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Documento PDF - Padua@Research - Università degli Studi di

1. 0 06 0 06 0 6 0 5 bd 8 0 04 0 04 e 504 I 2 a e o to o 303 o 9 E o E 2 e 0 02 0 02 002 e ee 0 1 0 o Do bd 0 00 i K da 0 00 80 o 0 0 l 050 051 052 053 054 055 050 051 052 053 054 055 050 051 052 053 054 0 55 AMC midslope 30 cm AMC midslope 30 cm AMC midslope 30 cm 0 06 0 06 0 6 0 5 e 8 0 04 0 04 04 x 2 a a o a r A ao O E g 0 02 e 0 02 g 20 2 0 e o 0 1 e o o O bd 0 00 e A 0 00 o 0 0 l 0 30 0 35 0 40 0 45 0 30 0 35 0 40 045 0 30 0 35 0 40 0 45 AMC upslope 30 cm AMC upslope 30 cm ANC upslope 30 cm 0 06 0 06 0 6 05 8 0 04 0 04 e 04 T 2 e be 5 2 Q a 8 0 3 O pi a 0 02 0 02 5 02 p e oO o ci e e ow o 0 00 eo 0 00 e o 0 0 0 40 0 45 0 50 055 0 40 0 45 0 50 0 55 0 40 0 45 0 50 0 55 AMC media AMC media AMC media Figura 86 Relazione tra coefficiente di deflusso calcolato con separazione dell idrogramma mediante metodo grafico tracciante isotopico di idrogeno e ossigeno con AMC umidita antecedente del suolo in midslope upslope e media totale di ripario midslope upslope NB in tutte le relazioni che contemplano il coefficiente di deflusso stato escluso l ultimo evento campionato 25 26 ottobre 2011 a causa di coefficiente di deflusso molto elevato dovuto quasi certamente a rapida fusione nivale di una p
2. Ritardo ore tra l inizio della pioggia e Inizio Q Inizio US Inizio F Picco Q Picco US Picco F Media Tutti gli eventi 0 12 0 12 0 28 0 65 0 62 1 00 Eventi in condizioni secche 0 24 0 25 0 34 0 73 0 91 1 00 Eventi in condizioni umide 0 06 0 05 0 24 0 60 0 46 1 00 Mediana Tutti gli eventi 0 07 0 08 0 29 0 67 0 59 1 00 Eventi in condizioni secche 0 21 0 21 0 30 0 76 0 70 1 00 Eventi in condizioni umide 0 04 0 03 0 28 0 61 0 44 1 00 Deviazione Standard Tutti gli eventi 0 14 0 15 0 21 0 29 0 38 0 00 Eventi in condizioni secche 0 19 0 19 0 24 0 35 0 43 0 00 Eventi in condizioni umide 0 05 0 04 0 19 0 25 0 25 0 00 Tabella 21 Media mediana e deviazione standard dei tempi di ritardo normalizzati rispetto al ritardo del picco di falda Q portata US umidit media del suolo a 0 30 cm F livello medio della falda Sono esclusi gli eventi privi della risposta di falda Anche la falda media di versante mostra sempre una partenza e un picco ritardatati confermando precedenti osservazioni in altri sottobacini del bacino Rio Vauz Penna et al 2010 e altrove Kendall et al 1999 McGlynn et al 2004 La rapida saturazione del suolo nell area riparia potrebbe portare a una veloce risposta in termini di deflusso McGlynn and McDonnell 2003 mentre la percolazione pi profonda e la graduale estinzione del deficit idrico nel suolo verosimilmente portano ad un ritardo nella risposta della falda 91 In Fig 68 sono po
3. 102 6 1 Relazione tra isotopi dell acqua e conducibilit elettrica i 109 6 2 Analisi isotopica e di conducibilit elettrica degli eventi di fusione nivale 109 6 3 Separazione dell idrogramma di fusione nivale in due componenti 115 6 4 Analisi isotopica e di conducibilit elettrica degli eventi di pioggia 117 6 5 Separazione dell idrogramma di pioggia in due componenti eee 128 6 6 Relazione tra acqua di evento e parametri idrologici per eventi di pioggia 131 6 7 Paradosso dell acqua pre evento ar lalla 135 Capitolo Conclusioni eee er a re se N e TEE EEs 136 PIO OT AL a E A R e T ordea i 139 Riassunto Questo lavoro di tesi esamina i processi di formazione del deflusso su un piccolo bacino alpino denominato Rio Vauz 1 9 km e localizzato nelle Dolomiti Alpi centro orientali utilizzando dati idrologici isotopici e di conducibilit elettrica raccolti durante due anni di osservazione La tesi divisa in tre sezioni principali riguardanti i analisi di consistenza delle misure da spettroscopio laser per le analisi isotopiche di deuterio H e ossigeno18 5 O ii analisi del ruolo dell umidit del suolo durante la formazione di deflusso iii analisi della risposta idrologica del bacino agli eventi di pioggia e di fusione nivale mediante dati isot
4. 1 0 12 0 91 0 40 0 70 Il 2 1 63 0 15 0 30 0 02 3 0 02 0 98 0 98 0 36 media 0 60 0 57 1 89 0 11 1 1 69 0 14 1 41 0 21 IV 2 3 77 0 01 1 47 0 19 3 0 87 0 42 2 63 0 04 a media 1 50 0 18 0 52 0 62 Tabella 13 Risultati del t test a un campione e del sign test a un campione per gli scostamenti 8 H e 8 O dei campioni ripetuti Le analisi che producono differenze trascurabili tra spettroscopio laser e spettrometro di massa differenze non significative per a 0 05 sono evidenziate in grassetto 69 4 12 Effetto memoria di acque fortemente impoverite in O e 7H analizzate mediante differenti spettroscopi laser L utilizzo della spettroscopia ad assorbimento laser per la determinazione degli isotopi stabili dell acqua 3 H e 3 O scala VSMOW SLAP ormai diffusa in parecchi laboratori Il lancio sul mercato circa dieci anni fa del primo strumento basato sulla tecnologia OA ICOS e pi recentemente dello spettroscopio basato sulla tecnologia CRDS Cavity Ring Down Spectroscopy ha permesso di ottenere maggiori informazioni dagli isotopi stabili dell acqua usati come traccianti nelle applicazioni idrologiche da vari anni La diffusione di tale tecnologia stata favorita dal costo minore di questi strumenti rispetto al tradizionale spettrometro di massa IRMS dalle ridotte spese di analisi per ciascun campione dalla modesta manutenzione necessa
5. 88 0 12 0 Vv K T noi g 295 88 5 o p 12 2 o n E z3 89 0 12 4 S 290 i 89 5 12 6 285 90 0 12 8 13 08 10 9 00 13 08 10 15 00 13 08 10 21 00 14 08 10 3 00 14 08 10 9 00 Tempo Figura 102 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilita elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 13 14 agosto 2010 310 305 300 295 290 Conducibilit elettrica uS cm 285 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Portata I s Figura 103 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 13 14 agosto 2010 120 8 8 100 300 90 350 864 80 Dal 400 2 E E 847 70 E 450 z a 2 a ke Q a 60 E 500 S 8 25 4 E 2 E 50 g Z E 50 s z 8 04 DL 600 2 3 ih ni D Portata Lio di E 784 30 j Pioggia Falda 700 20 i Temperatura Rio Ponte 7 6 750 5 J 30 4 310 78 r 10 0 6 80 40 300 L 10 5 E S s 2 2 D 50 290 S 11 0 5 O 8d BD a a o o o Tala iv iv gt 94 A 6074 9 280 pi RSS a amp 8 A O jg 2 10 4 I fa io ar L I O SL 70 3 270 a 12 0 5 el 114 Ko 11 e 80 6 260 i Conducibilit doi z 87H Rio Ponte 18 13 4 90 250 O Rio Ponte 14 08 10 8 00 e 3 H Pioggi 14 08 10 16 00 15 08 100 00 15 08 10 8 H Pioggia A 180 pionaj Tempo 8 O Pioggia Figura 1
6. standard 2 standard 3 standard 1 a standard 2 standard 3 Figura 57 Stabilizzazione delle misure dello spettrometro Picarro di Trieste per i tre set di standard analizzati 73 Per quantificare la stabilizzazione delle misure stato calcolato l effetto memoria per le acque analizzate L effetto memoria EM stato calcolato seguendo in parte la procedura di Gr ning 2011 assumendo un decremento costante dell effetto memoria nel tempo Per ciascuna coppia di fialette adiacenti stata considerata la differenza isotopica d tra la media delle ultime tre iniezioni dei due campioni come la loro reale differenza isotopica d 18 17 16 18 17 16 10 dove 18 17 e 16 rappresentano il contenuto isotopico delle ultime iniezioni nella sequenza k un campione e j il precedente campione rispetto a k La media stata calcolata usando i valori delle ultime iniezioni per evitare la possibile influenza delle fluttuazioni casuali o il verificarsi di iniezioni incoerenti Penna et al 2010 Poi stata calcolata la differenza isotopica e tra la media delle ultime tre iniezioni del secondo campione e la sua prima iniezione e 18 17 16 13 11 dove 1 rappresenta il contenuto isotopico della prima iniezione del campione j Il calcolo di e quindi ripetuto per tutte le iniezioni Il rapporto f ala costituisce un approssimazione preliminare dell effetto
7. t smp 5 2 VESTO iii a Ge Ge ais Pe el ae Ge N x2 44 wn 2 0 18 16 14 12 10 8 6 4 18 16 14 12 10 8 6 4 LGR 1 iniezioni mediate LGR 1 iniezioni mediate 8 std 3 25 std 2 14 A smp 5 1 T6 aL N x2 EA ses Sees Eee OS ay aa a eae sente wn 3 curo ho locate dle 2 0 18 16 14 12 10 8 6 4 18 16 14 12 10 8 6 4 LGR 2 iniezioni mediate LGR 2 iniezioni mediate 0 6 7 3 std 3 25 std 2 14 0 5 Pod hot A smp 5 1 ie 04 Leo cede cbs eto leche Ve 0 3 7 wn 302 oO on 0 0 18 16 14 12 10 8 6 4 18 16 14 12 10 8 6 4 PIC 1 iniezioni mediate PIC 1 iniezioni mediate a A I O std 3 201 0 6 A ee Ra Rini TSS ST std 2 109 A smp 5 2 OD apo xo Fee Se a a becera m nn LE Sil pS ee ole Lo 0 3 gt D 3 x 0 2 io 5 0 1 0 0 18 16 14 12 10 8 6 4 18 16 14 12 10 8 6 4 PIC 2 iniezioni mediate PIC 2 iniezioni mediate Figura 59 Deviazione standard in funzione del differente numero di iniezioni mediate Tra parentesi la differenza tra la composizione isotopica del campione standard mostrato e la composizione isotopica della precedente fialetta analizzata nel vassoio 77 35 LGR 1 PIC 1 gt 30 S LGR 2 PIC 2 O 75 O c of 2 O E 20 G 9 g 154 o T 8 e 10 s Da la 5 ee g O o o 8 0 1 10 100 1000 differenza assoluta tra campi
8. i 65 PENA Ripetbilit cuiata delia 66 4 12 Effetto memoria di acque fortemente impoverite in O e H analizzate mediante differenti Spettroscopriastti eero alain 70 Capitolo 5 Influenza dell umidit del suolo sui processi a soglia di generazione del CETU SSO lol AI 81 5 1 Monitoraggio di precipitazione portata falda usrivicii ili 82 5 2 Relazione tra umidit a diverse profondit ii 83 5 3 Selezione degli eventi di pioggia e UellUSsso 8 astio li aeiaae acts 84 5 4 Determinazione dell estensione dell area riparia 85 5 5 Serie temporali di portata umidit del suolo e livello di falda 85 5 6 Relazione tra umidit del suolo e defluSsso 87 5 7 Umidit del suolo e contributo dell area riparia al deflusso 88 5 8 T mpi di TiISposta PORRPRPPRRAF ORARIO I tation ts ebacun cen PROG ARRE RO POR O NON 91 5 9 Connessione idrologica tra area riparia e versante 94 5 10 Relazione tra precipitazione totale e deflusso totale 95 5 11 Dinamiche dell umidit del suolo lungo il versante 97 5 12 Modello concettuale del comportamento idrologico nel bacino del Rio Ponte 100 Capitolo 6 Caratterizzazione della risposta idrologica del bacino Rio Ponte mediante traccianti isotopici e conducibilit elettrica
9. e acqua vecchia e ee deflusso totale 102 _ o e i 2 2 2 04 e E Se ee 1015 amp ee P 5 3 30 ee ee 2 n oo e 0 1 8 e e 4 0 4 sa s 8 ef 0 08 ee n ee wr e 5 0 alo Figura 35 Separazione dell idrogramma di pioggia in due componenti mediante 8 O al torrente Cordevole La Vizza il contributo dell acqua vecchia al deflusso totale stato pari all 86 41 In bacini in cui domina la fusione nivale l evento sar proprio la fusione della neve e non piu la pioggia l acqua nuova sar l acqua che proviene dal manto nevoso l acqua di pre evento invece costituita dall acqua residente nel bacino prima della fusione deflusso di base Dincer et al 1970 hanno misurato il contenuto isotopico di acqua di falda pioggia e neve mediante ossigeno e trizio determinando che il 63 dell acqua di torrente durante la fusione primaverile derivava dall acqua vecchia Fig 36 1000 Sera 4 APRIL 18 MAY o De A 2 TOTAL RUNOFF 1 92 10 m SOR LI PRESEN ee oe SUBS 1 20 10 Ys pa xs x n o see E P a uu a APRIL 1966 MAY 10 3015 10 15 22 5 15 20 25 4 8 i Figura 36 Separazione dell idrogramma da fusione nivale in due componenti Dincer et al 1970 3 8 Campionamento della pioggia Generalmente la precipitazione nel corso dell evento varia la sua composizione isotopica ci avviene pe
10. 109 Figura 88 Deflusso superficiale da saturazione durante la fusione nivale del 29 aprile 2010 nella parte inferiore del bacino del Rio Ponte 110 44 40 36 Carni 9 T 32 S 2 g o o 28 2 A E 24 20 e Portata Temperatura 16 290 13 2 280 13 4 E d 270 13 6 S 100 ed 260 3 v OS 250 102 o E 14 0 Z 240 9 104 9 230 14 2 220 106 14 4 28 04 10 9 00 28 04 10 13 00 28 04 10 17 00 28 04 10 21 00 Tempo Figura 89 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante evento di fusione nivale del 28 aprile 2010 94 13 2 280 96 13 4 oO 270 3 98 13 6 3 3 260 x 7 100 DI 3 lo 250 g wo 102 14 0 5 240 SH e 104 14 2 a 6 0O Conducibilit 230 106 14 4 15 20 25 30 35 40 45 Portata l s Figura 90 Relazione lineare tra la portata del Rio Ponte ed i tre traccianti utilizzati idrogeno ossigeno conducibilit per l evento di fusione nivale del 28 aprile 2010 111 Portata l s Temperatura C Portata Temperatura 300 13 0 290 13 2 5 3 280 13 4 3 270 136 _ PP 260 13 8 O De 5 250 14 0 oO 240 Conducibilit 14 2 O 230 alo 14 4 220 14 6 29 04 10 7 00 29 04 10 11 00 29 04 10 15 00 29 04 10 19 00 Tempo Figura 91 Variazione isoto
11. stata ottenuta mediante uno stramazzo in parete sottile a V equipaggiato con un trasduttore di pressione Keller AG f r Druckmesstechnik Svizzera con registrazione ogni 15 minuti Fig 11 e 12 Figura 11 Stramazzo sul Rio Ponte 15 Figura 12 Trasduttore di pressione della Keller Le variazioni di livello dell acqua vengono misurate mediante un sensore posto all interno della vasca di calma ad una quota inferiore rispetto alla soglia dello stramazzo e ad una distanza sufficiente ad evitare errori dovuti alla perturbazione indotta dallo stesso La vasca di calma consente di limitare le variazioni di livello dovute al moto turbolento dell acqua Lo stramazzo triangolare viene utilizzato per misurare portate caratterizzate da valori molto bassi perch ad una piccola variazione di portata corrisponde una sensibile variazione del carico idraulico ho che insiste sullo stramazzo Fig 13 Figura 13 Schema di uno stramazzo triangolare I trasduttori di pressione determinano il livello del fluido misurando il valore di pressione nel punto piu basso e confrontandolo con la pressione di superficie Questo consente il calcolo dell altezza basandosi sulla densita del liquido La misura dell altezza del liquido basata sul principio che la differenza di pressione idrostatica tra la parte alta e la base di una colonna di liquido correlata alla densita del liquido e all altezza della colonna 16 Lo strumento
12. 0 43 R 0 85 per tutti gli eventi in condizioni antecedenti umide escluso il grosso evento di Ottobre 2005 suggerendo che il deflusso totale aumenta linearmente con la precipitazione che quasi met della pioggia convertita in deflusso e che i versanti quindi contribuiscono al deflusso quando le condizioni antecedenti di umidit del suolo sono elevate La pendenza della relazione aumenta a 0 70 R 0 94 se si include anche l evento di Ottobre 2005 140 P gt 23mm AMC gt 45 120 4 P gt 23mm AMC lt 45 P lt 23mm AMC gt 45 100 4 9 E P lt 23mm AMC lt 45 E 80 O 2 5 60 Te 40 7 x 2 Xe Sm E 20 ear ias 15 T T T T T 0 20 40 60 80 100 120 140 precipitazione mm 20 25 Figura 72 Deflusso totale come una funzione della precipitazione totale per tutti gli eventi 2005 2006 P Precipitazione AMC contenuto antecedente medio di umidit misurato a 0 30 cm Nel riquadro zoom per la relazione a bassi valori di precipitazione Deflusso diretto mm Cumulata pioggia mm Figura 73 Relazione tra cumulata di pioggia e il relativo deflusso diretto espresso in mm per i 58 eventi di precipitazione monitorati nel corso delle estati 2010 e 2011 96 5 11 Dinamiche dell umidita del suolo lungo il versante Grazie ai dati registrati dalle sonde di umidit EC 5 nel 2010 2011 stato possibile monitorare l andamento temporale del contenuto idrico
13. Mi 0 42 20 0 03 08 10 06 0810 09 08 10 12 08 10 15 08 10 18 08 10 21 08 10 24 08 10 Evento1 Evento 2 Portata Falda media mmm Pioggia Umidit media del suolo Figura 71 Andamento della falda media dell umidit media e della portata del Rio Ponte in occasione di ripetuti apporti meteorici agosto 2010 Sono anche indicati i primi 4 eventi di pioggia campionati manualmente per le analisi isotopiche La coincidenza temporale dei picchi di portata e di falda in condizioni di elevato contenuto idrico del suolo suggerisce anche l esistenza di vie preferenziali di deflusso poco profondo ipodermico tale tesi sembra essere confermata dalle veloci variazioni del contenuto isotopico del torrente durante apporti meteorici e dalle analisi di conducibilit svolte nel biennio 2010 2011 sia per eventi di pioggia che di fusione nivale vedi Capitolo 6 5 10 Relazione tra precipitazione totale e deflusso totale In Fig 72 riportata la relazione tra precipitazione totale e deflusso totale per gli eventi selezionati nel biennio 2005 2006 Come atteso il deflusso totale aumenta con la precipitazione totale ma a piccoli eventi di pioggia corrispondono valori molto bassi di deflusso L effetto delle condizioni antecedenti di umidit sulla produzione del deflusso stato valutato dividendo i 40 eventi presi in esame in 4 classi basate su due valori soglia 45 di umidit del suolo come precedentemente identificato
14. Uhlenbrook S Hoeg S 2003 Quantifying uncertainties in tracer based hydrograph separations a case study for two three and five component hydrograph separations in a mountainous catchment Hydrological Processes 17 431 453 Wang L Caylor K K Dragoni D 2009 On the calibration of continuous high precision 5 O and 5 H measurements using an off axis integrated cavity output spectrometer Rapid Communications in Mass Spectrometry 23 530 536 Wassenaar L I Hendry M J Chosten V L Lis G P 2008 High resolution pore water S H and 5O measurements by H2Ogiquia H2Owapor equilibration laser spectroscopy Environmental Science and Technology vol 42 9262 9267 Weiler M McGlynn B L McGuire K J McDonnell J J 2003 How does rainfall become runoff A combined tracer and runoff transfer function approach Water Resources Research 39 11 1315 Wenninger J Uhlenbrook S Tilch N Leibundgut C 2004 Experimental evidence of fast groundwater responses in a hillslope floodplain area in the Black Forest Mountains Germany Hydrological Processes 18 17 3305 3322 West A G Goldsmith G R Brooks P D Dawson T E 2010 Discrepancies between isotope ratio infrared spectroscopy and isotope ratio mass spectrometry for the stable isotope analysis of plant and soil waters Rapid Communications in Mass Spectrometry 2010 24 1948 1954 Western A W Grayson R B 1998 The Tarrawarra data set soil moisture patterns
15. _ 125 std 1 3 gruppo Il 212 E std 1 3 gruppo II BS A BS w10 std 1 3 guppo III p 10 dr std 1 3 guppo III campione 10 std 1 6 campione 10 std 1 ay E E o o 2 g 123 4 5 6 7 8 9 10111213 1415161718 123 4 5 6 7 8 9 10111213 1415161718 iniezioni iniezioni 14 PIC 2 std 1 3 gruppo aa PIC 2 gt std 1 3 gruppo st J E std 1 3 gruppo II _ 125 E std 1 3 gruppo II x S dh x 9 10 a std 1 3 guppo III 10 std 1 3 guppo III 5 campione 10 std 1 5 campione 10 std 1 E 84 E 84 O o 64 g g a 4 2 0 r T 12345 6 7 8 9 10111213 14 15 16 17 18 123 45 6 7 8 9 10111213 14 15 16 17 18 iniezioni iniezioni Figura 58 Effetto memoria secondo Gr ning 2011 in funzione del numero di iniezioni per le quattro situazioni in cui si ha la pi alta differenza nella composizione isotopica tra fialette adiacenti vedi Tab 15 Idrogeno a sinistra ossigeno a destra 75 Accettando tutte le iniezioni dell analisi anche quelle maggiormente influenzate dall effetto memoria si hanno ripercussioni pratiche sulla precisione e sull accuratezza nella misura del delta finale La Fig 59 mostra i valori di deviazione standard per due standard e un campione mediando un differente numero di iniezioni partendo da tutte le 18 iniezioni fino a 4 La deviazione standard dei due standard STD2 e STD3 della prima tripletta caratterizzati da un elevata differenza isotopica rispetto alla
16. contenuti d acqua diversi necessari per calibrare ogni strumento di misura in condizioni di suolo variabili dallo stato asciutto allo stato bagnato Penna 2008 Figura 17 La sonda CS625 prima dell infissione nel terreno 2 4 2 Sonde Decagon EC 5 Il contenuto idrico del suolo nel 2010 e 2011 stato misurato ogni 15 minuti per mezzo di 15 sonde EC 5 basate sulla tecnologia di Riflettometria nel Dominio della Frequenza FDR Frequency Domain Reflectometry costruite dalla statunitense Decagon Devices Fig 18 DENICE busuesovisa HI 08 Ce DECYEOK mam qecetou cow E C HO C Woizjnie 20u2oL Figura 18 La sonda EC5 della Decagon Devices La tecnologia FDR determina la capacitanza elettrica del suolo misurando il tempo di carica di un condensatore che usa il suolo stesso come un dielettrico Invece la tecnologia TDR Time Domain Reflectometry determina la permettivit dielettrica del suolo misurando il tempo che impiega un onda elettromagnetica per propagarsi lungo una linea di trasmissione circondata dal suolo stesso 20 I sensori sono stati installati sul versante Emme alla profondita di 5 cm e di 30 cm in area riparia relativamente piatta in area a pendenza intermedia a met versante e sulla parte pi ripida del medesimo versante in sinistra idrografica rispetto al torrente Rio Ponte Fig 19 Figura 19 Punti di installazione delle 15 sonde EC5 sul versante Emme blu area riparia gial
