivalent), new promising satellite-based database and methods are tested. The last one describes the tranFinally, the flow model has been used to evaluate the impact on groundwater of possible climate change scenarios.sient groundwater flow model developed with dynamic boundary conditions obtained from satellite-based methods.

L'evidenza riconosciuta del riscaldamento globale richiede una valutazione del ciclo dell'acqua presente e futuro in Europa e nel mondo. Recentemente, è stata documentata l'evidenza di un regime idrologico modificato nelle Alpi sotto il cambiamento climatico. Tuttavia, secondo il quinto rapporto di valutazione dell'IPCC, è ancora necessario approfondire la nostra comprensione dell'impatto del cambiamento climatico e dell'uso del suolo sullo stoccaggio delle acque sotterranee nei bacini idrografici alpini. Una delle maggiori limitazioni all'analisi dell'interazione tra acque superficiali e sotterranee nei terreni alpini è la difficoltà di acquisizione dei dati e la limitata presenza di stazioni meteorologiche. Questi due fattori aumentano considerevolmente l'incertezza di una rappresentazione olistica dei processi idrologici e una stima affidabile della ricarica delle acque sotterranee. Lo scopo di questo lavoro di ricerca è quello di migliorare le attuali conoscenze sull'interazione tra le acque superficiali e gli acquiferi poco profondi e di definire un metodo per una modellazione integrata delle principali componenti del ciclo dell'acqua a scala di bacino da utilizzare come input per la modellazione delle acque sotterranee. La raccolta e l'uso di dati e metodi che permettono la massima discretizzazione dell'eterogeneità degli elementi coinvolti è il filo conduttore di questo lavoro. L'approccio scientifico è dimostrato per un caso di studio complesso, la valle della Valtellina (Italia settentrionale), per indagare l'interazione tra le componenti del ciclo idrogeologico e le loro proiezioni future secondo le dinamiche climatiche. Questa valle potrebbe essere considerata un perfetto caso di studio perché è caratterizzata da un sistema attivo che reagisce rapidamente alle variazioni meteorologiche e climatiche. Ciò è visibile dalla fluttuazione delle acque sotterranee e del fiume principale, l'Adda, durante eventi estremi di precipitazione e con lo scioglimento della neve durante i periodi di primavera/estate. La tesi è divisa in tre sezioni principali. La prima fornisce una descrizione dell'idrostratigrafia della pianura alluvionale della Valtellina. Questa sezione include il modello di flusso delle acque sotterranee in condizione stazionaria, sviluppato utilizzando FeFlow 7.2, e il relativo processo di calibrazione automatica della parametrizzazione idrogeologica. La seconda mostra la quantificazione del volume di stoccaggio stagionale delle acque sotterranee secondo il metodo del bilancio idrico residuo per due anni idrologici. Per la stima delle componenti principali (Precipitazione, Evapotraspirazione e Snow Water Equivalent), vengono testati nuovi promettenti database e metodi satellitari. L'ultimo capitolo descrive il modello di flusso transitorio delle acque sotterranee sviluppato con condizioni limite dinamiche ottenute dai metodi satellitari. Infine, il modello di flusso è stato utilizzato per valutare l'impatto sulle acque sotterranee di possibili scenari di cambiamento climatico.