17. 25 Q 100 GMWL Rio Ponte con pioggia 105 Rio Ponte in fusione 110 Figura 32 Relazione ossigeno e idrogeno per i campioni d acqua del Rio Ponte durante eventi di pioggia e di fusione nivale raccolti nel biennio 2010 2011 5180 0 15 14 13 12 11 10 y 8 13x 10 8 80 85 pe 90 L N 95 Ce 100 Sorgente con pioggia e Sorgente in fusione 105 Figura 33 Relazione ossigeno e idrogeno per i campioni d acqua della Sorgente durante eventi di pioggia e di fusione nivale raccolti nel biennio 2010 2011 39 3 7 Separazione dell idrogramma in due componenti Gli isotopi ambientali furono usati gi nel corso degli anni Settanta in Europa occidentale e Nord America specialmente Canada nello specifico per quanto concerne la separazione dell idrogramma i primi tentativi in tal senso furono condotti da Pinder e Jones 1969 e Fritz et al 1976 Un applicazione basilare nel campo della idrologia isotopica consiste infatti nella separazione di un idrogramma di piena in due componenti Il concetto chiave che il contenuto isotopico dell acqua alla sezione del torrente riflette la proporzione dei vari tipi di deflusso di differenti origini Sklash e Farvolden 1979 distinguono tra old water acqua vecchia e new water acqua nuova in cui la prima consiste nell acqua gi presente nei versanti acqua di falda e in quella presente nel suolo acqua di suolo prima dell even
18. I due approcci hanno fornito risultati simili con le aree riparie pari a circa 1 2 ha o 1 8 6 dell area totale del bacino Fig 5 Questa estensione dell area riparia stata utilizzata per valutare il contributo ripario al deflusso da evento 5 5 Serie temporali di portata umidit del suolo e livello di falda La Fig 63 mostra le serie temporali di portata umidit del suolo e livello di falda per i due periodi di studio La precipitazione totale cumulata dal 1 giugno al 10 ottobre pari a 647 mm e 500 mm per il 2005 e il 2006 rispettivamente mentre la precipitazione cumulata totale media su 18 anni per lo stesso periodo in questa regione pari a 588 mm Il deflusso totale pari a 561 mm nel 2005 e 428 mm nel 2006 e il deflusso medio nel bacino del Rio Ponte calcolato su 4 anni pari a 473 mm Questo indica che il 2005 stato un periodo relativamente umido e al contrario il 2006 stato leggermente pi secco rispetto alla media 85 Generalmente la massima intensit di precipitazione stata pi alta nel 2005 rispetto al 2006 e gli eventi consistevano in piogge brevi e moderate La risposta idrologica di bacino stata simile per i due anni e ci si tradotto in un numero simile di eventi di pioggia 19 e 21 nel 2005 e 2006 rispettivamente In entrambe le serie temporali stato rilevato un periodo di bassa portata tra met luglio e l inizio di agosto in genere corrispondente al periodo dell anno pi
19. Stable isotopes in precipitation Tellus 16 436 1964 Davis J L e Chudobiak W J In situ meter for measuring relative permittivity of soils Geological Survey of Canada Paper 1975 75 1 Part A 75 79 Delta T Devices Ltd 2004 User manual for the moisture meter type HH2 Delta T devices Ltd Detty J M McGuire K 2008 Evidence of process complexity and hydrologic threshold responses in a small headwater catchment CUAHSI Biennial Colloquium on Hydrologic Science and Engineering Resilience amp Vulnerability of Natural and Managed Hydrologic Systems 14 16 July Boulder Colorado USA Detty J M McGuire K J 2010a Topographical controls on shallow groundwater dynamics implications of hydrologic connectivity between hillslopes and riparian zones in a till mantled catchment Hydrological Processes Early View doi 10 1002 hyp 7656 Detty J M McGuire K J 2010b Threshold changes in storm runoff generation at a till mantled headwater catchment Water Resources Research 46 W07525 doi 10 1029 2009WR008102 Dincer T Payne BR Florkowski T Martinec J Tongiorgi EGEI 1970 Snowmelt runoff from measurements of tritium and oxygen 18 Water Resources Research 6 110 124 Duffy C J 1996 A two state integral balance model for soil moisture and groundwater dynamics in complex terrain Water Resources Research 32 8 2421 2434 Epstein S Mayeda T K 1953 Variations of 3 O of waters from natural sources Geochimica et
20. Technical University Praga Laboratorio di Isotopia Geochimica del Dipartimento di Geoscienze dell Universit di Trieste e Dipartimento di Geografia dell Universita di Zurigo Le analisi tramite tecnica IRMS sono state condotte al Laboratorio di Isotopia Geochimica del Dipartimento di Geoscienze dell Universit di Trieste Ognuno dei quattro analizzatori connesso ad un autoiniettore LC PAL 908 0008 9001 CTC Analytics AG Zwingen Svizzera dotato di una siringa da 1 2 ul modello 26P mm AS 7701 2 N CTC prodotta dalla Hamilton Company Reno Nevada USA per l iniezione del campione d acqua in una porta riscaldata Ulteriori informazioni inerenti i principi di funzionamento dei due sistemi possono essere reperite in bibliografia OA ICOS Wang et al 2009 Sayres et al 2009 Baer et al 2002 Paul et al 2001 CRDS Gkinis et al 2010 Brand et al 2009 Berden et al 2000 Spence et al 2000 Romanini et al 1997 Sherer et al 1997 Il test comparativo stato eseguito su un insieme di dieci campioni molto impoveriti provenienti dall Antartico e forniti dal Laboratorio di Isotopia Geochimica del Dipartimento di Geoscienze dell Universit di Trieste La composizione isotopica dei campioni varia da 231 7 o a 421 1 o per SH e da 29 83 o a 53 41 o per O Ogni campione stato analizzato dieci volte in Tab 14 sono riportate la media e le deviazioni standard di tali misure Sono stati utilizzati standar
21. caldo e secco Portata e contenuto idrico del suolo sono in genere molto reattivi con marcate fluttuazioni sull intero periodo nonch risposte rapide e veloci anche per piogge modeste La falda invece caratterizzata da variazioni graduali in particolare durante la recessione Fig 63 Nel grosso evento di inizio ottobre 2005 si verificato una considerevole risposta idrometrica e piezometrica l ij 100 5 E 80 E CO E 10 E Leo g o s amp to 2 w D T D D 15 ra 2 o fe z 40 a a 20 20 so ps E E o E o E E gs g 45 a ri teo w g 5 o 3 2 5 40 3 leo E g D 35 2 3 E L E gt 30 7 1000 giu 05 lug 05 ago 05 set 05 ott 05 giu 06 lug 06 ago 06 set 06 ott 06 a tempo b tempo m pioggia umidit suolo 0 30 cm portata livello falda Figura 63 Serie temporali orarie di portata umidit media del suolo e livello medio di falda per il 2005 a e 2006 b I punti grigi e bianchi rappresentano gli eventi in condizioni antecedenti secche e umide rispettivamente mostrati in Fig 69 I coefficienti di deflusso sono molto variabili durante i due periodi considerati con valori compresi tra 0 02 e 0 69 e un coefficiente di variazione maggiore di 1 Tab 19 Tale distribuzione probabilmente riflette la variabilit delle piogge analizzate soprattutto in termini di precipitazione cumulata durate
22. del suolo Penna et al 2007 Tali osservazioni suggeriscono che la media delle 4 misure a 0 30 cm rappresentativa del contenuto idrico del suolo per i versanti del bacino del Rio Ponte Piramide Emme 0 6 cm 0 12 cm 0 20 cm 0 6 cm 0 12 cm 0 20 cm Pearson r 0 80 0 79 0 90 0 74 0 72 0 83 met di 47 47 31 48 48 39 misure Tabella 18 Coefficienti di correlazione di Pearson per la relazione tra la media delle quattro misure di umidit del suolo a 0 30 cm e la media dell umidit del suolo a tre profondit in Piramide ed Emme per 2005 e 2006 pioggia mm h umidit suolo Oo DD dW O 50 45 40 35 30 29 6 02 7 05 7 08 7 11 7 tempo umidit media suolo su quattro punti a 0 30 cm 14 7 umidit media suolo a 0 6 cm X umidit media suolo a 0 12 cm umidit media suolo a 0 20 cm 17 7 20 7 Figura 62 Serie temporali dell umidit media del suolo su quattro punti a 0 30 cm non calibrata e umidit media di versante a 0 6 0 12 e 0 20 cm di profondit calibrata per Emme durante i rilievi del 2005 83 5 3 Selezione degli eventi di pioggia e deflusso Allo scopo di analizzare la risposta del bacino alle precipitazioni e l influenza dell umidita del suolo sui deflussi sono stati identificati 40 eventi di pioggia durante le due campagne di misura Tab 19 Le piogge sono state considerate come eventi solo per cumulate superiori a 6 mm e con a
23. estremit superiore montato un data logger all estremit inferiore un sensore in grado di misurare l umidit del terreno tramite la tecnologia TDR sul sensore possibile avvitare degli elettrodi lunghi 12 oppure 20 cm 23 Figura 21 TDR300 equipaggiato con gli elettrodi i lunghi 20 cm Il display Fig 22 visualizza il contenuto volumetrico d acqua espresso percentualmente VWC il numero di punti sondati il valore medio sui punti misurati e la lunghezza degli elettrodi attualmente in uso TDR 300 Spectrum Technologies Inc Figura 22 Il display del TDR300 I circuiti elettronici inseriti nel corpo dello strumento inviano un segnale elettrico lungo gli elettrodi che fungono da guida d onda il segnale corre lungo la lunghezza degli elettrodi parzialmente 24 riflesso quando raggiunge l interfaccia tra la punta dell elettrodo ed il terreno ed infine trasformato in un segnale di ritorno caratterizzato da una frequenza proporzionale al contenuto volumetrico d acqua Il volume di misura dello strumento un cilindro ellittico che si estende radialmente 3 cm dagli elettrodi con un altezza uguale alla lunghezza degli elettrodi stessi il contenuto idrico la media calcolata all interno dell intero volume Spectrum Technologies Inc 2004 2 5 Conduttivimetro e conducibilit elettrica La conducibilit elettrica CE del torrente stata determinata in campo tramite l utilizzo di un
24. negativi condizioni in cui il verificarsi dell effetto memoria pu influenzare significativamente la misura isotopica finale Per tale test ci si basa su due strumenti basati sulla tecnologia OA ICOS e due strumenti basati sulla tecnologia CRDS per un insieme di dieci campioni d acqua impoveriti I campioni d acqua sono stati analizzati mediante quattro spettroscopi laser due strumenti OA ICOS e due strumenti CRDS e uno spettrometro di massa usato come riferimento a OA ICOS un analizzatore per gli isotopi dell acqua modello DLT 100 908 0008 e una versione aggiornata modello 908 0008 2000 costruiti dalla Los Gatos Research Inc LGR Mountain View California USA Questi due strumenti sono chiamati LGR 1 e LGR 2 rispettivamente b CRDS due analizzatori prodotti dalla Picarro nominati PIC 1 e PIC 2 c IRMS uno spettrometro di massa Thermo Fischer Delta Plus Advantage Thermo Fisher Scientific Inc Massachusetts USA connesso ad un dispositivo di equilibrazione GFL 1086 Le misure sono state eseguite mediante la tecnica di equilibrazione dell acqua CO2 H2 Epstein e Mayeda 1953 Horita et al 1989 La precisione 1 0 dello strumento pari a 0 7 o e 0 05 o per 5 H e 5 0 rispettivamente 70 Le analisi isotopiche tramite laser sono state eseguite presso la Facolta di Ingegneria Civile e di Geoscienze Delft University of Technology Olanda Facolta di Ingegneria Civile presso Czech
25. particularly marked for electrical conductivity exists this leads to a hysteretic relationship According to oxygen event water is positively and significantly correlated with antecedent conditions API for days between 3 and 30 antecedent moisture conditions at 30 cm midslope pre event discharge and pre event mean water table and indicators of runoff response as runoff coefficient stormflow total runoff and peak discharge According to hydrogen event water is positively and significantly correlated with maximum rainfall intensity computed over different temporal intervals Therefore during antecedent wet conditions and during events both rainfall and snowmelt with high runoff production the fraction of event water in the hydrograph likely reflects the expansion of saturated areas not only riparian but also at the bottom of hillslopes also due to the activation of rapid preferential subsurface flows through hydrological connection between upland and riparian zones Capitolo 1 Area di studio 1 1 Bacino sperimentale del Rio Vauz L area di studio collocata nel bacino sperimentale del Rio Vauz 1 9 km affluente in sinistra orografica del torrente Cordevole in localit Ponte di Vizza Pieve di Livinallongo tra le localit di Arabba comune di Livinallongo del Col di Lana BL e il passo Pordoi 2239 m s l m al confine tra le province di Belluno Trento e Bolzano Fig 1 3152 m s l m 1835 m s l m
26. per eventi di pioggia durante condizioni umide si verificano elevati valori di deflusso grazie al contributo dei versanti Sono state analizzate anche le dinamiche dell umidit del suolo lungo un versante a parit di profondit i valori pi bassi e pi variabili di umidit si riscontrano sul versante rispetto all area riparia L incremento di umidit del suolo in occasione di piogge maggiore per condizioni antecedenti secche e a parit di condizioni antecedenti umide tale incremento maggiore con cumulate di pioggia superiori alla soglia di umidit Infine l incremento di umidit del suolo durante l evento di pioggia in genere aumenta passando dall area riparia a quella di versante La terza e ultima sezione della tesi si focalizza sulla risposta idrologica del bacino Rio Ponte durante gli eventi di fusione nivale e di pioggia Il contributo relativo di acqua vecchia acqua pre evento tipicamente di falda e acqua nuova acqua di evento pioggia o acqua da neve fusa stato quantificato usando il deuterio e l ossigeno 18 come traccianti e applicando il noto modello della separazione in due componenti L acqua vecchia rappresenta il principale contributo al deflusso totale sia durante eventi di fusione nivale sia di pioggia Durante il ramo di concentrazione dell idrogramma di tutti gli eventi l acqua del torrente riflette la composizione isotopica e la conducibilit elettrica dell acqua da nev
27. 0 8 0 0 per cm x 10 255 3 55 78 04 10 97 256 3 54 79 57 11 15 257 3 13 88 42 12 10 258 3 72 76 19 10 43 Tabella 11 Numero di molecole d acqua generate da quattro iniezioni consecutive e i corrispondenti valori 6 In grassetto l iniezione con un numero inconsistente di molecole d acqua Il contenuto isotopico noto dello standard LGR3 79 00 o e 11 54 0 per 5 H e 3 50 rispettivamente La madia delle ultime quattro iniezioni che include la numero 257 fornisce un valore di 80 55 o e 11 16 o per 5 H e 3 0 rispettivamente L eliminazione della iniezione 257 riduce notevolmente la deviazione standard da 5 43 o a 1 69 o per l idrogeno e da 0 70 o a 0 37 o per l ossigeno e migliora anche l accuratezza per 5 H fornendo un valore finale di 77 93 o che pi vicino al riferimento noto Purtroppo questa operazione non migliora l accuratezza per la misura del 8 O portando ad un valore finale di 10 85 o pi lontano dal valore effettivo Questo differente comportamento probabilmente da attribuire agli scostamenti che in genere si riscontrano nelle misure dell ossigeno per lo spettroscopio IV rispetto a IRMS Ad ogni modo netta la potenziale influenza di iniezioni irregolari sulle misure isotopiche la cui causa ancora non stata univocamente individuata se non nell intrinseca variabilit dello strumento di misura Inoltre non tutte le iniezioni che deviano dal volume me
28. 05 08 2010 13 20 3 4 78 6 11 3 11 6 05 08 2010 14 50 2 6 98 3 13 4 8 9 05 08 2010 16 35 3 134 4 17 4 4 5 05 08 2010 21 15 4 4 133 8 17 4 5 0 06 08 2010 2 10 2 2 125 7 16 3 4 9 Tabella 3 Variazione di ED durante l evento di pioggia del 5 agosto 2010 Il parametro ED pu essere usato anche per identificare differenti fonti di umidit che ricaricano gli acquiferi e quindi possibili contaminazioni con acqua di scorrimento superficiale o altri acquiferi oppure precipitazioni originariamente evaporate da differenti corpi idrici o in differenti momenti o climi Ingraham 1998 evaporazione secondaria delle gocce di pioggia sotto la base delle nuvole Gat 1996 Infine pu anche indicare l evaporazione subita dai campioni a causa di una conservazione non appropriata es esposizione al sole tappo non sigillato ecc In un bacino idrologico le precipitazioni meteoriche rappresentano la principale ricarica delle acque sotterranee di conseguenza le acque di falda avranno una connotazione isotopica che riflette quella delle precipitazioni Se le acque di falda ricadono alla destra della linea meteorica globale e se la pendenza della retta di regressione di queste acque minore significa che le acque di ricarica meteorica durante l infiltrazione hanno subito processi secondari che ne alterano l originaria composizione isotopica per es il miscelamento con acque di origine antica connesse a regimi climatici d
29. 2010 2011 500 E so O Q 700 S 2 P g 5 1 800 2 D 2 g E lo a 2 900 E E o 1000 acqua evento vs preevento portata 2 acqua evento vs preevento falda i 1100 5 10 15 20 25 30 35 Acqua di evento Ossigeno Figura 120 Relazioni lineari tra acqua di evento calcolata con l ossigeno e condizioni antecedenti per gli eventi di pioggia monitorati nel biennio 2010 2011 133 Intensita massima di pioggia 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Acqua di evento Idrogeno acqua evento vs intensit max su 15 min acqua evento vs intensit max su 1 ora Figura 121 relazioni lineari tra acqua di evento calcolata con l idrogeno e l intensit massima di pioggia per gli eventi di pioggia monitorati nel biennio 2010 2011 35 30 25 20 15 10 Acqua di evento Ossigeno 0 0 532 0 534 0 536 0 538 0 540 0 542 0 544 0 546 Umidit antecedente del suolo a 30 cm midslope Figura 122 Relazione a soglia tra AMC a 30 cm in midslope e acqua di evento calcolata con l ossigeno per gli eventi di pioggia monitorati nel biennio 2010 2011 134 6 7 Paradosso dell acqua pre evento In tutti i 13 eventi presi in considerazione il segnale isotopico e di conducibilit elettrica nel Rio Ponte si sempre dimostrato smorzato rispetto al contenuto isotopico e alla conducibilit dell acqua nuova pioggia o acqua da fusione nivale nonostante la rapida variazione nel torrente ad event
30. 367 00 365 00 363 00 361 00 2 2 5H e IRMS 1 oll alll IV SH Figura 52 Accuratezza e precisione globale delle misure da spettroscopio laser rispetto a quelle dello spettrometro di massa per un range di valori isotopici schema A1 Campioni a 29 b 25 c 8 d 38 Quindi dalla Fig 52 possiamo dedurre le seguenti conclusioni Primo la variabilit tra macchine indicata dai diversi gradi di scostamento rispetto allo spettrometro di massa tra i quattro campioni Comunque nessuno strumento mostra la maggiore o la peggiore qualit di misura in termini di accuratezza o precisione Secondo non si evidenzia nessuna tendenza o errore sistematico tra un certo strumento ed il contenuto isotopico del campione tranne per la forte sottostima di tutti gli analizzatori per le misure dei campioni molto leggeri Fig 52d I valori determinati dagli analizzatori I HI e IV si dispongono vicini tra loro mentre la macchina II denota misure isotopiche che sono meno sottostimate per via dell effetto di compensazione degli scostamenti solitamente positivi rispetto al valore effettivo di 3 H 63 Nonostante la ridotta accuratezza per le misure di idrogeno dei campioni leggeri i valori di deviazione standard compresi tra 300 o e 400 o H sono comparabili o pi bassi di quelli ottenuti dalle misure degli altri campioni Ci suggerisce che la precisione strumentale indipendente dal contenuto isotopico del campione In genere non stata nota
31. 40 Warm regions Global Precipitation amp H 8 13 8150 10 8 5 H o VSMOW co Cold regions 25 20 15 10 5 0 5180 o VSMOW Figura 28 Linea meteorica globale 33 I dati su cui si basa sono raccolti nei database di GNIP ISOHIS Global Network of Isotopes in Precipitation Isotope Hydrology Information System creati e gestiti dalla Agenzia internazionale per l energia atomica IAEA che dal 1960 registra e pubblica la composizione isotopica delle precipitazioni a livello mondiale in collaborazione con la World Meteorological Organization WMO Per l Italia di questa rete fanno parte le seguenti stazioni pluviometriche delle quali viene riportato il primo anno di rilevazione della composizione isotopica delle precipitazioni Trieste 1983 Genova 1961 San Pellegrino BG 1993 Pisa 1971 Palermo 1976 Scillato PA 1977 Piano Battaglia PA 1977 SY A eee S All interno del diagramma isotopico di Fig 28 le acque impoverite in isotopi pesanti avranno degli scostamenti che si collocheranno in una posizione piu lontana rispetto all origine del sistema di riferimento 6 pi negativo Diversamente le acque arricchite in isotopi pesanti si collocheranno pi in alto nel diagramma isotopico e pi vicine all origine del sistema di riferimento 6 meno negativo La pendenza della GMWL il rapporto tra il frazionamento all equilibrio umidit relativa al 100 dell oss
32. 46 Figura 40 Uno dei due lisimetri installati sulla destra idrografica del Rio Ponte per il monitoraggio dell acqua di fusione nivale 3 10 Prelievo dei campioni d acqua da falda e torrente In occasione di eventi meteorici si provveduto al campionamento delle acque di torrente di falda e di Sorgente per misurarne il contenuto isotopico i prelievi dalla falda sono stati compiuti attraverso i pozzi piezometrici ricorrendo ad una siringa di plastica con un tubicino per aspirare l acqua dal fondo Fig 41 Tuttavia l elevata variabilit spaziale nell isotopia della falda non ne ha permesso l utilizzo come acqua pre evento per la separazione degli idrogrammi Figura 41 Esempio di un prelievo di acqua di falda dal pozzo piezometrico 47 I campioni di torrente da sottoporre ad analisi isotopica sono stati prelevati manualmente al centro del corso d acqua mediante una siringa di plastica da 60 ml in corrispondenza dello stramazzo evitando zone stagnanti o salti di roccia che potrebbero favorire rispettivamente l evaporazione o l intrusione di aria Fig 42 Figura 42 Prelievo di acqua dal Rio Ponte in corrispondenza del vertice dello stramazzo Tutti i campioni sono stati collocati in boccette bianche di plastica asciutte da 50 ml poi chiuse con un doppio tappo ricoperto di parafilm per evitare l evaporazione e comunque gli scambi con il vapor acqueo atmosferico L utilizzo della siringa si reso necessa
33. 55 0 01 0 03 0 02 IV B2 0 61 0 08 0 02 0 25 Cl 0 99 0 33 6 83 0 00 C2 1 17 0 25 6 45 0 00 e 5 C3 1 36 0 18 0 06 0 04 Tabella 9 Risultati del t test a un campione e del sign test a un campione per gli scostamenti 3 H e 5 O Le analisi che producono differenze trascurabili tra spettroscopio laser e spettrometro di massa differenze non significative per a 0 05 sono evidenziate in grassetto 4 7 Variabilit tra gli analizzatori e relazione con la composizione isotopica del campione Nonostante l utilizzo dello stesso dataset schema analitico metodo della media e strumento anche se localizzati in diversi laboratori esiste una significativa variabilit tra i quattro analizzatori rispetto alla spettrometria di massa La fonte di questa variabilit rimane sconosciuta stato valutato l effetto potenziale sui risultati della variabile numero molecole d acqua per cm per iniezione e della temperatura del vapore acqueo nella cavit ma non stata identificata una netta relazione tra queste variabili e gli errori di misura Inoltre non stata individuata neppure una relazione causale degli scostamenti OA ICOS IRMS con fattori esterni che probabilmente dipendono dal fatto che ogni analizzatore ha una sua particolarit B Newman IAEA comunicazione personale Tuttavia un certo grado di errore relazionato all estremo contenuto isotopico dei camp
34. 6 0 52 7 8 9 Settembre 2010 6 8 20 4 0 09 8 24 25 Settembre 2010 28 0 37 7 0 21 9 24 Marzo 2011 14 7 10 12 Aprile 2011 19 8 11 14 15 maggio 2011 11 6 15 7 0 05 12 8 agosto 2011 12 4 32 6 0 20 13 25 26 ottobre 2011 28 4 40 1 0 33 Tabella 23 Caratteristiche degli eventi di pioggia e di fusione nivale in grassetto analizzati I dati di contenuto idrico del suolo sono disponibili solo per gli eventi di pioggia 102 Nelle Figure da 78 a 83 sono mostrate le serie temporali dei vari parametri idrologici del bacino Rio Ponte relativi al periodo ottobre 2009 ottobre 2011 e gli eventi di fusione nivale frecce verdi e di pioggia frecce rosse campionati per le successive analisi isotopiche e di conducibilit L altezza del manto nevoso deriva dalla media dei dati di due stazioni nivometriche dell ARPAV poste nel bellunese Monte Ornella 2250 metri e Cima Pradazzo 2200 metri 200 Altezza neve Temperatura 150 ae O E 2 o CO o 3 100 c 5 to N d Q lt 50 E H 0 120 100 80 2 T Q D E 60 E o a D 40 A 20 0 1 10 2009 1 01 2010 1 04 2010 1 07 2010 1 10 2010 Tempo Figura 78 Individuazione degli eventi di fusione nivale 1 e di pioggia 2 monitorati nel biennio 2009 2010 103 2 E Q 4 8 o k E 5 Portata 3 6 ww O ME Pioggia D Q O 8 10 16 04 2010 26 04 2010 06 05 2010 16 05 2010 Tempo Figura 79 Individu
35. Cosmochimica Acta 4 213 224 Ewen J Birkinshaw S J 2007 Lumped hysteretic model for subsurface stormflow developed using downward approach Hydrological Processes 21 1496 1505 DOI 10 1002 hyp 6344 Fritz P Cherry J A Weyer K U amp Sklash M G 1976 Runoff analysis using environmental isotopes and lajor ions Im Interpretation of Environmental Isotope an Hydrochemical Data in Grounwater Hydrology IAEA Vienna 111 130 Genereux DP Hemond HF Mulholland PJ 1993 Use of radon 222 and calcium as tracers in a three end member mixing model for streamflow generation on the West Fork of the Walker Branch Watershed Journal of Hydrology 142 167 211 140 Gkinis V Popp J T Johnsen S J Blunier T 2010 A continuous stream flash evaporator for the calibration of an IR cavity ring down spectrometer for the isotopic analysis of water Isotopes in Environmental and Health Studies 46 4 463 475 Gonfiantini R 1978 Standards for stable isotope measurements in natural compounds Nature 271 534 536 Gong Y Cao Q Sun Z 2003 The effects of soil bulk density clay content and temperature on soil water content measurement using time domain reflectometry Hydrological Processes 17 3601 3614 Gr ning M 2011 Improved water 5 H and 5 O calibration and calculation of measurement uncertainty using a simple software tool Rapid Commun Mass Spectrom 2011 25 2711 2720 DOI 10 1002 rem 5074 Heggen R J 2001
36. Emme Figura 9 ovvero di flussi sottosuperficiali preferenziali attraverso una catena connessa di macropori soil pipe probabilmente generati da qualche roditore marmotta arvicole Secondo la definizione offerta da Beven e Germann 1982 i soil pipes sono costituiti da macropori avente diametro superiore ai 4 cm che costituiscono canalicoli paralleli fra loro ed al pendio di lunghezza sufficiente ad influenzare il processo di trasporto laterale alla scala di versante convogliando l acqua in determinate aree del terreno piuttosto che in altre Figura 9 Tana di una marmotta a sinistra e pipe flow a destra a seguito di un evento piovoso 14 Capitolo 2 Materiali e metodi 2 1 Monitoraggio della precipitazione L attivita di monitoraggio ha richiesto l installazione di un termometro e di un pluviometro Onset Computer Corporation USA posizionato tra Piramide ed Emme a sufficiente distanza da qualunque ostacolo al fine di poter intercettare il reale afflusso meteorico Fig 10 Il dispositivo di misura costituito da un cono di raccolta e da una bascula a doppia vaschetta collegata ad un magnete che aziona un rel reed il quale genera un impulso conteggiabile da un contatore esterno e registrato da apposito datalogger ogni impulso corrisponde a 0 2 mm di pioggia Figura 10 Termometro sinistra e pluviometro a bascula destra 2 2 Monitoraggio della portata La portata alla sezione di chiusura 1932 m di quota
37. Hydrol 245 2001 pp 177 195 146 Taylor S Feng X Williams M McNamara J 2002 How isotopic fractionation of snowmelt affects hydrograph separation Hydrological Processes 16 3683 3690 Tetzlaff D Soulsby C Waldron S Malcolm I A Bacon P J Dunn S M Lilly A Youngson A F 2007 Conceptualization of runoff processes using a geographical information system and tracers in a nested mesoscale catchment Hydrological Processes 21 1289 1307 Tetzlaff D McDonnell J J Uhlenbrook S McGuire K J Bogaart P W Naef F Baird A J Dunn S M Soulsby C 2008 Conceptualizing catchment processes simply too complex Hydrological Processes 22 1727 1730 doi 10 1002 hyp 7069 Tetzlaff D Soulsby C 2008 Sources of baseflow in large catchments using tracers to develop a holistic understanding of runoff generation Journal of Hydrology 359 287 302 Topp G C Davis J L amp Annan A P Electromagnetic determination of soil water content measurements in coaxial transmission lines Water Resources Research 1980 16 3 574 582 Torres R 2002 A threshold condition for soil water transport Hydrological Processes 16 2703 2706 doi 10 1002 hyp 5060 Tromp van Meerveld H J McDonnell J J 2005 Comment to Spatial correlation of soil moisture in small catchments and its relationship to dominant spatial hydrological processes Journal of Hydrology 286 113 134 Journal of Hydrology 303 307 312
38. MMWL Mediterranean Meteoric Water Line Questo dovuto alle masse di vapore pi calde di origine mediterranea che si mescolano con le masse di aria umida di diversa provenienza atlantica nord europea ecc Per il Mediterraneo stata definita una retta delle precipitazioni MMWL avente un valore di ED pari a 22 o la cui equazione espressa con buona approssimazione dalla formula 6 H 86 0 22 6 Le pendenze inferiori a 8 indicano il verificarsi di frazionamenti isotopici non solo all equilibrio ma anche con una componente di tipo cinetico 40 A 2004 2005 0 MMW a 7 p 80 90 12 11 10 9 8 40 50 60 B 70 80 10 8 O 0 Figura 29 Sopra precipitazioni di diversa origine frapposte tra GMWL E MMWL sotto prevalenza di precipitazioni atlantiche pi vicine alla GMWL GMWL Global Meteoric Water Line MMWL Mediterranean Meteoric Water Line Ogrinc et al 2008 36 o Figura 30 I fattori che determinano le variazioni di pendenza ed intercetta della GMWL grafico tratto da www sahra arizona edu L Italia in particolare ha una situazione complessa per quanto riguarda la caratterizzazione isotopica delle precipitazioni sia a causa della sua posizione nel Mediterraneo sia per via delle due catene montuose Alpi e Appennino che la attraversano trasversalmente e longitudinalmente Infatti le nubi da sollevamento orografico che si formano oltre una certa quota comport
39. Normalized antecedent precipitation index J Hydrol Engng 2001 pp 377 381 Hewlett J D Hibbert A R 1967 Factors affecting the response of small watersheds to precipitation in humid areas In Sopper W and Lull H W Editors 1967 Forest Hydrology Pergamon Oxford pp 275 290 Hooper RP Shoemaker CA 1986 A comparison of chemical and isotopic hydrograph separation Water Resources Research 22 10 1444 1454 Hooper RP Christophersen N Peters NE 1990 Modelling streamwater chemistry as a mixture of soilwater endmembers an application to the Panola Mountain catchment Georgia U S A Journal of Hydrology 116 321 343 Horita J Kendall C 2004 Stable isotope analysis of water and aqueous solutions by conventional dual inlet mass spectrometry In P A de Groot Ed Handbook of Stable Isotope Analytical Techniques Elsevier Amsterdam 1 37 Horita J Ueda A Mizukami K Takatori I 1989 Automatic 8D and 5 8O analyses of multi water samples using H2 and CO water equilibration methods with a common equilibration set up Applied Radiation and Isotopes 40 9 801 805 Horton J H Hawkins R H 1965 Flow path of rain from soil surface to water table Soil Science 100 6 377 383 Hut G 1987 Consultants group meeting on stable isotope reference samples for geochemical and hydrological investigations Scientific Meeting 16 18 Sept 1985 IAEA Vienna Internal Report 42p Huth A K Leydecker A Si
40. S 0 4 18 14 10 6 Dmedia devst 18 14 10 6 media devst iniezioni mediate ss iniezioni mediate L min max 2 0 6 1 0 4 7 E 0 2 T 7 g S v 00 2 o 5 2 S 8 3 gt 0 2 s E 4 0 4 a aa z w G media dev st as A DE 10 5 C media dev st iniezioni mediate I min max iniezioni mediate T min max 2 0 6 a 04 72 A lt T da oO t Vv a 2 2 g 0 0 Q 2 D N amp N gt 3 0 2 3 3 iS ne 4 0 4 Lr T 1 13 10 Dmedia dev st RENEE GIRO ra SRI e l st iniezioni mediate Lili me iniezioni mediate T min max 2 0 6 ci 04 2 o o x ir ra 02 fe E E s 8 v o 00 5 2 5 8 N 3 S 0 2 v 3 4 0 4 18 Sis 14 R 10 6 Dmedia dev st 18 14 10 6 media devst iniezioni mediate I min max iniezioni mediate I min max Figura 61 Statistica descrittiva degli scostamenti spettroscopio laser spettrometro di massa per 5 H sinistra e 3 50 destra calcolate mediando tutte le 18 iniezioni o le ultime 14 10 e 6 iniezioni 80 Capitolo 5 Influenza dell umidita del suolo sui processi a soglia di generazione del deflusso Soglie ed altri comportamenti non lineari sono comuni nei sistemi idrologici e geomorfologici Essi si possono verificare a differenti livelli di complessit Zehe e Sivapalan 2009 a varie scale spaziali e possono limitare la predicibilit dei processi idrologici Norbiato et al 2008 e la ripetibilit delle osservazioni idrologiche Zehe et al 2
41. campionamento sequenziale della pioggia ha permesso di evidenziare un marcato impoverimento in isotopi pesanti vedi anche Tab 3 probabilmente a causa di un consistente raffreddamento in quota che ha abbassato la temperatura di condensazione della pioggia nella nube Nel corso dello stesso evento si nota anche un anticipo del picco isotopico rispetto al picco di portata Fig 98 dovuto quasi certamente all intensit di precipitazione e alle cumulate non trascurabili nonch al ruolo svolto dall area riparia che durante condizioni secche AMC media pari al 45 1 costituisce la principale generatrice di deflusso trasferendo velocemente l acqua di evento al torrente isteresi oraria tra portata e traccianti isotopici di deuterio e ossigeno Fig 99 L area riparia sembra abbia avuto un ruolo molto importante anche per l evento del 14 15 maggio 2011 caratterizzato anche questo da una AMC media relativamente bassa Tab 25 la conducibilit diminuita specularmente all aumento della portata portando cos ad una relazione lineare tra queste due variabili Inoltre la falda molto bassa in pre evento intervenuta in maniera comunque modesta quando il deflusso di piena era gi in avanzata recessione Fig 111 e 112 ci spiega l assenza della classica relazione isteretica tra portata e conducibilit riscontrata negli altri eventi di pioggia Si noti pure che il valore pre evento e post evento di conducibilit del torrente per
42. conduttivimetro portatile Fig 23 La conducibilit la misura della capacit dell acqua di farsi attraversare dalla corrente elettrica ed influenzata dalla presenza di sostanze solide inorganiche disciolte quali gli anioni di cloruro nitrato solfato e fosfato ioni con una carica negativa o i cationi di sodio magnesio calcio ferro e alluminio ioni con una carica positiva La conduttivit varia con la temperatura pi calda l acqua maggiore la conducibilit Per questa ragione espressa come conduttivit a 25 C La conduttivit elettrica nei corsi d acqua influenzata prevalentemente dalla geologia dell area attraversata I torrenti che scorrono su letti di granito tendono ad avere una bassa conduttivit poich il granito composto in prevalenza da materiali inerti che non ionizzano ossia non si dissolvono in composti ionici entrando a contatto con l acqua Al contrario i corsi d acqua che attraversano suoli argillosi tendono ad avere una maggiore conduttivit a causa della presenza di materiali che ionizzano in acqua L unit di misura di base il mho o siemens e la conduttivit viene espressa in micromhos per centimetro umhos cm o in microsiemens per centimetro uS cm L acqua distillata ha una conduttivit che varia da 0 5 a 3 uS cm mentre nelle acque fluviali si riscontra un range di valori compreso tra 100 e 1500 uS cm vedi www wtw com Il conduttivimetro consente di misurare la
43. diminuzione della precisione si hanno anche delle ripercussioni sull accuratezza della misura relativamente al valore delta finale I due pannelli in Fig 60 mostrano per l idrogeno e l ossigeno e per i quattro strumenti il range isotopico in ciascuna fialetta massimo minimo considerando tutte le 18 iniezioni come una funzione del range isotopico tra fialette differenza isotopica tra acque analizzate consecutivamente durante l analisi La forte relazione lineare l asse x in scala logaritmica osservata per tutte le macchine rivela che la pi alta variabilit nelle misure ottenuta mediando tutte le iniezioni relazionata alla marcata differenza isotopica tra fialette adiacenti che a turno sono associate ad elevate percentuali di EM La correlazione tra il range isotopico nella fialetta e tra fialette diminuisce sensibilmente eliminando le prime quattro iniezioni da 18 a 15 e mediando solo le ultime 14 10 o 6 iniezioni come dimostrato dal decremento dei coefficienti di determinazione Tab 16 e 17 In media la dipendenza tra il range isotopico in ciascuna fialetta considerando 18 iniezioni e il range isotopico tra fialette adiacenti meno marcata per gli strumenti basati sulla tecnologia CRDS in accordo con quanto osservato in Fig 58 76 Bp es aera Te e std 3 201 ee std 2 109
44. effetto soglia stato gi verificato anche per i 40 eventi considerati nel 2005 2006 e per i 58 eventi monitorati nel 2010 2011 In ultima analisi ricorrendo a misure di parametri meteorologici idrometrici isotopici e di conducibilit elettrica sembra che soprattutto in condizioni umide avvenga la traslazione verso il torrente non solo dell acqua vecchia ma anche di parte dell acqua di evento poco dopo l inizio della pioggia grazie all instaurazione di deflussi ipodermici poco profondi e assai pi veloci del classico flusso sotterraneo da falda 132 Questo porterebbe a pensare che i tempi di residenza delle acque nel bacino del Rio Ponte siano molto ridotti anche se chiaramente una parte dovr infiltrarsi negli strati pi profondi per costituire la ricarica del bacino stesso Tale dinamica avverrebbe quindi in un bacino in cui il deflusso di base come ci si attende costituito da acqua vecchia un ipotesi avvalorata dalle separazioni degli idrogrammi sia di fusione nivale che di pioggia costituiti per la quasi totalit da acqua pre evento 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 R 0 65 Coefficiente di deflusso Portata al picco l s 0 1 acqua evento vs coeff deflusso acqua evento vs picco portata 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Acqua di evento Ossigeno Figura 119 Relazioni lineari tra acqua di evento calcolata con l ossigeno e parametri di deflusso per gli eventi di pioggia monitorati nel biennio
45. hillslope averaged depth to water table Low runoff ratios were likely related to the response of the riparian zone which was almost always close to saturation High runoff ratios occurred during wet antecedent conditions when the soil moisture threshold was exceeded In these cases subsurface flow was activated on hillslopes which became major contributors to runoff Finally the influence of antecedent moisture conditions on runoff was also evident in the relation between cumulative rainfall and total stormflow Small storms during dry conditions produced low runoff amounts likely mainly from overland flow from the near saturated riparian zone Conversely for rainfall events during wet conditions higher runoff values were observed and 7 hillslopes must have contributed to streamflow The dynamics of soil moisture along a hillslope were also analysed for the same depth lowest and most variable values of soil moisture are detected on the hillslope compared to the riparian area The increase of soil moisture for rainfall events is higher during antecedent dry conditions and for the same wet antecedent conditions it is bigger when cumulative rainfall exceed 23 mm Finally the increase of soil moisture during rainfall events is generally greater moving from the riparian area to the hillslope The third and latest section of this thesis focuses on the runoff response of Rio Ponte catchment during snowmelt and rainfall events The relative contr
46. in storm rainfall implications for stream hydrograph separations Water Resources Research 26 455 458 McDonnell J J 2003 Where does water go when it rains Moving beyond the variable source area concept of rainfall runoff response Hydrological Processes 17 1869 1875 McGlynn B L 2005 The role of riparian zone in steep mountain catchments In Global Change and Mountain Regions An Overview of Current Knowledge Adv Global Change Res Ser vol 23 edited by U M Huber H K M Bugmann and M A Reasoner pp 331 342 Springer NewYork McGlynn B L McDonnell J J 2003 Quantifying the relative contributions of riparian and hillslope zones to catchment runoff Water Resources Research 39 11 1310 doi 10 1029 2003WR002091 McGlynn B L McDonnell J J Seibert J Kendall C 2004 Scale effects on headwater catchment runoff timing flow sources and groundwater streamflow relations Water Resources Research 40 W07504 doi 10 1029 2003WR002494 McGlynn B L Seibert J 2003 Distributed assessment of contributing area and riparian buffering along stream networks Water Resources Research 39 4 1082 doi 10 1029 2002WR001521 McGuire K J McDonnell J J 2006 A review and evaluation of catchment transit time modeling Journal of Hydrology 330 543 563 McGuire K J McDonnell J J 2010 Hydrological connectivity of hillslopes and streams characteristic timescales and nonlinearities Water Resources Research 46 W10543
47. l incremento di umidit la saturazione nell area riparia probabilmente si espande lateralmente ai piedi dei versanti che sono caratterizzati da pendenze ridotte e suoli superficiali Non sono disponibili evidenze sperimentali a confermare tale ipotesi ma tale comportamento pu essere assimilabile basandosi sul confronto delle propriet topografiche e geomorfologiche del bacino del Rio Ponte con quelle del bacino sperimentale Hitachi Ohta es elevate pendenze suoli superficiali morfologia incisa 3 con ulteriori incrementi del contenuto idrico del suolo viene superata la soglia di umidit portando ad un marcato incremento del deflusso Fig 65a e verosimilmente all innesco del deflusso sottosuperficiale laterale transitorio sui versanti Fig 65b come suggerito anche dal brusco aumento dei coefficienti di deflusso oltre la soglia di umidit del 45 Fig 64 e dal maggior incremento di deflusso con l aumento delle cumulate di pioggia Fig 72 Si stabilisce quindi una connessione tra area riparia e versanti che diventano idrologicamente attivi I tempi di risposta cambiano se confrontati alla condizioni secche l umidit giunge al picco prima della portata portando ad una relazione isteretica antioraria Fig 69b Sui versanti non stato osservato deflusso superficiale da saturazione durante gli eventi esso quindi assunto trascurabile rispetto al deflusso del bacino Se ne ricava che il contributo dei versanti alla portat
48. l originale composizione isotopica In media la temperatura operativa nella cavit ottica dei quattro analizzatori durante i test variata tra 26 C e 29 C 54 parte centrale D ERESSE ripetuto per tutti i campioni nel vassoio RR RRR inizio parte centrale ripetuto per tutti i campioni nel vassoio e e e e e inizio parte centrale ripetuto per tutti i campioni nel vassoio E dummy std standard campione acqua deionizzata Figura 46 Rappresentazione schematica della disposizione delle fialette nel vassoio in base allo schema analitico adottato 4 4 Test statistici Per valutare la qualita dell analizzatore laser LGR rispetto allo spettrometro di massa stata calcolata per l intero dataset lo scostamento tra le misure ottenute dalle due tecniche OA ICOS e IRMS An o O Hi O Has 9 Ao o d Ope iva O Onis dove 6 Ho icos O Oos icos rappresentano i valori isotopici in delta determinati dallo spettroscopio laser per gli isotopi dell idrogeno e dell ossigeno rispettivamente mentre 7 Rus O rus rappresentano i valori isotopici in delta determinati dallo spettrometro di massa per gli isotopi dell idrogeno e dell ossigeno rispettivamente Quindi si avr un perfetto accordo tra spettroscopio laser e spettrometro di massa quando A 0 mentre lo spettroscopio laser sovrastima o sottostima rispetto allo spettrometro di massa nel caso in c
49. maggiore contributo di acqua pre evento Pi in dettaglio si nota che a stagione avanzata 28 aprile 2010 29 aprile 2010 12 aprile 2011 il picco di portata corrisponde al minimo valore di conducibilit elettrica dovuta alla massima diluizione dei soluti ionici e al minimo valore isotopico Fig 89 91 95 Questa concordanza temporale conduce ad una relazione lineare tra portata e concentrazione dei due traccianti isotopi e conducibilit elettrica Fig 90 92 96 Al contrario durante l evento di fusione nivale ad inizio primavera 24 marzo 2011 sussiste un ritardo temporale tra picchi di portata e la conducibilit elettrica Fig 93 questo scostamento comporta una relazione ad isteresi Fig 94 Tale diverso comportamento probabilmente da attribuirsi alle differenti condizioni di umidit del bacino Durante l avanzata stagione di fusione nivale il suolo nella maggior parte del bacino si trova in condizioni di elevata umidit questo comporta l attivazione di vie preferenziali di deflusso ipodermico e instaura una sorta di continuum idrologico tra deflussi superficiali e sottosuperficiali Fig 88 che favorisce una rapida dislocazione di acqua pre evento al ruscello vedi anche Fig 70 e 71 Viceversa all inizio del periodo di fusione nivale i flussi sottosuperficiali che scorrono in un suolo lontano dalla saturazione determinano un contributo pi marcatamente ritardato di acqua pre evento Kobayashi et al 1999
50. memoria Il valore finale di EM stato determinato considerando una riduzione esponenziale nel tempo e moltiplicando per ciascuna iniezione della serie il valore f per un fattore di riduzione RF definito come segue RF f Fare z e dove c calcolato come F f f 13 per prendere in considerazione il contributo anche se ridotto delle precedenti iniezioni del primo campione sull effetto memoria totale Gr ning 2011 La Fig 58 presenta l effetto memoria per varie acque campioni e standard caratterizzati dalla pi marcata differenza nella composizione isotopica tra fialette adiacenti Per gli strumenti OA ICOS il massimo effetto memoria varia tra 10 14 e tra 7 9 per le misure 8 H e 8 O rispettivamente Mentre per gli strumenti CRDS il massimo effetto memoria varia tra 4 11 e tra 1 7 per le misure 8H e O rispettivamente Comunque non possibile un confronto diretto tra i due tipi di analizzatore per il diverso tempo di analisi per ciascuna iniezione LGR 1 necessita di 4 2 minuti per iniettare un campione LGR 2 modello aggiornato impiega solo 2 3 minuti mentre entrambi i laser basati su tecnologia CRDS richiedono circa 9 minuti per ogni iniezione La differenza nel tempo per iniezione probabilmente relazionata ai differenti valori di EM la pi alta percentuale di EM stata osservata per le macchine pi veloci LGR 2 e LGR 1 mentre PIC 1 e PIC 2 le macchine pi lente sono generalmente caratter
51. panem Rio Vauz Figura 1 Localizzazione dell area di studio e distribuzione delle quote DEM del bacino del Rio Vauz Dal punto di vista morfologico il bacino del Rio Vauz si pu suddividere in tre zone a una parte alta 3152 2200 m s l m in cui prevalgono pareti rocciose subverticali Dal punto di vista geologico tale zona costituita da Dolomia dello Sciliar poggiante su formazione di San Cassiano Il substrato caratterizzato da un alternanza di strati di matrice calcarea fratturata e depositi di cenere vulcanica b una parte media 2200 2000 m s l m costituita da un altopiano di pendenza limitata con sporadici elementi di abete rosso Picea abies e larice Larix decidua c una parte bassa 2000 1835 m s m l in cui si trovano versanti molto acclivi con qualche elemento arboreo In questa zona a causa dell elevata pendenza 40 circa l acqua di ruscellamento incide il versante portando alla formazione di evidenti impluvi Come tale il bacino del Rio Vauz pu essere considerato morfologicamente ed idrologicamente rappresentativo dei bacini di testata nella regione dolomitica Al piede dei versanti si trovano aree di ristagno parzialmente colmate da materiale alluvionale La potenza del suolo compresa da un minimo di 0 20 m fino a un massimo di 1 35 m con andamento crescente procedendo verso il piede del versante Dove la potenza maggiore si pu notare la presenza negli strati pi superficiali di material
52. parametro consente una migliore calibrazione del dato acquisito Figura 16 Riflettometro CS625 aperto e collegato ad un PC portatile per lo scarico dei dati Le equazioni di calibrazione standard fornite dal produttore del riflettometro del contenuto d acqua CS625 assicurano una precisione del 2 nella misura volumetrica dell umidit del suolo La quantit di materiale organico e di argilla nel suolo pu alterare la risposta dei metodi dielettrici in particolare l alto contenuto di argilla causa una sottostima del contenuto d acqua nel suolo per bassi valori di umidit e una sovrastima del contenuto d acqua per alti valori di umidit Gong et al 2003 Infatti l energia elettromagnetica introdotta dalla sonda agisce per ri orientare o polarizzare le molecole d acqua Se altre forze stanno agendo sulla molecola d acqua la forza esercitata dal segnale applicato sar meno efficace nel polarizzare le molecole Questo ha l effetto di nascondere una parte dell acqua alla sonda Inoltre alcune argille assorbono acqua interstizialmente e quindi ne inibiscono la polarizzazione da parte del campo magnetico applicato All interno dell area di studio con le sonde stato misurato il contenuto d acqua in punti rappresentativi e sono stati raccolti dei campioni di suolo corrispondenti alle profondit analizzate il campionamento stato effettuato in modo che i campioni raccolti fossero caratterizzati da 19
53. precision for each spectroscope Hence averaging the measurements of three identical samples led to a higher degree of accuracy and eliminated the potential for random deviations A subsection concerns identification of possible memory effect due to important differences between the isotopic content of the various samples and standard analyzed by means of different laser spectroscopes This work focuses on water samples with very negative isotopic values that are more prone to have problems as seen in previous work Memory effect is generally very high for the first few injections whereas it tends to be negligible after 8 10 injections The second section of the work investigates the role of soil moisture on the threshold runoff response in a small headwater catchment in the Italian Alps that is characterised by steep hillslopes and a distinct riparian zone This study focuses on 1 the threshold soil moisture runoff relationship and the influence of catchment topography on this relation 2 the temporal dynamics of soil moisture streamflow and groundwater that characterize the catchment s response to rainfall during dry and wet periods and 3 the combined effect of antecedent wetness conditions and rainfall amount on hillslope and riparian runoff Results highlight the strong control exerted by soil moisture on runoff in this catchment a sharp threshold exists in the relationship between soil water content and runoff coefficient streamflow and
54. quattro spettroscopi evidente quando sono considerate le propriet statistiche della deviazione standard Per l idrogeno la macchina I la migliore in termini di precisione con il 75 delle misure aventi una deviazione standard inferiore allo 0 72 o che soddisfa anche applicazioni idrologiche complesse mediante 57H AI contrario le macchine IV e III hanno una deviazione standard per le misure dell idrogeno che sono notevolmente differenti dai valori riportati in letteratura con medie superiori a 1 o Il 25 e il 75 percentile denotano una mancanza in precisione che indipendentemente dall accuratezza della macchina pu influenzare la capacit di analizzare processi fisici sul campo specialmente se le differenze nel contenuto isotopico delle acque sono inferiori al 2 o 3 H Un andamento nelle misure contrario a quello dell idrogeno stato osservato per l ossigeno Tab 10 con lo spettroscopio IV caratterizzato da una buona precisione Escluso lo strumento III le analisi sono caratterizzate da una precisione confrontabile o anche migliore rispetto a quella riportata dalla casa costruttrice Los Gatos Research Inc 2010 2008 o dagli studi suddetti Lo spettroscopio III affetto dalle deviazioni standard pi alte nonch da una ridotta precisione ma non accuratezza per entrambi gli isotopi dell acqua 25 percentile 75 percentile media o dev st c min o max o Soe Soe LWIA 8H
55. sono state calibrate per le condizioni locali di suolo contro 55 45 e 40 carote di suolo raccolte a tre profondita usando un campionatore di suolo costituito da un tubo apribile Non stato possibile collezionare carote di suolo indisturbato a 0 30 cm a causa del compattamento dei campioni Quindi stata usata l equazione di calibrazione standard fornita dalla ditta costruttrice per i suoli argillosi E stato calcolato il coefficiente di correlazione di Pearson per la relazione tra la media delle quattro misure a 0 30 cm e l umidit media del suolo sul versante Piramide ed Emme durante i due periodi di studio Tab 18 Nonostante la differenza nella profondit tra i campionamenti tutti i coefficienti di correlazione sono statisticamente significativi a 0 01 rivelando una buona consistenza tra le misure confermata anche dal confronto tra le serie temporali della media delle misure a 0 30 cm con i pattern temporali dell umidit media sul versante derivata dai 26 punti di misura alle tre profondit per ciascun versante sperimentale Fig 62 I valori di umidit del suolo pi elevati a 0 30 cm confrontati con quelli alle altre profondit sono dovuti al differente volume campionato e alla mancanza di una specifica calibrazione per i sensori TDR Comunque la figura mostra chiaramente la concordanza tra le varie serie temporali Inoltre per i due siti stata rilevata una marcata stabilit temporale dei pattern spaziali di umidit
56. tra il valore isotopico medio della neve e quello dell acqua di fusione ed inversamente proporzionale alla differenza tra l acqua vecchia ed il valore isotopico medio della neve Taylor et al 2002 Altre fonti di errore possono manifestarsi anche su scale temporali pi ridotte si citano in tal senso gli input di pioggia l eterogeneit spaziale nella fusione del manto nevoso a causa di spessori diversi legati alla topografia alla neve ventata mescolamento di acque fuse rilasciate in momenti diversi altri meccanismi di flusso dei corpi idrici e infine il campionamento della neve su aree disturbate a causa di valanghe Inoltre come verificato in vari bacini da altri ricercatori nel bacino del Rio Ponte si riscontrata una variabilit verticale del manto nevoso assai marcata e diversificata ben rappresentata dal rilievo del profilo di neve eseguito il 24 marzo 2011 Tab 6 e Fig 39 Profondit campione SH o Bsa 80 0 sto an superficie manto nevoso 101 0 0 43 13 5 0 09 STRATO 1 116 cm dal suolo 100 9 0 89 13 6 0 12 STRATO 2 109 cm dal suolo 68 4 0 67 10 2 0 09 STRATO 3 101 cm dal suolo 142 9 0 45 18 6 0 09 STRATO 4 87 cm dal suolo 116 9 0 83 15 4 0 12 STRATO 5 75 cm dal suolo 110 7 0 56 14 5 0 12 STRATO 6 58 cm dal suolo 86 0 0 38 11 9 0 04 STRATO 7 34 cm dal suolo 147 6 0 50 19 7 0 14 STRATO 8 19 cm dal suolo 144 3 0 52 19 5 0 10 n
57. umide anche i versanti in occasione di eventi meteorici possono contribuire al deflusso totale portando cos ad un considerevole incremento del picco di portata e in ultima analisi del coefficiente di deflusso 200 E E g 400 n ra E 2 E 3 600 o E D 2 2 800 Q 1000 01 06 11 01 07 11 01 08 11 01 09 11 01 10 11 01 11 11 Tempo Livello falda area riparia Livello falda di versante MIE Pioggia Figura 70 Andamento della falda media riparia e di versante nel tempo anno 2011 La connessione idrologica tra area riparia e di versante sembra comporti pure un allineamento temporale nel senso che i tempi di risposta del deflusso sottosuperficiale normalmente pi lenti tendono a ridursi e ad eguagliare cos quelli del deflusso superficiale Questa riduzione dei tempi di risposta della falda si manifestata in maniera chiara nel corso di eventi consecutivi e ravvicinati di precipitazione avvenuti nella prima decade di agosto 2010 al punto che a Ferragosto 2010 i due picchi di portata sono avvenuti in contemporanea a quelli della falda Fig 71 grazie alla saturazione del suolo e alla conseguente connessione idrologica ripario versante 94 0 54 5 0 0 r 100 0 524 200 Ni 80 z 5 ee IN E 050 E E 2 w 400 ES si D w 60 o T i a ke E oi 0 48 0 10 g 600 ZIELE E E D 400 g 046 e D a E 800 N 45 gt 0 44 20
58. vapore pu essere espresso attraverso l uso del fattore di frazionamento isotopico alfa a che descrive la distribuzione degli isotopi a R R liquido vapore dove R il rapporto tra l isotopo pi pesante e quello pi leggero In sistemi all equilibrio a corrisponde alla costante di equilibrio della reazione di frazionamento isotopico Poich la costante di equilibrio di una reazione sempre in funzione della temperatura possiamo affermare che in sistemi all equilibrio anche la composizione isotopica in funzione delle temperatura nel caso specifico in maniera inversa all aumentare della temperatura le differenze isotopiche tra due fasi tendono a diminuire Possiamo quindi definire attraverso dati sperimentali e modelli statistici la relazione tra a e temperatura e quindi ricavare informazioni sulla temperatura del sistema in cui un dato rapporto isotopico si stabilito Per quanto riguarda il ciclo delle acque il principale processo che si pu definire all equilibrio la condensazione in cui la fase liquida pioggia si arricchisce in isotopi pesanti rispetto alla nube Il processo poich avviene in condizioni di saturazione umidit relativa del 100 influenzato principalmente dalla temperatura 3 3 Il frazionamento isotopico cinetico Nel caso di processi chimico fisici irreversibili si avr frazionamento cinetico questo si verifica quando le reazioni sono molto lontane dall equilibr
59. variabili e raggiungono al massimo un valore di 1 metro L intervallo di registrazione a 15 minuti ha reso possibile l individuazione della crescita e decrescita del livello di falda anche per eventi di breve durata o di debole intensit 17 I trasmettitori del livello di capacitanza lavorano secondo il principio per cui un circuito capacitivo pu essere formato tra una sonda e la parete del recipiente o tra due aste di una sonda La capacitanza del circuito cambia al cambiamento del livello del fluido perch tutti i fluidi hanno una costante dielettrica pi alta rispetto a quella dell aria Il cambiamento correlato proporzionalmente ad un segnale analogico La sonda del livello di capacitanza costituita da una sonda cilindrica conduttiva che agisce da prima piastra del condensatore Questa sonda coperta da idoneo materiale dielettrico La seconda piastra del condensatore formata dalle pareti del contenitore insieme con l acqua contenuta in esso La capacitanza cresce man mano che la sonda viene immersa nel liquido quindi cambiando il livello d acqua cambia l area della seconda piastra del condensatore e questo influisce sulla capacitanza totale del sistema Le sonde capacitive della Trutrack sono fornite assieme ad un software che permette la calibrazione del sensore impostando due livelli d acqua noti Per effettuare la calibrazione la sonda viene immersa in acqua fino al primo segno alla base della sonda e si
60. water Journal of Physical Chemistry 80 1064 1067 Romanini D Kachanov A A Sadeghi N Stoeckel F 1997 CW cavity ring down spectroscopy Chemical Physics Letters 264 1997 316 322 145 Rose TP Davisson ML Criss RE Smith DK 1999 Isotopic investigation of recharge to a regional groundwater flow system Great Basin Nevada USA Proc International Symp on Isotope Techniques in Water Resource Development and Management Vienna May 10 14 International Atomic Energy Agency Vol 2 p 63 72 Sayres D S Moyer E J Hanisco T F St Clair J M Keutsch F N O Brien A Allen N T Lapson L Demusz J N Rivero M Martin T Greenberg M Tuozzolo C Engel G S Kroll J H Scherer J J Paul J B O Keefe A Saykally R J 1997 Cavity Ringdown Laser Absorption Spectroscopy Hystory Development and Application to Pulsed Molecular Beams Chem Rev 1997 97 25 51 Schultz N M Griffis T J Lee X Baker J M 2011 Identification and correction of spectral contamination in 7H H and 0 O measured in leaf stem and soil water Rapid Communications in Mass Spectrometry 2011 25 3360 3368 Seibert J Bishop K Rodhe A McDonnell J J 2003 Groundwater dynamics along a hillslope a test of the steady state hypothesis Water Resources Research 39 1 1014 doi 10 1029 2002WR001404 2003 Sidle R C Tsuboyama Y Noguchi S Hosoda I Fujieda M Shimizu T 1995 Seasonal hydrologic response at various spat
61. 007 Quindi lo studio e la comprensione dei controlli legati alle soglie essenziale per valutare la risposta del torrente a scala di bacino Tetzlaff et al 2008 La variabile idrologica pi frequentemente non lineare rispetto al deflusso l umidit del suolo I primi lavori di Western e Grayson 1998 nel bacino del Tarrawarra nel sudest dell Australia mostrano chiaramente che il deflusso superficiale un processo a soglia controllato dal contenuto idrico del bacino in cui i coefficienti di deflusso aumentano bruscamente quando viene superata una certa soglia di umidit Risultati simili per la relazione tra il contenuto idrico del suolo vicino alla superficie e il deflusso sono stati recentemente identificati da altri autori Tromp van Meerveld e Mc Donnel 2005 James e Roulet 2007 2009 Latron e Gallart 2008 Zehe et al 2010 con differenti valori soglia dell umidit probabilmente a causa della differenza del tipo di suolo profondit del suolo e condizioni climatiche Ulteriori studi di versante e su bacini sperimentali hanno rivelato relazioni a soglia tra l umidit del suolo e le variazioni della falda Peters et al 2003 Latron e Gallart 2008 sottolineando il ruolo chiave delle condizioni di umidit sulla generazione del deflusso superficiale e sottosuperficiale Sidle et al 1995 hanno dimostrato che semplici depressioni o bacini di primo ordine che in condizioni secche producono poco deflusso contribui
62. 010 7 2 0 03 16 06 2010 15 0 15 17 06 2010 8 0 23 19 06 2010 15 0 25 01 07 2010 15 2 0 03 11 07 2010 20 2 0 04 18 07 2010 8 6 0 02 23 07 2010 7 8 0 02 29 07 2010 17 4 0 06 04 08 2010 TA 0 02 05 08 2010 25 2 0 09 08 08 2010 19 8 0 19 10 08 2010 21 4 0 16 13 08 2010 10 4 0 18 13 08 2010 13 2 0 35 14 08 2010 48 8 0 52 05 09 2010 6 0 02 09 09 2010 6 8 0 09 13 09 2010 15 6 0 17 16 09 2010 5 4 0 03 17 09 2010 9 0 18 18 09 2010 16 0 51 24 09 2010 28 0 21 18 10 2010 18 8 0 05 14 05 2011 11 6 0 05 16 05 2011 10 0 08 27 05 2011 13 0 05 27 05 2011 43 8 0 28 28 05 2011 17 6 0 18 06 06 2011 14 8 0 24 08 06 2011 15 6 0 18 09 06 2011 8 4 0 10 11 06 2011 11 2 0 17 13 06 2011 14 4 0 23 16 06 2011 7 4 0 02 18 06 2011 28 4 0 29 04 07 2011 18 2 0 04 07 07 2011 8 0 02 13 07 2011 8 4 0 02 13 07 2011 14 0 04 23 07 2011 18 2 0 07 26 07 2011 6 6 0 04 31 07 2011 9 0 05 03 08 2011 12 2 0 03 05 08 2011 16 6 0 18 08 08 2011 12 4 0 20 12 08 2011 7 8 0 04 15 08 2011 18 8 0 07 19 08 2011 18 8 0 05 04 09 2011 19 0 05 05 09 2011 5 2 0 06 12 09 2011 8 4 0 03 17 09 2011 8 8 0 03 18 09 2011 9 6 0 06 18 09 2011 25 8 0 25 20 09 2011 20 0 17 07 10 2011 30 0 06 25 10 2011 28 4 0 33 Tabella 20 Proprieta degli eventi di pioggia deflusso selezionati nel biennio 2010 2011 90 5 8 Tempi di risposta Sono state valutate anche le dinamiche temporali della risposta del bacino alle precipitazioni per meglio comprendere 1 processi dominanti che contro
63. 04 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 14 15 agosto 2010 310 300 290 280 270 Conducibilit elettrica uS cm 260 primo impulso transizione secondo impulso 250 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Portata l s Figura 105 Relazione tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 14 15 agosto 2010 121 350 400 450 500 550 600 650 Livello medio falda mm 700 750 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Temperatura Rio Ponte C Figura 106 Relazione lineare tra livello medio della falda e temperatura del Rio Ponte durante l evento di pioggia del 14 15 agosto 2010 interessante notare che durante la seconda parte dell importante evento di precipitazione avvenuto a Ferragosto 2010 il picco di portata corrisponde al minimo valore di conducibilit elettrica dovuta alla massima diluizione dei soluti ionici e al valore isotopico meno negativo dell intero evento considerata la pioggia arricchita in isotopi pesanti Fig 104 Questa concordanza temporale conduce ad una relazione lineare tra portata e conducibilit elettrica Fig 105 grazie all elevato grado di saturazione raggiunto dal suolo dopo vari eventi di precipitazione e alla conseguente riduzione dei tempi del deflusso sottosuperficiale i cui picchi hanno coinciso con quelli di portata Fig 71 I
64. 10 o nel caso della GMWL ad un umidit relativa media dell 85 Maggiore l umidit pi piccola sar la variazione in 3 O e 3 H nel corso dell evaporazione In effetti il processo di evaporazione delle masse idriche oceaniche o semplicemente marine avviene in condizioni di non equilibrio ed influenzato da una serie di fattori dinamici come la temperatura atmosferica e la velocit del vento alla superficie dell acqua la salinit dell acqua stessa e in modo molto sensibile per l appunto dall umidit 34 Le piogge originate dall evaporazione di acque oceaniche atlantiche hanno un eccesso di deuterio prossimo a 10 o mentre le perturbazioni che hanno origine nel bacino chiuso del mar Mediterraneo sono caratterizzate da un eccesso di deuterio che pu raggiungere il 22 o Nel caso di ED lt 10 si avuto un frazionamento cinetico minore rispetto a quello verificatosi durante l evaporazione dall oceano A titolo esemplificativo nell evento del 5 agosto 2010 si verificato un forte impoverimento in isotopi pesanti della pioggia sempre pi negativo per il cambio delle correnti in quota da miti meridionali mediterranee a fredde settentrionali nord Atlantiche cambio confermato anche dalla riduzione dell eccesso di deuterio Tab 3 Pioggia SH 50O Eccesso Data Ora mm o Deuterio 05 08 2010 10 30 5 8 60 0 9 4 15 4 05 08 2010 12 00 3 6 61 8 9 4 13 4
65. 11 1 00 15 05 11 4 00 15 05 11 7 00 Tempo Figura 111 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilita elettrica nel Rio Ponte durante Conducibilita elettrica uS cm 260 258 256 254 252 250 248 246 l evento di pioggia del 14 15 maggio 2011 8 10 12 14 16 Portata l s Figura 112 Relazione lineare tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 14 15 maggio 2011 125 0 400 2 a a 4 E 2 S ke I x 6 z 500 9 T go 5 Q a gt E 8 gt 2 2 Portata a 550 L GS Pioggia a Falda 10 12 600 80 11 4 N 11 6 E 82 2 2 11 8 S 84 Sb 120 F v amp oi 12 2 86 wo 2 S 12 4 2 6 3H 88 e o 12 6 Conducibilit 90 12 8 08 08 11 17 00 08 08 11 21 00 09 08 11 1 00 09 08 11 5 00 09 08 11 9 00 Tempo Figura 113 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 8 agosto 2011 Si nota anche un evento di first flush nel primo impulso di pioggia 380 360 340 320 Conducibilit elettrica uS cm 300 Portata l s Figura 114 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 8 agosto 2011 126 300 2 400 Q E g 4 E 500 9 no Te er O S amp E A D gt Leo 2 2 T 6 a 2 e Porta
66. 1935 m s l m e 1985 m s l m per Emme Fig 6 e Fig 7 Figura 6 Sito Piramide Figura 7 Sito Emme Dettagliate analisi chimiche e fisiche sono state condotte su campioni di suolo ottenuti in corrispondenza di una trincea di profondit 70 cm localizzata ai piedi della Piramide I campioni di suolo sono stati prelevati ad intervalli di 10 cm di profondit Il suolo stato classificato come un Cambisoil con mull caratterizzato da uno spesso strato di materia organica fortemente sviluppato dall attivit dei lombrichi La porosit media varia dal 70 5 nei primi 10 cm di suolo al 45 0 negli strati pi profondi con un valore medio di 57 6 lungo l intero profilo Il contenuto di argilla decresce con la profondit dal 73 3 al 44 4 il contenuto di limo aumenta con la profondit dal 15 6 al 28 3 mentre la sabbia il componente meno comune variando tra il 9 2 e P 1 4 13 Figura 8 Frane presenti in sinistra idrografica rispetto al Rio Ponte vicino al sito Emme Sulla destra uno zoom della superficie di distacco della frana Su pi versanti del bacino sono state individuate varie fratture nonch piccole frane costituite per lo pi da strati di materia organica in scivolamento su una roccia madre quasi superficiale Fig 8 Inoltre a seguito di significativi eventi meteorici o di importanti fusioni nivali si riscontrata la presenza piuttosto diffusa di pipe flow in particolare alla base della
67. 2011 113 Portata l s Temperatura C e Portata Temperatura 288 93 5 13 0 286 94 0 oo E 284 13 1 D 94 5 3 282 tay di S 280 RO lap 278 95 5 O g o 2 276 13 3 vo 5 96 0 9S 274 gt 96 5 8 272 Conducibilit 13 4 e 32H a 270 97 0 b 3180 268 97 5 13 5 12 04 11 8 00 12 04 11 11 00 12 04 11 14 00 12 04 11 17 00 Tempo Figura 95 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante evento di fusione nivale del 12 aprile 2011 290 285 280 275 270 Conducibilit elettrica uS cm 265 T T T T T T T T 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Portata l s Figura 96 Relazione lineare tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di fusione nivale del 12 aprile 2011 114 6 3 Separazione dell idrogramma di fusione nivale in due componenti Il contributo relativo di acqua pre evento e di acqua di evento stato quantificato applicando al deuterio e all ossigeno il modello di separazione dell idrogramma in due componenti Sklash amp Farvolden 1979 La composizione isotopica del torrente prima dell episodio di fusione nivale stata utilizzata come valore integrato della composizione isotopica di acqua pre evento Ladouche et al 2001 Renshaw et al 2003 I risultati in accordo con precedenti studi riportati in letteratura Laudon et al 2007 e citaz
68. 6 Significativit statistica degli scostamenti OA ICOS IRMS e schemi analitici La significativit negli scostamenti tra spettroscopio laser spettrometro di massa stata valutata mediante un t test e un sign test Tab 9 La differenza tra le misure ottenute da OA ICOS e IRMS non statisticamente significativa al 95 se il p value pi grande del livello di significativit di 0 05 per entrambi i test In tali casi gli scostamenti delle misure da spettroscopio rispetto a quelle dello spettrometro di massa sono trascurabili Questa condizione stata riscontrata nell idrogeno per tre dei quattro spettroscopi riflettendo quindi la variabilit tra le diverse macchine Gli analizzatori I e III forniscono misure accurate rispetto allo spettrometro di massa solo quando viene applicato lo schema A mentre lo strumento II fornisce misure che sono sempre significativamente diverse da IRMS a conferma della sovrastima vedi anche Fig 49 Al contrario lo spettroscopio IV produce risultati con scostamenti insignificanti rispetto allo spettrometro di massa La qualit di misura dei quattro analizzatori differente se si considera l ossigeno Gli analizzatori I e III per tutti gli schemi non danno valori significativamente diversi da IRMS tranne per B L analizzatore II fornisce sempre risultati accurati che sono indipendenti dallo schema applicato tuttavia ci contrasta con le misure relative all idrogeno Lo spettroscopio IV fornisc
69. 8 H iiser T OOH rus Ao o OO aser E O rus 14 dove H iser OO sore SONO i valori dei delta isotopici determinati dagli strumenti OA ICOS e CRDS rispettivamente per gli isotopi dell idrogeno e dell ossigeno mentre 5 H pus e d Orpys sono i valori dei delta isotopici determinati dallo spettrometro di massa rispettivamente per gli isotopi dell idrogeno e dell ossigeno Quindi si ha una perfetta concordanza tra le misure da laser e da spettrometro di massa quando A o 0 mentre le misure laser sovrastimano o sottostimano le misure da spettrometro di massa per Ayo gt 0 eper Ayo lt 0 rispettivamente Gli scostamenti laser IRMS sono stati calcolati mediando tutte le 18 iniezioni o le ultime 14 10 e 6 iniezioni le corrispondenti distribuzioni sono presentate come box plot per tutti gli strumenti e per entrambi gli isotopi Fig 61 Generalmente considerando tutte le iniezioni si ha un significativo allontanamento dai valori IRMS mentre mediando solo l ultima serie di iniezioni quelle non influenzate dall effetto memoria o solo marginalmente si ottiene un miglioramento nell accuratezza dei risultati Comunque sono state osservate diverse qualit di misura tra le quattro macchine e i due tipi di strumenti probabilmente relazionabili a fonti casuali di errore e a intrinseche variabilit strumentali 79 0 6 3 04 2 z o na 5 02 v 5 3 o 00 S 5 3 N gt gt 0 2
70. 8 29 0 01 TS6 7 8 34 Neve antartica 361 98 0 33 45 74 0 01 TS6 7 8 35 torrente Isole Hawaii USA 10 86 0 18 3 12 0 02 LGR3 4 5 LGRI Standard di riferimento 154 1 1 0 19 57 0 10 LGR2 Standard di riferimento 117 0 1 0 15 55 0 10 LGR3 Standard di riferimento 79 0 1 0 11 54 0 10 LGR4 Standard di riferimento 43 6 1 0 7 14 0 10 LGR5 Standard di riferimento 9 8 1 0 2 96 0 10 TS6 Standard di riferimento 224 4 0 5 28 44 0 05 TS7 Standard di riferimento 314 9 0 5 40 26 0 05 TS8 Standard di riferimento 423 5 0 5 53 95 0 05 Tabella 7 Origine geografica e valori isotopici analizzati dallo spettrometro di massa dei campioni oggetto di studio e degli standard di riferimento IT Italia CR Repubblica Ceca USA Stati Uniti d America I campioni ripetuti sono evidenziati in grassetto 53 4 3 Schemi di analisi OA ICOS Per valutare potenziali differenze tutti i campioni sono stati misurati secondo i seguenti tre schemi analitici Fig 46 i Schema A stato proposto dall International Atomic Energy Agency IAEA 2009 Questa procedura adotta due standard di calibrazione e uno standard di controllo quest ultimo avente composizione isotopica intermedia Le misure e i valori conosciuti per gli standard di calibrazione vengono interpolati mediante una regressione lineare per convertire i rapporti misurati H H e 50 O in valori 5 Lo standard di controllo non viene usato per la calibrazione ma co
71. 87H 410 2010 Fusione nivale gt 2011 x if ni I iL il M V l tO Estate 2010 Wat Estate 2011 il Fusione nivale Sorgente 3 2010 Rio Ponte 8180 180 Figura 27 Andamento del contenuto isotopico idrogeno e ossigeno del Rio Ponte e della Sorgente nel biennio 2010 2011 in occasione di eventi di pioggia e di fusione nivale 32 Si pu affermare che al prolungarsi dell esposizione delle precipitazioni meteoriche alle condizioni atmosferiche e quindi all evaporazione le acque tendono a riassumere il connotato isotopico medio in termini di 8 H e 3 0 delle masse di acqua da cui ha inizio l evaporazione che origina il ciclo idrologico Cid spiega perch in generale laddove non intervengano fenomeni particolari la composizione isotopica delle acque sotterranee presenta uno scostamento negativo rispetto a quello standard dell oceano assunto pari allo 0 o Le sorgenti alimentate da quote pi alte sono quelle pi ricche in isotopi leggeri perch la precipitazione entrante essendo sottoposta per breve tempo alle condizioni atmosferiche ha subito minori processi evaporativi mentre quelle alimentate da quote pi basse sono ricche in isotopi pesanti per via della maggiore evaporazione subita dalla pioggia Infatti nelle aree a bassa quota dove le temperature sono pi elevate il tempo che intercorre tra la formazione delle piogge e la raccolta nei pluviometri superiore per via della maggior dist
72. AEA 2009 Singleton et al 2009 Lis et al 2008 Wassenaar et al 2008 Aggarwal et al 2006 hanno valutato l accuratezza e l affidabilit delle misure con spettroscopio ad assorbimento laser di 3 H e 3 O dei campioni d acqua sottolineando i pi importanti vantaggi di questa tecnologia Per esempio Lis et al 2008 hanno effettuato uno studio dettagliato sulle prestazioni dell analizzatore OA ICOS e valutato la precisione strumentale stimata per l effetto memoria tra i campioni e per l effetto di crescenti quantita di volume d acqua prelevato nonch per lo scostamento della misura rispetto allo standard noto In ogni caso i suddetti studi si focalizzano solo sull affidabilit di una singola macchina e non valutano quindi la coerenza delle misure di pi analizzatori Inoltre rimangono dei punti deboli nel confronto di schemi standardizzati e procedure di analisi in relazione alla tradizionale spettrometria di massa Nonostante l abbondanza di letteratura sull affidabilit e l efficienza dello spettroscopio laser mancava ancora un test di confronto tra pi analizzatori OA ICOS su un significativo numero di campioni e in condizioni tipiche del laboratorio Per cui il presente lavoro punta a valutare i seguenti aspetti 1 la riproducibilit delle misure per quattro analizzatori di isotopi dell acqua su un dataset di 35 campioni 2 la prestazione complessiva di queste quattro macchine rispetto al tradizionale spett
73. I genera misure relativamente accurate per l ossigeno Fig 50 pannello II L analizzatore III mostra il massimo grado di scostamenti e il pi alto grado di variabilit Fig 50 pannello III che indica una certa mancanza di precisione rispetto agli altri spettroscopi scostamenti 5 H 0 scostamenti 5 O c LWIA schema media e media E AI 0 09 1 30 0 04 0 17 A2 0 03 1 34 0 04 0 16 BI 0 15 1 68 0 08 0 20 I B2 0 22 1 71 0 09 0 20 Cl 0 78 1 07 0 03 0 14 C2 0 80 1 12 0 02 0 14 C3 0 78 1 14 0 01 0 12 Al 0 42 0 81 0 01 0 21 A2 0 45 0 79 0 01 0 20 Bl 0 43 1 43 0 09 0 28 II B2 0 45 1 46 0 09 0 28 Cl 0 64 0 75 0 02 0 24 C2 0 75 0 84 0 01 0 24 C3 0 66 0 70 0 02 0 24 Al 0 33 1 37 0 09 0 35 A2 0 49 1 45 0 05 0 34 Bl 0 47 1 90 0 14 0 44 Ill B2 0 37 1 93 0 18 0 44 Cl 0 55 0 95 0 01 0 39 C2 0 69 0 99 0 00 0 40 C3 0 57 1 00 0 05 0 33 AI 0 08 1 76 0 08 0 18 A2 0 08 1 74 0 07 0 18 BI 0 21 1 85 0 05 0 21 IV B2 0 26 1 97 0 05 0 22 Cl 0 12 0 88 0 12 0 12 C2 0 15 0 91 0 11 0 12 C3 0 21 1 11 0 10 0 16 Tabella 8 Statistica descrittiva di base per gli scostamenti 3 H e 5 O tra spettroscopio laser spettrometro di massa per i differenti schemi e per i quattro analizzatori in grassetto il valore medio pi vicino a zero per ciascun isotopo in corsivo indicato il valore pi bas
74. LGR2 3 4 8 Torrente alpino IT 79 48 0 51 11 42 0 01 LGR2 3 4 9 Torrente alpino IT 77 68 0 43 11 16 0 02 LGR2 3 4 10 Torrente alpino IT 71 11 0 16 10 40 0 01 LGR2 3 4 11 Fiume pre alpino IT 67 78 0 45 9 89 0 01 LGR2 3 4 12 Torrente pre alpino IT 71 14 0 49 10 35 0 01 LGR2 3 4 13 Grandine montana IT 61 07 0 41 9 34 0 02 LGR2 3 4 14 Torrente alpino IT 59 80 0 44 8 99 0 02 LGR3 4 5 15 Torrente alpino IT 89 15 0 17 12 42 0 02 LGR2 3 4 16 Sorgente termale alpina IT 96 67 0 29 13 28 0 02 LGR2 3 4 17 Torrente alpino IT 96 03 0 22 13 59 0 02 LGR2 3 4 18 neve da ghiacciaio alpino IT 99 01 0 46 13 32 0 02 LGR2 3 4 19 Torrente alpino IT 99 46 0 58 13 90 0 02 LGR2 3 4 20 Torrente alpino IT 84 79 0 26 11 98 0 01 LGR2 3 4 21 Torrente alpino IT 61 58 0 27 9 15 0 01 LGR3 4 5 22 Acqua di rubinetto Padova IT 56 06 0 34 8 50 0 03 LGR2 3 4 23 Pioggia Praga CR 20 87 0 26 3 84 0 02 LGR3 4 5 24 Pioggia montana CR 12 32 0 27 2 04 0 02 LGR3 4 5 25 Acqua di rubinetto Praga CR 31 48 0 35 0 71 0 04 LGR3 4 5 26 Acqua di rubinetto evaporata 67 65 0 59 9 25 0 02 LGR3 4 5 Praga CR 27 Neve montana CR 72 86 0 28 11 90 0 02 LGR2 3 4 28 Neve montana CR 107 28 0 23 15 09 0 01 LGR1 2 3 29 Falda montana CR 72 15 0 33 10 49 0 02 LGR2 3 4 30 Neve antartica 399 10 0 40 51 14 0 03 TS6 7 8 31 Neve antartica 313 94 0 25 39 49 0 00 TS6 7 8 32 Neve antartica 424 23 0 42 54 67 0 01 TS6 7 8 33 Neve antartica 305 65 0 16 3
75. O ZZ 4 LO 6Z 5 LO Le 5 giorni isotopico 44 ZOZ A co p 0 9 4 0 8 4 cO OL 5 la vaselina e l olio vegetale annullano il frazionamento 3 9 Campionamento della neve Il campionamento dell acqua nuova in presenza di neve ai fini delle analisi isotopiche pu essere condotto in 3 maniere a prelievo di neve per ottenere un valore isotopico medio b prelievo di pi campioni di neve per considerare le variazioni isotopiche nel manto nevoso c misura diretta dell acqua di fusione mediante lisimetro da neve metodo raccomandato Varie ricerche hanno dimostrato che durante la fusione nivale le prime acque che scendono dal manto nevoso sono isotopicamente povere in O rispetto alla composizione media della neve Taylor et al 2002 mentre le successive fusioni saranno caratterizzate da un progressivo arricchimento in isotopi pesanti 3 O infatti tende ad aumentare col decorso della stagione sia nella neve sia nella relativa acqua di fusione In genere l acqua di fusione nivale pi povera in O rispetto alla falda se utilizziamo come acqua nuova il valore medio di 8 O della neve prima della fusione O della neve fusa acqua nuova sar minore rispetto alla media ad inizio stagione e pi alto verso la primavera Questo comporter una sovrastima dell acqua nuova ad inizio fusione e una sua sottostima con l avanzare della stagione L errore sar tanto maggiore quanto pi accentuata la differenza
76. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTA DI AGRARIA Sede amministrativa Universita degli Studi di Padova Dipartimento Territorio e Sistemi Agro Forestali XXIV CICLO DELLA SCUOLA DI DOTTORATO TARS INDIRIZZO IN IDRONOMIA AMBIENTALE CARATTERIZZAZIONE DELLA RISPOSTA IDROLOGICA DI UN PICCOLO BACINO ALPINO MEDIANTE DATI IDROMETRICI ISOTOPICI E DI CONDUCIBILIT ELETTRICA Coordinatore Ch mo Prof Mario Aristide Lenzi Supervisore Ch mo Prof Marco Borga Co supervisore Dott Daniele Penna Dottorando Gobbi Alberto Padova 31 gennaio 2012 Indice RIASsUnto arteria ae aaa 5 Abstract ee Oe BEER Ee carie alii ile la lee ie iii nu 7 Capitolo 4 Aradia iaia 9 1 1 Bacino sperimentale del Rio Valzer elia lea 9 1 2 Bacino sperimentale del Rio Ponte s nsssssnssessssseessesseeseesseesesressteseseesstesstsstessesseesresseeseesressee 12 Capitolo 2 Materiali e ANICLOCI ts snai 15 2 1 Monitoraggio della precipitazione ws ssiisces causes mhicdusacute acd serichan russ aadsivtaeaiertauadlaateamanmaateaeies 15 2 2 Monitoraggio dellaporlata itunes 15 2 3 Moinitoraggio del Hvello ditalda s nti iala 17 2 4 Monitoraggio dell umidit del suolo 18 D AJRiflcntometo CSS risale 18 DAD Sonde Deceagoti EC ici 20 24 3 Sonda ThetaProbe i e aaa 22 24 4 Sonda TORI QO eeinetan an rE A a EES ERARE AART E N EA AAE SSSA 23 2 5 Conduttivimetro e conducibilit elettrica i 25 Capitolo 3 I traccian
77. a avviene molto probabilmente sottoforma di deflusso sottosuperficiale Le informazioni raccolte in questo studio rappresentano un primo passo per sviluppare un modello concettuale capace di descrivere il comportamento idrologico di questo bacino e per sviluppare ulteriori ricerche nella regione dolomitica Per esempio l assimilazione di misure dell umidit del suolo sul campo possibilmente accoppiate con misure da remoto possono migliorare la concettualizzazione parametrizzazione e capacit di previsione dei modelli afflussi deflussi Brocca et al 2010 per i bacini alpini di testata Inoltre nei bacini montani con comportamenti simili a quelli del bacino del Rio Ponte in cui una soglia di umidit controlla la relazione immagazzinamento deflussi pu essere applicato e verificato il concetto di variabili di stato competitive Duffy 1996 In tale contesto la dipendenza inversa competitiva tra l immagazzinamento di umidit saturo ed insaturo pu diventare pi importante per gli eventi di pioggia con l incremento di umidit del suolo e portare cos ad una migliore comprensione delle dinamiche afflussi deflussi in questi bacini I fenomeni fortemente non lineari che controllano la risposta del bacino del Rio Ponte rappresentano una sfida per i modelli idrologici basati su assunzioni lineari Inoltre il cambio di direzione nelle isteresi a seconda delle condizioni antecedenti di umidit che riflette i complessi processi
78. a laser non pu essere stabilizzato in tale range i picchi di assorbimento possono risentirne in maniera significativa causando un elevata incertezza nei rapporti isotopici IAEA 2009 Aggarwal et al 2006 Un emblematico caso di questo comportamento visibile in Fig 53 che riporta la variazione nelle molecole d acqua iniettate nella cavit durante un analisi dell analizzatore IV schema A1 Il numero di molecole per cm ricade nel range atteso in assenza di tendenze o particolari scostamenti tuttavia alcune iniezioni si discostano dall andamento medio La diminuzione pi chiara si avuta nell iniezione numero 257 che corrisponde alla quinta iniezione delle sei per la determinazione dello standard LGR3 L iniezione 257 caratterizzata da un volume d acqua 3 13 x 10 molecole cm significativamente inferiore alla media 3 48 x 10 molecole cm delle 270 iniezioni totali dell analisi 4 0e 16 3 8e 16 3 6e 16 3 4e 16 3 2e 16 molecole d acqua per cm3 3 0e 16 0 50 100 150 200 250 iniezioni Figura 53 Esempio di iniezione incoerente 65 Questo discontinuo volume d acqua coincide con i valori di idrogeno e ossigeno significativamente diversi dai tre valori usati per la determinazione finale della composizione isotopica del campione calcolata mediando le ultime quattro iniezioni Tab 11 Numero di iniezione Nunero dimolecole 2 18 nell analisi d acqua N SH
79. a tra 1 83 e il 97 con il deuterio e tra il 70 e il 94 con l ossigeno rispetto al deflusso totale per piene dovute a piogge Sia per le separazioni di idrogrammi da pioggia sia da fusione nivale si riscontrano alcuni eventi in cui le percentuali di acqua vecchia differiscono in maniera anche non trascurabile ricorrendo o al deuterio o all ossigeno come tracciante conservativo Tab 24 e 25 Questa apparente discordanza stata rilevata anche da Lyon et al 2009 i quali come nei casi in questione hanno riscontrato un minor apporto di acqua pre evento al torrente usando l ossigeno come tracciante Tuttavia nel bacino in esame le separazioni effettuate con l ossigeno sono correlabili a vari parametri relativi al deflusso e alle condizioni antecedenti l idrogeno invece collegabile solo all intensit di precipitazione Idrogeno Ossigeno AME ee pre Acqua pre Acqua pre Data evento media evento Gini evento evento evento 3 05 08 2010 0 451 834 90 5 91 6 evento 4 12 13 08 2010 0 500 698 85 0 89 5 evento 5 13 14 08 2010 0 504 535 95 2 74 3 evento 6 14 15 08 2010 0 504 616 83 3 70 5 evento 7 8 9 09 2010 0 509 n d 95 9 92 8 evento 8 24 25 09 2010 0 493 799 95 9 91 1 evento 11 14 15 05 2011 0 484 1028 89 7 93 7 evento 12 08 08 2011 0 501 767 88 0 90 6 evento 13 25 26 10 2011 0 496 916 96 6 94 2 media 91 1 87 6 Tabella 25 Contributo di acqua pre event
80. a umidit del suolo 0 30 cm portata e umidit del suolo 0 30 cm livello di falda stato identificato un chiaro comportamento a soglia Fig 65a e 65b Portata e livello di falda sono bassi durante condizioni secche ma appena superata la soglia di umidit del 45 si ha un improvviso aumento dei valori relativi a queste due variabili Ci in accordo con precedenti risultati in altri bacini e versanti sperimentali Meyles et al 2003 Peters et al 2003 Latron and Gallart 2008 e sottolineano l influenza dell umidit del suolo sui processi non lineari di generazione del deflusso Da notare come il valore soglia di umidit oltre il quale la falda media di versante aumenta in maniera sensibile lo stesso per la portata rivelando la forte influenza esercitata dalle condizioni di umidit sia sul deflusso superficiale che su quello sottosuperficiale Risultati simili sono stati identificati nei siti Piramide ed Emme per le relazioni tra umidit media di versante a 0 6 0 12 e 0 20 cm di profondit e il livello medio di falda Fig 66 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 coefficiente di deflusso 0 1 0 0 30 35 40 45 50 umidit antecedente del suolo 0 30 cm Figura 64 Comportamento a soglia nella relazione tra umidit del suolo 0 30 cm prima dell evento e il coefficiente di deflusso per le piogge monitorate nel biennio 2005 2006 La linea verticale mostra la soglia di umidit del suolo quella orizzontale il va
81. ampionamenti Campionamenti 0 08 09 10 17 00 08 09 10 23 00 09 09 10 5 00 09 09 10 11 00 24 09 10 20 00 25 09 10 4 00 25 09 10 12 00 25 09 10 20 00 26 09 10 4 00 Tempo Tempo E E E T 8 8 Es E Es E a o amp Da 2 3 3 a a 30 E 2 E E of o Q 20 2 Es Es E gs 15 a oa a D D 2 a 10 a E Acqua di evento E Acqua di evento GB Acqua pre evento 5 GB Acqua pre evento C Pioggia Pioggia Campionamenti Campionamenti 0 14 05 11 23 00 15 05 11 1 00 15 05 11 3 00 15 05 11 5 00 08 08 11 18 00 08 08 11 22 00 09 08 11 2 00 09 08 11 6 00 Tempo Tempo Figura 117b Separazione degli idrogrammi di pioggia in acqua vecchia e in acqua nuova tramite i due isotopi di idrogeno sopra e ossigeno sotto usando come valore pre evento il torrente stesso 130 Portata l s Pioggia mm 30 min Portata l s Pioggia mm 30 min E Acqua di evento E Acqua pre evento E Pioggia Campionamenti 0 10 25 10 11 11 00 25 10 11 23 00 26 10 11 11 00 26 10 11 23 00 27 10 11 11 00 Tempo Figura 117c Separazione degli idrogrammi di pioggia in acqua vecchia e in acqua nuova tramite i due isotopi di idrogeno sopra e ossigeno sotto usando come valore pre evento il torrente stesso 6 6 Relazione tra acqua di evento e parametri idrologici per eventi di pioggia Le relazioni tra acqua nuova calcolata con l ossigeno per i 9 eventi di pioggia denota che pi alti sono i valori delle condizioni antecedenti portata pr
82. ano durante la precipitazione fenomeni di evaporazione delle gocce di pioggia durante la caduta per saturare le masse d aria sottostanti le nubi stesse con conseguente diminuzione della pendenza nella retta meteorica e maggiori valori in eccesso di deuterio La formazione di tali nubi comune nelle particolari condizioni orografiche della penisola italiana che favoriscono rapidi processi di condensazione quando le masse di vapore provenienti dal mare incontrano le catene montuose prospicienti effetto stau Questo spiega perch le aree costiere sono caratterizzate da precipitazioni con un valore di eccesso di deuterio pi basso rispetto alle piogge orografiche delle aree montane Inoltre quando una massa di vapore si inoltra dall oceano sul continente lungo il percorso si impoverisce progressivamente in isotopi pesanti a causa delle successive parziali condensazioni che si verificano effetto rainout Fig 25 le precipitazioni sulle zone interne di un continente sono isotopicamente pi leggere rispetto a quelle che si verificano sulle zone litorali o sub litorali effetto continentalit 37 3 6 Relazione tra idrogeno e ossigeno nei campioni d acqua I campioni d acqua del Rio Ponte raccolti nel 2010 2011 ammontano a 268 quelli della Sorgente a 150 Il coefficiente di correlazione di Pearson idrogeno ossigeno per i campioni del Rio Ponte pari a 0 988 per la Sorgente 0 850 I valori isotopici delle acque raccolte q
83. anza tra le nubi ed il suolo Il gradiente isotopico verticale delle precipitazioni in un bacino tra 0 15 o e 0 5 o per O tra 1 o e 4 o per il H per ogni 100 metri di incremento di quota consente di ricavare una relazione circa lineare tra ossigeno o deuterio e la quota di infiltrazione delle piogge in un bacino Questo rende quindi possibile nota la sua composizione isotopica di collegare un acqua di circolazione ad una ben determinata quota di infiltrazione In definitiva all aumentare della quota per latitudini minori per regioni fredde che implicano precipitazioni nevose o piogge formatesi a basse temperature il delta tende al negativo a causa dell impoverimento in isotopi pesanti Al diminuire della quota per latitudini maggiori e per regioni calde che implicano piogge formatesi a temperature elevate il delta tende al positivo a causa dell arricchimento in isotopi pesanti 3 4 La linea meteorica globale GMWL Se si riportano in un diagramma Fig 28 la composizione isotopica delle precipitazioni mondiali rispetto all ossigeno 5 O e al deuterio 3 H esse si dispongono in un luogo di punti la cui retta di regressione si pu approssimare con la seguente equazione Craig 1961 5 H 88 0 10 0 Questa retta detta delle acque meteoriche mondiali o GMWL Global Meteoric Water Line rappresenta la relazione tra la composizione isotopica dell ossigeno e dell idrogeno nelle precipitazioni di tutto il globo
84. asano su due standard di calibrazione interpolati da una regressione lineare e uno standard di controllo che non incluso nella calibrazione La regressione tra le misure e i valori 6 conosciuti per gli standard di calibrazione viene utilizzata per convertire i rapporti isotopici assoluti misurati ai valori delta E stata adottata una versione modificata di questo schema poich ciascuna fialetta non stata campionata sei volte come nella procedura originale bens 18 volte per poter monitorare l andamento dell effetto memoria I campioni sono stati raggruppati in due insiemi di cinque interposti con tre triplette di standard di riferimento Ciascuna analisi inizia con un falso campione per preparare la linea di trasferimento e stabilizzare la macchina e termina con acqua deionizzata per pulire la siringa IAEA 2009b Poich la variazione nella composizione isotopica dei campioni selezionati e degli standard di riferimento molto ampia non raccomandabile lanciare un analisi con campioni cos isotopicamente differenti si provveduto a minimizzare la differenza tra il contenuto isotopico di fialette adiacenti definendo una sequenza di analisi presentata in Tab 15 Tuttavia permangono ancora delle marcate differenze specialmente tra un campione vicino ad uno standard o tra due standard adiacenti Comunque questo ci permette di testare le capacit delle macchine per un ampia variazione nella composizione isotopica t
85. ater component of peak discharge from the chemistry of total runoff Water Resources Research 5 438 445 Rassam D W Fellows C S De Hayer R Hunter H Bloesch P 2006 The hydrology of riparian buffer zones two case studies in an ephemeral and a perennial stream Journal of Hydrology 325 308 324 doi 10 1016 j jhydrol 2005 10 023 Renshaw C E X Feng K J Sinclair R H Dums 2003 The use of stream flow routing for direct channel precipitation with isotopically based hydrograph separations the role of new water in stormflow generation Journal of Hydrology 273 205 216 Ricci R W Ditzler M Nestor L P 1994 Discovering the Beer Lambert law Journal of Chemical Education 71 11 983 Rodgers P Soulsby C Waldron S 2005a Stable isotope tracers as diagnostic tools in upscaling flow path understanding and residence time estimates in a mountainous mesoscale catchment Hydrological Processes 19 2291 2307 Rodgers P Soulsby C Waldron S Tetzlaff D 2005b Using stable isotope tracers to assess hydrological flow paths residence times and landscape influences in a nested mesoscale catchment Hydrology and Earth System Sciences 9 139 155 Roether W 1970 Water CO2 exchange set up for the routine oxygen 18 assay of natural waters International Journal of Applied Radiation and Isotopes 21 379 387 Rolston J H den Hartog J Butler J P 1976 The deuterium isotope separation factor between hydrogen and liquid
86. azione degli eventi di fusione nivale monitorati nella primavera del 2010 100 80 10 Portata ME Pioggia 60 20 Portata l s 40 Pioggia mm h 30 20 0 40 01 08 2010 16 08 2010 31 08 2010 15 09 2010 30 09 2010 Tempo Figura 80 Individuazione degli eventi di pioggia monitorati nell estate del 2010 104 Altezza neve Temperatura 200 150 O x 2 lo ov 2 100 N 5 N D 2 3 lt 50 KS 0 120 100 80 D Q D amp 60 E 00 Portata tf ME Pioggia 2 40 a 20 0 1 10 2010 1 01 2011 1 04 2011 1 07 2011 1 10 2011 Tempo Figura 81 Individuazione degli eventi di fusione nivale 1 e di pioggia 2 monitorati nel biennio 2010 2011 105 2 Portata Gm Pioggia 4 amp 5 oO 6 8 10 22 03 2011 29 03 2011 05 04 2011 12 04 2011 19 04 2011 Tempo Pioggia mm 30 min Figura 82 Individuazione degli eventi di fusione nivale monitorati nella primavera del 2011 0 10 Portata T EE Pioggia I 20 5 O O 30 40 01 05 2011 15 06 2011 30 07 2011 13 09 2011 28 10 2011 Tempo Figura 83 Individuazione degli eventi di pioggia monitorati nell estate del 2011 106 Pioggia mm h Nella Fig 84 sono stati posti in relazione i coefficienti di deflusso degli eventi di pioggia campionati calcolati mediante separazione dell idrogramma tramite isotopi con quelli ottenuti mediante il metodo grafico Il coefficiente di deflu
87. caratteristiche degli eventi considerati Il reflettometro per il contenuto idrico del suolo stato re installato nella medesima area di studio il 28 giugno 2005 per cui i dati di umidit del suolo a 0 30 cm non sono disponibili per i primi quattro eventi del 2005 5 4 Determinazione dell estensione dell area riparia Nei piccoli bacini di testata di alta quota le caratteristiche topografiche consentono una identificazione relativamente semplice delle principali unit paesaggistiche Nel bacino del Rio Ponte stata valutata l estensione dell area riparia combinando osservazioni di campo ed analisi tramite DEM con risoluzione da 1 m ottenuto da un dataset LIDAR seguendo in parte la procedura seguita da McGlynn and Seibert 2003 E stato scelto un valore soglia di pendenza maggiore rispetto alla pendenza media longitudinale del torrente e minore rispetto alla pendenza dei versanti Mediante una valutazione visiva della distribuzione delle pendenze sull intero bacino basate sulle ortofoto e su rappresentazioni tridimensionali stato identificato un valore soglia di 15 per distinguere tra celle appartenenti all area riparia valori di cella sotto la pendenza soglia e celle appartenenti ai versanti valori di cella sopra la pendenza soglia I risultati dell analisi dal DEM sono state confrontate sul campo con la topografia reale camminando lungo il bacino e mappando le aree relativamente piane caratterizzate da suolo umido
88. cesses in a small Mediterranean research catchment Vallcebre Eastern Pyrenees Journal of Hydrology 358 206 220 142 Laudon H Sjoblom V Buffam I Seibert J Morth M 2007 The role of catchment scale and landscape characteristics for runoff generation of boreal streams Journal of Hydrology 344 198 209 Lee K Kim J Lee D Kim Y Lee D 2007 Analysis of water movement through an unsaturated soil zone in Jeju Island Korea using stable oxygen and hydrogen isotopes Journal of Hydrology 345 199 211 Lis G Wassenaar L I Hendry M J 2008 High precision laser spectroscopy D H and 0 O measurements of microliter natural water samples Analytical Chemistry 80 287 293 Los Gatos Research Inc 2008 Liquid Water Isotope Analyser Automated Injection Los Gatos Research Inc 2010 Liquid Water Isotope Analyser Version 2 Automated Injection Lyon S W Desilets S L E Troch P A 2008 Characterizing the response of a catchment to an extreme rainfall event using hydrometric and isotopic data Water Resources Research 44 W06413 Lyon S W Desilets S L E Troch P A 2009 A tale of two isotopes differences in hydrograph separation for a runoff event when using 5D versus 8 O Hydrological Processes 23 2095 2101 Matsuo S and I Friedman Deuterium content in fractionally collected rainwater J Geophys Res 72 6374 6376 1967 McDonnell JJ Bonell M Stewart MK Pearce AJ 1990 Deuterium variations
89. chemi media mediazdev st media mediatdev st T min max 1 0 os 9 to To oom a a 5 5 Ss ee ee ee ee SS ee oO gt 3 05 3 3 10 IV 1 5 Al A2 Bi B2 CI C2 C3 Al Ade Bt 82 Ct 62 I schemi schemi Figura 50 Statistica descrittiva degli scostamenti spettroscopio laser spettrometro di massa per 5 O per i differenti schemi analitici e per i quattro analizzatori 58 I grafici suggeriscono due principali osservazioni primo esiste un certo grado di variabilita tra le quattro macchine per i due rapporti isotopici sia in termini di accuratezza distanza della media dalla linea zero che di precisione ampiezza dei box ovvero deviazione standard In particolare la distribuzione degli errori per l analisi dell idrogeno usando la macchina II Fig 49 pannello Il evidenzia deviazioni standard pi basse rispetto alle altre macchine Comunque le linee rappresentano la media che sempre sopra la linea zero indice di una costante sovrastima rispetto allo spettrometro di massa Al contrario tutte le serie degli scostamenti mostrano un accuratezza relativamente elevata per le misure isotopiche dell idrogeno per lo strumento IV Fig 49 pannello IV Per l ossigeno gli analizzatori I e IV Fig 50 pannelli I e IV rispettivamente forniscono misure che sono leggermente sottostimate rispetto allo spettrometro di massa Al contrario dell idrogeno l analizzatore I
90. cipitazione portata e falda I dati di precipitazione portata umidit del suolo e falda sono stati raccolti durante due campagne di misura dall 1 giugno al 10 ottobre 2005 e dal 1 giugno al 15 ottobre 2006 Quattro piezometri dotati di sonde capacitive di diversa lunghezza 0 5 m e 1 m sono stati installati in Piramide e cinque sulla Emme con profondit massime variabili da 0 63 a 1 18 m dalla superficie del suolo Fig 5 Le registrazioni di precipitazioni portata e falda sono state aggregate a 15 minuti per il processamento dei dati e le successive analisi Il contenuto volumetrico dell umidit del suolo stato misurato a differenti profondit e in vari siti entro l area di studio Il contenuto d acqua del suolo a 0 6 cm stato misurato manualmente su una griglia di 26 punti su ciascun versante Fig 5 durante varie campagne di misura effettuate in due periodi di studio 28 giugno 21 luglio 2005 24 rilievi e 21 giugno 16 luglio 2006 23 rilievi usando il sensore ad impedenza Theta Probe L umidita del suolo a 0 12 cm e 0 20 cm stata misurata negli stessi punti di campionamento e negli stessi periodi usando la sonda TDR300 L umidit del suolo a 0 30 cm di profondit stata continuamente monitorata a intervalli di un ora con il reflettometro CS625 in 4 siti localizzati nella parte pi bassa del versante Emme Fig 5 82 5 2 Relazione tra umidita a diverse profondita Le misure del Theta Probe e del TDR300
91. ckman J O Bales R C 2004 A two component hydrograph separation for three high elevation catchments in the Sierra Nevada California Hydrological Processes vol 18 1721 1733 IAEA 2009a Reference Sheet for VSMOW2 and SLAP2 international measurement standards Issued 2009 02 13 International Atomic Energy Agency Vienna 5 p http nucleus iaea org rpst Documents VSMOW2_SLAP2 pdf 141 IAEA 2009b Laser Spectroscopy Analysis of Liquid Water Samples for Stable Hydrogen and Oxygen Isotopes Performance Testing and Procedures for Installing and Operating the LGR DT 100 Liquid Water Isotope Analyzer International Atomic Energy Agency Vienna 2009 ISSN 1018 5518 Ingraham NL 1998 Isotopic variation in precipitation In Isotope Tracers in Catchment Hydrology Kendall C McDonnell JJ Eds Elsevier Amsterdam 87 118 James A L Roulet N T 2007 Investigating hydrologic connectivity and its association with threshold change in runoff response in a temperate forested watershed Hydrological Processes 21 3391 3408 James A L Roulet N T 2009 Antecedent moisture conditions and catchment morphology as controls on spatial patterns of runoff generation in small forest catchments Journal of Hydrology 377 351 366 Kendall C McDonnell J J 1998 Isotope Tracers in Catchment Hydrology New York Elsevier 1998 Kendall K A Shanley J B McDonnell J J 1999 A hydrometric and geochemical approach to test the transmissivit
92. co L analisi termina con 12 iniezioni di acqua deionizzata dalla prima fialetta iii Schema C consiste in una modifica dello schema B ma ciascuna fialetta viene prelevata otto volte invece di sei Le prime tre misure sono scartate e il valore delta si ottiene mediando le rimanenti tre iniezioni mentre sono escluse le due misure con il pi alto scostamento dalla media preliminare Per determinare l influenza potenziale dei diversi metodi di calcolo della media sul valore isotopico finale tutti i dati grezzi sono stati elaborati usando i seguenti tre approcci 1 la media delle ultime 4 misure delle 6 iniezioni o 8 iniezioni nello schema C denominata versione 1 ii la media delle migliori tre iniezioni delle ultime cinque denominata versione 2 iii la media delle 6 misure dopo l esclusione delle prime due schema C denominata versione 3 La linea di trasferimento e la siringa sono pulite all inizio di ogni analisi per assicurare l omogeneit delle condizioni sperimentali tra i vari laboratori Ad ogni analisi si usato un nuovo septum nel blocco riscaldato dell autoiniettore fialette pulite con un nuovo tappo provvisto di septum pipette lavate e asciugate per ogni campione e standard nonch dessiccante nuovo o rigenerato Prima dell analisi tutti i campioni e gli standard che di solito sono conservati in frigo a 4 C vengono tenuti a temperatura di laboratorio per almeno 12 ore ed agitati per riequilibrare
93. conduttivit ossia la concentrazione ionica di una soluzione stimandone la resistenza elettrica Questo strumento dotato di una sonda contenente due elettrodi Una corrente alternata applicata ad uno dei due elettrodi fa s che gli ioni della soluzione migrino verso di essi Maggiore la concentrazione ionica della soluzione maggiore la corrente che fluisce agli elettrodi Lo strumento misura la corrente elettrica ed utilizza la legge di Ohm per calcolare prima la conduttanza della soluzione e successivamente il valore di conduttivit Sul bacino del Rio Ponte stato utilizzato il conduttivimetro WTW Cond 3301 un misuratore portatile impermeabile all acqua con un autonomia massima a batterie di 1500 ore Secondo la legge di Ohm l intensit della corrente in un circuito direttamente proporzionale alla tensione ad esso applicata ed inversamente proporzionale alla resistenza del circuito stesso Si esprime come I V R in cui I l intensit della corrente V la differenza di potenziale applicata al circuito ed R la resistenza elettrica 25 Figura 23 Conduttivimetro utilizzato per le misure di conduttivita delle acque Lo strumento fornito di un display che indica la temperatura simultaneamente ad ogni misurazione di conduttivita effettuata Fig 24 Dispone di un datalogger integrato e di funzioni sia automatiche che manuali di compensazione della temperatura per acque ultrapure ed acque naturali Co
94. copy Invited paper in Applied Physics B 75 261 265 Berden G Peeters R Meijer G 2000 Cavity ring down spectroscopy experimental schemes and applications Int Reviews in Physical Chemistry 2000 19 4 565 607 Berman E S F Gupta M Gabrielli C Garland T McDonnell J J 2009 High frequency field deployable isotope analyzer for hydrological applications Water Resources Research 45 W10201 Beven KJ Germann PF 1982 Macropores and water flow in soils Water Resour Res 18 1311 1325 Beven K 2006 Searching for the Holy Grail of scientific hydrology Qt H S R At as closure Hydrology Earth System Sciences 10 609 618 Blume T Zehe E Bronstert A 2007 Rainfall runoff response event based runoff coefficients and hydrograph separation R ponse pluie d bit coefficients d coulement v nementiels et s paration d hydrogramme Hydrological Sciences Journal 52 5 843 862 DOI 10 1623 hysj 52 5 843 Blume T Zehe E Bronstert A 2009 Use of soil moisture dynamics and patterns at different spatio temporal scales for the investigation of subsurface flow processes Hydrology Earth System Sciences 13 1215 1233 Brand W A GeilmannH Crosson E R RellaC W 2009 Cavity ring down spectroscopy versus high temperature conversion isotope ratio mass spectrometry a case study on H and 6 O of pure water samples and alcohol water mixtures Rapid Commun Mass Spectrom 2009 23 12 1879 1884 DOI 10 1002
95. d appropriati per contenere la composizione isotopica dei campioni Gli standard sono stati calibrati rispetto agli standard della IAEA International Atomic Energy Agency in relazione alla scala VSMOW SLAP Gonfiantini 1978 e normalizzati adottando la procedura descritta in IAEA 2009a Tutti i campioni d acqua e gli standard di riferimento sono immessi in una fialetta ND8 32 x 11 6 mm da 1 5 ml con tappi dotati di setti in PTFE silicone PTFE riempite con 1 ml di acqua Le operazioni di riempimento delle fialette sono state condotte nello stesso laboratorio per assicurare l omogeneit durante l intero test comparativo ID SH dev st 880 dev st 0 PH 0 0 SBOH 1 1 231 7 0 5 29 83 0 02 2 258 7 04 33 07 0 01 3 2077S 0 5 34 96 0 02 4 303 8 0 4 38 26 0 03 5 312 2 0 6 3947 0 02 6 334 7 04 42 24 0 02 7 338 5 0 5 43 73 0 02 373 1 0 4 48 02 0 02 9 3904 0 5 50 20 0 02 10 421 1 0 5 53 41 0 02 STD1 221 8 0 5 29 06 0 04 STD2 313 8 0 4 40 22 0 02 STD3 422 8 0 4 53 83 0 02 Tabella 14 Valori medi da IRMS di 5 H e 8 O ottenuti da 10 analisi dei campioni oggetto di studio e degli standard di riferimento 71 I campioni sono stati determinati seguendo la procedura suggerita dal Laboratorio di Isotopia Idrologica della IAEA IAEA 2009b e testata da Penna et al 2010 Gli schemi si b
96. dall interazione di vari fattori incluse le propriet topografiche geologiche pedologiche e climatiche L analisi condotta in questo studio ci aiuta a comprendere meglio i processi dominanti e i meccanismi di generazione del deflusso che controllano la risposta idrologica agli eventi estivi di pioggia nel bacino del Rio Ponte Nel bacino del Rio Ponte sono stati osservati comportamenti simili a quelli descritti in Sidle et al 2000 relativi a un modello concettuale geomorfico per un ripido bacino sperimentale di testata Hitachi Ohta Giappone 1 durante condizioni secche umidit del suolo a 0 30 cm compresa tra 35 e 45 portata e falda sono basse Piogge modeste risultano in bassi coefficienti di deflusso Fig 64 la generazione del deflusso probabilmente legata alla risposta delle aree riparie vicino al torrente che sono propense alla saturazione e reattive alle precipitazioni L incremento di portata con la precipitazione pari al 9 della pioggia stessa ci suggerisce che il deflusso pu essere volumetricamente spiegato mediante il contributo dell intera area riparia che rappresenta approssimativamente il 9 dell area 100 totale del bacino Portata e umidita del suolo sono molto sensibili agli impulsi di pioggia mentre la falda meno reattiva Fig 63 La risposta della portata pi veloce rispetto all umidit del suolo causando quindi una relazione isteretica oraria tra le due variabili Fig 69a 2 con
97. del suolo sia in area riparia sia nel tratto di versante della Emme vedi Fig 19 Dai grafici di Fig 74 e 75 si nota come a parit di profondit i valori pi bassi e pi variabili di umidit tipicamente si riscontrano sul versante rispetto all area riparia 0 60 0 55 0 50 0 45 0 40 Pioggia mm 15 min 0 35 Umidit media del suolo area riparia 5 cm 0 30 meta versante 5 cm parte alta versante 5 cm GE Pioggia 0 25 01 06 10 01 07 10 01 08 10 01 09 10 01 10 10 01 11 10 Tempo 0 60 0 55 0 50 0 45 0 40 0 35 Pioggia mm 15 min area riparia 30 cm 0 30 met versante 30 cm parte alta versante 30 cm HB Pioggia Umidit media del suolo 0 25 01 06 10 01 07 10 01 08 10 01 09 10 01 10 10 01 11 10 Tempo Figura 74 Andamento nel tempo dell umidit del suolo a 5 cm e 30 cm di profondit suddivisa per siti di misura estate 2010 97 0 60 0 55 0 50 0 45 0 40 0 35 Pioggia mm 15 min area riparia 5 cm 0 30 meta versante 5 cm parte alta versante 5 cm HB Pioggia Umidita media del suolo 0 25 01 05 11 01 06 11 01 07 11 01 08 11 01 09 11 01 10 11 01 11 11 Tempo 0 60 0 55 0 50 0 45 0 40 Pioggia mm 15 min 0 35 Umidit media del suolo area riparia 30 cm 0 30 4 met versante 30 cm parte alta versante 30 cm HEE Pioggia 0 25 01 05 11 01 06 11 01 07 11 01 08 11 01 09 11 01 10 11 01 11 11 Tempo F
98. denza dipende quasi esclusivamente dal contenuto idrico del terreno La lettura viene realizzata ad alta frequenza per evitare l effetto parassita della conducibilit elettrica La misura dell impedenza in realt eseguita in modo indiretto attraverso la misura del segnale di ritorno Volt dalla linea di trasmissione il valore visualizzato calcolato dal data logger partendo dal dato in mV inviatogli dalla sonda il quale viene convertito in dato volumetrico attraverso l utilizzo di una funzione polinomiale contenuta nel software del data logger L intervallo tra 0 e 1 Volt corrisponde a valori di contenuto idrico compresi tra 0 e 0 55 m m 22 Il manuale di istruzioni dello strumento afferma che il Theta Probe calibrato con parametri di default per un generico suolo possibilit di scelta Suolo Organico Suolo Minerale dovrebbe fornire una precisione nella misura di circa 0 05 m m lo stesso strumento calibrato per un suolo specifico dovrebbe fornire una precisione di 0 02 m m L influenza sulla misura data al 95 dal volume di terreno che si trova all interno di un cilindro di 4 cm di diametro centrato sulla barra centrale e 6 cm di lunghezza 75 cm Questo cilindro di 4 cm di diametro per 6 cm d altezza non altro che l ipotetico cilindro formato dai tre elettrodi esterni della sonda Il valore di contenuto idrico del suolo memorizzabile dal data logger corrisponde al rapporto tra il volume d ac
99. dio di acqua corrispondono a inconsistenti valori isotopici Comunque sempre raccomandato un attento controllo dei dati grezzi IAEA 2009 in quanto l eliminazione dei valori corrispondenti alle iniezioni lontane dalla media possono migliorare precisione ed accuratezza degli spettroscopi laser della LGR 4 11 Ripetibilit Per valutare la ripetibilita delle misure di 3 H e 3 O fornite dagli strumenti OA ICOS sono stati selezionati sette campioni che sono stati analizzati tre volte in tre differenti fialette nel corso della stessa analisi I risultati dei quattro campioni pi rappresentativi a contenuto isotopico differente sono mostrati in Fig 54 e 55 con le tre ripetizioni per ciascun strumento Le barre di errore rappresentano la deviazione standard calcolata per ciascuna misura I valori IRMS di 5 H o 3 O e di deviazione standard sono rappresentati come linee orizzontali continue e tratteggiate rispettivamente Un analisi visiva dei quattro strumenti rivela comportamenti discordanti le misure ripetute sono molto simili ed entro la precisione strumentale in alcuni casi es analizzatore I in Fig 54d e analizzatore II in Fig 55c e apparentemente instabili in altri es analizzatore I in Fig 54b e analizzatore IV in Fig 55d In particolare le misure ripetute 3 H del campione 14 Fig 54 pannello a mediante gli spettroscopi I II e III ricadono entro l incertezza analitica di IRMS che risulta in differenze tra le misure p
100. doi 10 1029 2010WR009341 143 Meyles E Williams A Ternan L Dowd J 2003 Runoff generation in relation to soil moisture patterns in a small Dartmoor catchment Southwest England Hydrological Processes 17 251 264 Miller J D Gaskin G J 1999 ThetaProbe ML2x Principles of operation and applications Delta T devices Ltd Neal C Rosier PTW 1990 Chemical studies of chloride and stable oxygen isotopes in 2 conifer afforested and moorland sites in the British uplands Journal of Hydrology 115 269 283 Norbiato D Borga M Degli Esposti S Gaume E Anquetin S 2008 Flash flood warning based on rainfall depth duration thresholds and soil moisture conditions An assessment for gauged and ungauged basins Journal of Hydrology 362 3 4 274 290 10 1016 j jhydrol 2008 08 023 Norbiato D Borga M 2008 Analysis of hysteretic behaviour of a hillslope storage kinematic wave model for subsurface flow Advances in Water Resources 31 118 131 Norbiato D Borga M Merz R Bl schl G Carton A 2009 Controls on event runoff coefficients in the eastern Italian Alps Journal of Hydrology 375 312 325 doi 10 1016 j jhydrol 2009 06 044 Ocampo C J Sivapalan M Oldham C 2006 Hydrological connectivity of upland riparian zones in agricultural catchments implication for runoff generation and nitrate transport Journal of Hydrology 331 643 658 Ogrinc N T Kandu W Stichler and P Vre a Spatial and seasonal variati
101. e 23 mm di pioggia cumulata in quanto il deflusso sembra aumentare significativamente quando la cumulata supera i 23 mm soglia confermata anche dai 58 eventi del biennio 2010 2011 vedi Fig 73 Nel bacino del Rio Ponte appare evidente un effetto combinato tra cumulata di pioggia e umidit antecedente del suolo sul deflusso totale eventi modesti producono pochissimo deflusso durante condizioni secche e deflussi maggiori durante condizioni umide vedi riquadro in Fig 72 Un evidente incremento di deflusso si verifica quando aumenta sia la precipitazione sia l umidit antecedente del suolo La linea di tendenza ha una pendenza di 0 09 R 0 66 per le piogge inferiori a 23 mm in condizioni antecedenti secche lt 45 e una pendenza di 0 26 R 0 57 per piogge minori di 23 mm in condizioni antecedenti umide gt 45 95 Il coefficiente di deflusso per eventi piccoli in condizioni antecedenti secche 9 in buon accordo con l estensione dell area riparia 8 6 Ci suggerisce che il deflusso dall area riparia satura 0 quasi satura costituisce la principale fonte di deflusso durante eventi ridotti in condizioni antecedenti secche ma che i versanti contribuiscono al deflusso durante eventi modesti in condizioni antecedenti umide Non si evince una chiara soglia nella relazione tra deflusso totale e precipitazione totale in condizioni antecedenti umide La pendenza della relazione lineare tra precipitazione totale e deflusso totale
102. e evento livello falda pre evento umidit antecedente a 30 cm in midslope e maggiori sono le variabili legate alla quantit di deflusso portata al picco coefficiente di deflusso deflusso diretto deflusso totale maggiore sar l ammontare di acqua nuova nel torrente Fig 119 e 120 Con il tracciante deuterio pi alte sono le intensit di precipitazione maggiore sar il contributo di acqua nuova nel torrente Fig 121 verosimilmente per il minor tasso di infiltrazione che produce deflusso superficiale diretto sia da aree riparie tendenzialmente sature sia almeno in condizioni prossime alla saturazione del suolo dai piedi del versante L estensione delle aree sature porter quindi all instaurarsi di vie preferenziali di deflusso rapido sottosuperficiale poco profondo deflusso ipodermico inoltre sul campo in condizioni molto umide sono stati osservati anche pipe flow alla base dei versanti della Emme che agevolerebbero tale dinamica Fig 9 nonch roccia madre relativamente superficiale Fig 8 E stata osservata anche una correlazione positiva tra acqua nuova calcolata con l ossigeno e l indice API relativo alle precipitazioni antecedenti Heggen 2001 ma da API 3 giorni in poi fino ad almeno 30 giorni esclusi quindi i due giorni immediatamente precedenti l evento di pioggia considerato Ci indica che l acqua nuova influenzata anche dalla pioggia gi immagazzinata nel suolo questo sarebbe coerente anche c
103. e fusa e della pioggia che sempre poco conduttiva per entrambi i tipi di eventi isotopicamente leggera durante eventi di fusione nivale e dipendente dalle condizioni ambientali durante le piogge Durante il ramo di recessione l acqua di torrente ritorna alle condizioni pre evento di conducibilit e isotopia riflettendo il maggior contributo di acqua vecchia In particolare osservazioni condotte durante tre eventi di fusione nivale avvenuti in tarda primavera in condizioni di bacino prossime alla saturazione hanno evidenziato come il picco di portata corrisponda al minor valore di conducibilit elettrica e al massimo impoverimento isotopico del torrente dovuto alla neve fusa isotopicamente leggera Questa concordanza temporale porta al riconoscimento di una relazione lineare tra portata e concentrazione dei due traccianti Al contrario durante gli eventi estivi di pioggia quando il suolo umido ma non saturo esiste un ritardo tra la portata e la concentrazione dei traccianti soprattutto per la conducibilit elettrica che porta ad una relazione isteretica La percentuale di deflusso nuovo calcolata tramite l isotopo dell ossigeno positivamente e significativamente correlata con le condizioni antecedenti caratterizzate tramite l indice Antecendent Precipitation Index API umidit antecedente a 30 cm misurata sul versante portata pre evento e livello falda pre evento e con gli indicatori della risposta idrologica coeff
104. e isotopi dell acqua che indicano potenziali differenze nel comportamento degli strumenti Per valutare la qualit delle misure degli spettroscopi laser rispetto allo spettrometro di massa la distribuzione degli scostamenti OA ICOS IRMS stata messa a confronto con i box plots mostrati in Fig 49 e 50 per l idrogeno e l ossigeno rispettivamente Per ciascuno dei quattro spettroscopi laser sono stati applicati tre schemi analitici e vari metodi di calcolo della media 56 misure spettroscopio laser 82H o misure spettroscopio laser 52H 0 Fig 100 200 300 4 400 100 4 200 4 300 4 400 47 R2 0 99990 n 49 400 300 200 100 0 misure spettrometro di massa 8 H 0 R2 0 99991 n 49 III 400 300 200 100 misure spettrometro di massa 52H 0 misure spettroscopio laser 3189 ho misure spettroscopio laser 5180 0 R2 0 99982 n 49 20 10 misure spettrometro di massa 8180 o R2 0 99929 n 49 II 10 20 misure spettrometro di massa 5180 o 100 200 300 4 400 misure spettroscopio laser 82H o R2 0 99996 n 49 II 400 300 200 100 0 misure spettrometro di massa 52H ho 100 200 300 4 400 4 misure spettroscopio laser 82H o R2 0 99988 n 49 IV 400 300 200 100 misure spettrom
105. e l umidit del suolo giunge al picco prima della portata Questa distinta variazione temporale porta ad un comportamento isteretico nella relazione tra umidit del suolo portata con un cambio di direzione in accordo alle condizioni di umidit prima dell evento di pioggia i valori di deflusso totale mostrano l effetto combinato di condizioni antecedenti di umidit e precipitazioni In condizioni secche piogge deboli generano bassi coefficienti di deflusso che potrebbero essere spiegati con il contributo delle aree riparie mentre durante condizioni umide le stesse modeste piogge producono pi deflusso suggerendo un significativo contributo dei versanti In merito alle dinamiche dell umidit del suolo lungo un versante si osserva che a parit di profondit i valori pi bassi e pi variabili di umidit si riscontrano sul versante rispetto all area riparia L incremento di umidit del suolo in occasione di piogge maggiore per condizioni antecedenti secche e a parit di condizioni antecedenti umide tale incremento maggiore con cumulate di pioggia superiori a una certa soglia Infine l incremento di umidit del suolo durante l evento di pioggia in genere aumenta passando dall area riparia a quella di versante Per quanto riguarda la risposta idrologica del bacino del Rio Ponte analizzata medianti traccianti conservativi e non conservativi si evince come l acqua vecchia rappresenti il principale contributo al d
106. e organo minerale tale strato si riduce notevolmente dove sono presenti fenomeni di ruscellamento particolarmente intensi Man mano che la potenza aumenta diminuisce la componente organica a favore di quella minerale Pendenze mu Metri 04080 160 240 320 400 x Figura 2 Distribuzione delle pendenze sul bacino del Rio Vauz Nella tabella seguente vengono riportate le principali caratteristiche morfologiche del bacino sperimentale del Rio Vauz Area 1 89 km Quota massima 3152 m s l m Quota media 2401 m s l m Quota minima 1835 m s l m Pendenza media 30 29 Tabella 1 Principali caratteristiche del sottobacino del Rio Vauz Tale sito caratterizzato da condizioni climatiche alpine con precipitazioni medie annuali di 1220 mm di cui 49 come neve e temperature medie mensili variabili da 5 7 C in gennaio a 14 1 C in luglio La fusione nivale rappresenta la pi importante fonte di deflusso nella tarda primavera mentre nella stagione estiva e ad inizio autunno le precipitazioni liquide contribuiscono in modo significativo al regime dei deflussi Fig 3 10 300 E 50 250 N 100 n 150 E E 150 200 5 gt 2 z 3 5 100 5 250 A 50 z 300 pe G F M A M GL A S O N OD m precipitazione m deflusso m evapotraspirazione potenz Figura 3 Distribuzione delle precipitazioni deflussi ed evapotraspirazione potenziale media mensile du
107. e risultati affidabili solo con lo schema B2 In generale non esiste uno schema assoluto per ottenere misure accurate e precise Comunque lo schema A1 che consiste nell approccio originale descritto dalla IAFA 2009 e che appare essere il pi rapido per la generazione dei dati quello che pi spesso fornisce i valori che non sono significativamente differenti da IRMS Per tale ragione lo schema A1 considerato il pi rappresentativo 60 t test per scostamenti 57H eO sign test per scostamenti 8 H e O SH 3 0 SH 5O LWIA schema t p value t p value mediana p value mediana p value Al 1 84 0 07 0 19 0 77 A2 1 85 0 07 0 33 0 77 B1 0 43 0 04 0 04 0 02 I B2 0 47 0 01 0 06 0 00 Cl 1 41 0 16 0 63 0 00 C2 4 99 0 00 1 11 0 27 C3 4 81 0 00 0 69 0 49 Al 0 49 0 63 0 44 0 00 A2 0 25 0 80 0 63 0 00 BI 0 71 0 00 0 03 0 08 II B2 0 77 0 00 0 03 0 39 Cl 6 00 0 00 0 57 0 57 E C2 6 23 0 00 0 16 0 87 z z C3 6 54 0 00 0 48 0 64 z Al 1 81 0 08 0 26 0 25 A2 2 37 0 02 0 94 0 35 BI 2 18 0 03 0 78 0 00 II B2 2 80 0 01 0 65 0 00 Cl 0 16 0 88 0 72 0 00 C2 0 89 0 00 0 03 0 77 C3 4 00 0 00 1 01 0 32 AI 0 29 0 25 0 10 0 00 A2 0 37 0 08 0 11 0 00 BI 0
108. e stesso 115 15 E _ E s E 8 35 3 ea E La g ge g ii i A E 5 E E 24 03 11 16 00 24 03 11 20 00 25 03 110 00 25 03 11 4 00 25 03 118 00 12 04 11 13 00 12 04 11 14 00 12 04 11 15 00 1204 11 16 00 12 04 11 17 00 Tempo Tempo Figura 97b Separazione degli idrogrammi di fusione nivale in acqua vecchia e in acqua nuova tramite i due isotopi di idrogeno sopra e ossigeno sotto usando come valore pre evento il torrente stesso 116 6 4 Analisi isotopica e di conducibilita elettrica degli eventi di pioggia Per le analisi integrate degli eventi meteorici tramite traccianti e dati idrometrici allo scopo di garantire l uniformit nei dati il livello medio della falda durante i 9 eventi di pioggia stato monitorato sempre dagli stessi sei piezometri installati sia in area riparia sia in area di versante di Piramide ed Emme Durante il ramo di concentrazione dell idrogramma di tutte le piene di pioggia considerate la composizione isotopica e la conducibilit elettrica del torrente riflette quella dell acqua di evento dipendente dalle condizioni ambientali per l acqua di pioggia ma sempre a bassa conducibilit elettrica Nel corso della recessione il torrente torna verso la composizione isotopica e di conducibilit elettrica precedente rivelando il maggiore contributo di acqua pre evento L influenza dell acqua nuova sul torrente molto marcata nell evento del 5 agosto 2010 Fig 98 in cui il
109. eflusso totale sia durante eventi di fusione nivale sia di pioggia Durante il ramo di ascesa dell idrogramma di tutti gli eventi l acqua del torrente riflette la composizione isotopica e la conducibilit elettrica dell acqua da neve fusa e della pioggia Durante il ramo di recessione l acqua di torrente ritorna alle condizioni pre evento di conducibilit e isotopia riflettendo il maggior contributo di acqua vecchia Durante tre eventi di fusione nivale avvenuti in tarda primavera quando l intero bacino estremamente umido il picco di portata corrisponde al minor valore di conducibilit elettrica e al massimo impoverimento isotopico del torrente dovuto alla neve fusa isotopicamente leggera Questa concordanza temporale porta ad una relazione lineare tra portata e concentrazione dei due traccianti 137 Al contrario durante gli eventi estivi di pioggia quando il suolo umido ma non completamente saturo esiste un ritardo tra la portata e la concentrazione dei traccianti soprattutto per la conducibilit elettrica che porta ad una relazione isteretica L acqua nuova calcolata tramite l isotopo dell ossigeno positivamente e significativamente correlata con le condizioni antecedenti e con gli indicatori della risposta idrologica L acqua nuova calcolata tramite l isotopo dell idrogeno positivamente e significativamente correlata con l intensit massima di precipitazione calcolata su diversi intervalli temporal
110. el Panola Georgia USA usando l analisi degli end member concludendo che la falda riparia rappresenta il maggior contributo al deflusso durante il ramo di ascesa dell idrogramma e per tutto il ramo di recessione Similarmente McGlynn e McDonnel 2003 e McGlynn 2005 hanno valutato i controlli principali della topografia sulla generazione del deflusso dimostrando con prove piezometriche e tensiometriche le risposte veloci delle aree riparie alle precipitazioni rispetto alle aree di versante In particolare hanno visto che l acqua riparia domina il deflusso totale durante deboli o moderati eventi di pioggia o all inizio di consistenti eventi meteorici Per intensi eventi precipitativi i versanti diventano i principali contribuenti una volta partito il deflusso da tali aree sebbene l acqua riparia fosse ancora importante durante il ramo ascendente dell idrogramma Seguendo questo ramo di ricerca il presente lavoro si focalizzer su 3 principali questioni in un bacino sperimentale di testata nelle Dolomiti italiane 1 c una soglia di umidit del suolo che controlla sia la risposta superficiale che sottosuperficiale e come la topografia del bacino influenza tale controllo 2 Quali sono 1 principali fattori che determinano i tempi di risposta del bacino durante i periodi secchi e umidi 3 Qual l effetto combinato delle condizioni antecedenti di umidit e della cumulata di pioggia sul deflusso 5 1 Monitoraggio di pre
111. ento appare maggiore con cumulate di pioggia per singolo evento superiori a 23 mm Tale soglia di cumulata stata identificata graficamente relazionando la cumulata di pioggia di ogni singolo evento con il rispettivo deflusso espresso in millimetri Fig 73 Inoltre l incremento di umidit durante l evento di pioggia in genere aumenta passando dall area riparia a quella di versante del sito Emme per via di un minor contenuto idrico del suolo man mano che ci si allontana dalle aree a minor pendenza prossime al Rio Ponte vedi anche Fig 74 e 75 dev st 1 58 0 13 0 40 ERE 2 88 1 27 0 80 media 0 65 0 15 dev st 0 65 0 11 0 37 2 18 0 61 0 63 0 34 1 41 1 06 1 09 0 35 media 2 58 0 31 dev st 1 08 0 03 media 1 14 0 41 fs 1 55 2 93 2 04 1 96 dev st 1 66 0 25 1 01 0 73 2 03 1 44 1 74 0 93 0 73 1 99 5 63 4 30 2 86 2 40 3 95 1 48 4 60 1 24 0 72 Tabella 22 Differenza tra picco di contenuto idrico del suolo x 100 e umidit antecedente per i 58 eventi considerati nelle estati 2010 e 2011 suddivisi per cumulata di pioggia e in umidi e secchi in base al valore soglia di AMC desunto dal grafico di Fig 67 5 12 Modello concettuale del comportamento idrologico nel bacino del Rio Ponte Nei bacini alpini con terreni complessi i processi idrologici risultano
112. eproducibility of off axis integrated cavity output spectroscopy OA ICOS derived 5 H and 8 O measurements on a set of 35 water samples by comparing the performance of four laser spectroscopes with the performance of a conventional mass spectrometer under typical laboratory conditions All samples were analysed using three different schemes of standard sample combinations and related data processing to assess the improvement of results compared with mass spectrometry The repeatability of the four OA ICOS instruments was further investigated by multiple analyses of a sample subset to evaluate the stability of 5 H and 5 O measurements Results demonstrated an overall agreement between OA ICOS based and mass spectrometry based measurements for the entire dataset However a certain degree of variability existed in precision and accuracy between the four instruments There was no evident bias or systematic deviations from the mass spectrometer values but random errors which were apparently not related to external factors significantly affected the final results Investigation revealed that analytical precision ranged from 0 56 o to 1 80 o for H and from 0 10 o to 0 27 o for 3 O measurements with a marked variability among the four instruments The overall capability of laser instruments to reproduce stable results with repeated measurements of the same sample was acceptable and there were general differences within the range of the analytical
113. ere una pi attendibile separazione dell idrogramma consigliabile raccogliere pi campioni di pioggia es ogni 5 mm e ricorrere alla media ponderata McDonnell et al 1990 OD Di Pi i 2 Pi 8 dove P e 6 sono rispettivamente le cumulate di pioggia e i valori isotopici raccolti n volte nel corso dell evento Questo metodo per implica una variazione casuale nel tempo nella concentrazione di tracciante attorno alla media pesata mentre nella realt la variazione temporale non sempre causale essendo governata dai fenomeni della condensazione di Rayleigh e dall effetto rainout McDonnell et al 1990 Un secondo approccio pi aderente alla realt consiste nella media incrementale della cumulata di pioggia si tratta di una rifinitura del metodo precedente e permette di calcolare la composizione isotopica della pioggia dall inizio dell evento fino al campionamento nel torrente o fino ad un certo momento prima del campionamento Si tratta quindi di adattare il contenuto isotopico della precipitazione basandosi sulla concentrazione e sul momento di prelievo di ciascun campione dal torrente Sar cos possibile considerare il fatto che la precipitazione incidente si mescola con quella caduta in precedenza portando ad una possibile variazione nell isotopia della pioggia stessa L ultimo campione di precipitazione sar utilizzato per la separazione dell idrogramma per il deflusso post precipitazio
114. errore meno pronunciato per le misure dell ossigeno L adozione di un differente schema analitico non sembra migliorare in maniera significativa le misure isotopiche mediante spettroscopia laser Per tutte le macchine e per entrambi gli isotopi dell acqua nessuno schema si rivelato il migliore o il peggiore in termini di accuratezza e di precisione che sono legate quindi pi allo spettroscopio che allo schema di analisi Tuttavia lo schema descritto dalla IAEA quello che pi si avvicina ai valori forniti dalla spettrometria di massa I risultati mostrano anche che la precisione 1 0 varia tra 0 56 o e 1 80 o per le misure 3 H e tra 0 10 o e 0 27 o per le misure 5 O nei vari strumenti Nel complesso questi valori sono confrontabili o migliori di quelli riportati dalla casa costruttrice e in precedenti lavori Uno dei quattro analizzatori genera risultati lievemente pi precisi per entrambi i rapporti isotopici ma un altro strumento carente in precisione non relazionabile ad alcun fattore evidente Le analisi condotte su un sottoinsieme di campioni rivelano un accettabile capacit degli strumenti laser a riprodurre risultati comparabili su campioni ripetuti La differenza tra le misure minime e massime in genere cade entro il range di deviazione standard della singola misura Mediando i valori delta di tre identici campioni si ha quasi sempre un maggior grado di accuratezza e si evitano potenziali scostamenti casuali Questo ap
115. esi sia nella risposta di versante che di bacino tra portata e livello di falda McGlynn et al 2004 Beven 2006 Ewen and Birkinshaw 2007 Norbiato and Borga 2008 Penna et al 2010 Pochi studi hanno invece identificato le due opposte direzioni di isteresi in base all area riparia prossima al torrente o a quella di versante e la differenza temporale nella risposta della falda Kendall et al 1999 Detty and McGuire 2008 Inoltre recentemente McGuire and McDonnell 2010 hanno mostrato che i pattern isteretici relativi alla portata cambiano direzione con il tempo per il contestuale incremento di umidit del suolo a 14 23 luglio 2005 14 13 agosto 2005 P 12 4 mm Aen P 11 8 mm 12 4 amp 12 4 A A 10 4 10 o a ET 8 85 009 f 38 40 42 44 46 48 38 4 4 44 46 48 25 agosto 2006 14 14 ottobre 2006 S P 98mm Z P 10 4 mm umidit suolo ramodiconcentrazione ramodirecessione 24 PA la 24 29 settembre 2005 P 12 0 mm 20 4 J e 20 4 P 90 OS 17 settembre 2005 ha a P 35 8mm a el e N T 2 46 47 48 49 46 47 48 49 6 a 24 24 4 A AN e N 20 4 20 i o 8 16 la 16 e 09 7 oe 7 2 gt 24 12 4 16 agosto 2006 16 settembre 2006 8 3 i P 17 4 mm 8 P 11 8 mm 46 47 48 49 46 47 48 49 umidit suolo ramo di concentrazione ramo di recessione Figura 69 Comportamento a soglia nella relazione tra umidi
116. etro di massa 82H ho Relazione lineare tra misure di idrogeno da spettroscopio laser e spettrometro di massa 0 R2 0 99974 amp n 49 o 10 4 7 20 2 Q 2 30 02 2 5 40 n 50 4 3 II E 60 i gt l 60 50 40 30 20 10 0 misure spettrometro di massa 5180 o misure spettroscopio laser 5180 0 R2 0 99979 n 49 IV 20 10 0 misure spettrometro di massa 5180 ho Fig 48 Relazione lineare tra misure di ossigeno da spettroscopio laser e spettrometro di massa 57 8 media media tdev st _ _ min max media _ media dev st min max 6 6 P n 4 amp T 2 a a 0 E 0 a Eo Ie s LE 2 X 2 S S a4 84 6 6 8 II BI B2 C1 c2 c3 schemi media _ mediatdev st min max 8 media _ mediatdev st J min max 6 oe a amp T T2 E FRET NE a E Gi e a Ln Cee frenano 5 O pee T Eil 5 3 Ro 2 gt gt be al 6 8 IV Al A2 B1 B2 C1 c2 c3 A1 A2 B1 B2 c1 c2 c3 schemi schemi Figura 49 Statistica descrittiva degli scostamenti spettroscopio laser spettrometro di massa per 5 H per i differenti schemi analitici e per i quattro analizzatori media __ mediatdev st min max media mediatdev st T min max deviazioni 5 0 o deviazioni 5 O o II AI A2 B1 B2 c1 C2 c3 A2 B1 B2 CI c2 c3 schemi s
117. eve a 3 cm dal suolo 121 6 0 42 15 6 0 10 carota di neve da 120 cm 116 7 0 82 15 8 0 14 neve fusa da lisimetro in nylon 97 7 1 13 13 6 0 10 Tabella 6 Variabilit verticale del manto nevoso sul bacino del Rio Ponte 24 marzo 2011 45 Figura 39 Profilo verticale del manto nevoso eseguito nel bacino del Rio Ponte il 24 marzo 2011 I contenuti isotopici dei vari strati di neve sono riportati in Tab 6 Nel bacino del Rio Ponte per eseguire la separazione degli idrogrammi da fusione l acqua di neve fusa stata prelevata mediante un paio di lisimetri da neve posti vicino al Rio Ponte sulla destra idrografica Si tratta di una vasca in acciaio inox il cui fondo dotato di un ugello al quale fissata una gomma lunga alcuni metri Fig 40 Mediante un semplice rubinetto posto alla fine del tubo stato possibile eseguire il prelievo di acqua anche pi volte al giorno quando la fusione era considerevole lasciando sostanzialmente indisturbato il manto nevoso sopra il lisimetro stesso posto poco pi a monte L acqua di fusione cos ottenuta rappresenta l acqua di evento di riferimento per la separazione dell idrogramma da fusione nivale L acqua pre evento rispetto all evento di fusione stata raccolta dallo stesso Rio Ponte in condizioni di non fusione quindi nel corso del mattino In corrispondenza dello stramazzo sul Rio Ponte ogni 1 2 ore si proceduto al contestuale prelievo dell acqua di torrente
118. hei F 12 5 E 91 4 fe e e 6 240 e 92 J 12 6 lo e _ 235 5 r 93 4 r Portata vs 52H 9 10 11 12 13 14 9 10 11 12 Portata vs 5 0 Portata l s Portata l s Figura 99 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e i tre traccianti per l evento di pioggia del 5 agosto 2010 118 400 450 T E 50 QO 3 Q T E Kc E 5 5 o gt E g 60 2 o 2 Portat Po a eee 650 Pioggia Falda 700 310 85 11 8 300 86 12 0 2 2 290 87 12 2 5 280 88 O ei gt 0 9 L 12 4 to 3 270 89 35 8 Conducibilit 12 6 2 9 60 e i 0 e o 250 91 12 8 12 08 10 19 00 13 08 10 0 00 13 08 10 5 00 13 08 10 10 00 Tempo Figura 100 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 12 13 agosto 2010 310 300 290 280 270 Conducibilit elettrica uS cm 260 250 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Portata l s Figura 101 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 12 13 agosto 2010 119 420 2 440 c 4 E E 460 9 3 E ua amp 6 480 Q 3 fe po A D 500 8 B 2 e o 2 e Portata 520 5 E35 Pioggia 10 Falda 540 12 560 310 86 5 11 4 Conducibilit _ stu 87 0 11 6 E 305 da 2 87 5 11 8 2 300
119. i basse e quelle pi alte equivalenti a 0 71 0 57 e 0 26 o rispettivamente Questi valori sono paragonabili o inferiori alla precisione strumentale mostrando cos una ripetibilit soddisfacente degli analizzatori laser Al contrario l analizzatore IV fornisce risultati pi instabili con una maggior differenza tra le misure 8 H pi basse e pi alte 1 63 o 66 82H to 52H o ripetizioni ripetizioni 52H Ho N 3 HH Hana Ha Hat e xh 4 _AH HA pb Li ly HOH 32H o c 17 3 ripetizioni e IRMS oll alll lV ripetizioni Figura 54 Grafici di ripetibilit delle misure 3 H schema A1 Il valore medio delle tre ripetizioni rappresentato dal simbolo nero Le linee orizzontali continue e tratteggiate rappresentano la misura H dello spettrometro di massa e la deviazione standard rispettivamente Campioni a 14 b 25 c 23 d 24 42 4 9 3 T b 0 9 da n tT T SE J 9 0 1 oss a m i O 0 ce o 87 o 8 4 8 1 a ripetizioni ripetizioni 2 8 2 5 22 amp Yo o 4 9 1 6 1 3 ripetizioni lt IRMS oll alll IV ripetizioni Figura 55 Grafici di ripetibilita delle misure 3 0 schema A1 Il valore medio delle tre ripetizioni rappresentato dal simbolo nero Le linee orizzontali continue e tratteggiate rappre
120. i Quindi durante condizioni antecedenti umide e durante eventi sia di pioggia che di fusione nivale con elevate produzioni di deflusso la frazione di acqua nuova nell idrogramma probabilmente riflette l espansione delle aree sature non solo aree riparie ma anche la parte inferiore dei versanti nonch l attivazione di vie preferenziali di deflusso sottosuperficiale grazie alla connessione tra aree riparie e di versante In ultima analisi ricorrendo a misure di parametri meteorologici idrometrici isotopici e di conducibilit elettrica sembra che soprattutto in condizioni umide in corso di evento avvenga la traslazione non solo dell acqua pre evento costituita molto probabilmente anche da acqua di suolo meno vecchia rispetto a quella della falda ma anche dell acqua di evento grazie all espansione delle aree sature al possibile innesco di deflusso preferenziale e di pipe flow e all instaurazione di deflussi ipodermici poco profondi 138 Bibliografia Aggarwal P K Ahmad T Groening M Gupta M Owano T Baer D 2006 Laser spectroscopic analysis of stable isotopes in natural waters a low cost robust technique for the use of environmental isotopes in hydrological and climate studies Eos Trans AGU 87 52 Fall Meeting Supplement Abstract H51D 504 Baer D S Paul J B Gupta M O Keefe A 2002 Sensitive absorption measurements in the near infrared region using off axis integrated cavity output spectros
121. ial scales in a small forested catchment Hitachi Ohta Japan Journal of Hydrology 168 227 250 Sidle R C Tsuboyama Y Noguchi S Hosoda I Fujieda M Shimizu T 2000 Stormflow generation in steep forested headwaters a linked hydrogeomorphic paradigm Hydrological Processes 14 369 385 Singleton G L Coplen T B Qi H Lorenz J M 2009 Laser based stable hydrogen and oxygen analyses how reliable can measurements results be EGU General assembly 2009 Geophysical Research Abstracts 11 EGU2009 3290 Sklash M G Farvolden R N 1979 The role of groundwater in storm runoff Journal of Hydrology 43 45 65 Sklash MG 1990 Environmental isotope studies of storm and snowmelt runoff generation In Process Studies in Hillslope Hydrology Anderson MG Burt TP eds Wiley Chichester 401 435 Spectrum Technologies Inc 2004 Field Scout TRD300 soil moisture meter User s manual Spectrum Technologies Inc Spence T G Harb C C Paldus B A Zare R N 2000 A laser locked cavity ring down spectrometer employing ananalog detection scheme Review of Scientific Instruments 2000 71 2 Stewart M K Morgenstern U McDonnell J J 2010 Truncation of stream residence time how the use of stable isotopes has skewed our concept of stream water age and origin Hydrological Processes 10 1002 hyp 7576 Stottlemyer R 2001 Processes regulating watershed chemical export during snowmelt Fraser Experimental Forest Colorado J
122. ibution of old water 1 e pre event water typically groundwater and new water i e event water rainfall or snowmelt was quantified using 3 H and 8 O as tracers and applying the well known model of two component hydrograph separation Old water is the dominant contributor to total runoff during both snowmelt and rainfall events During the hydrograph rising limb of all events the streamflow reflects the isotopic composition and the electrical conductivity of snow derived water and rainfall always lowly conductive for both types of events isotopically light during snowmelt events whereas dependent on the environmental conditions during rainfall events During the hydrograph recession limb the streamflow turns back to the pre event isotopic and electrical conductivity conditions reflecting the highest contribution of old water Particularly during the three snowmelt events occurred in late spring when the entire watershed was extremely wet the peak discharge corresponds to the lowest value of electrical conductivity and to the most depleted value of isotopic content due to the isotopically light melted snow sampled in the stream This temporal agreement leads to a linear relationship between the streamflow and the concentration of the two tracers Conversely during summer rainfall runoff events when the soil is wet but not completely saturated a temporal delays between the streamflow and the tracer concentration
123. iciente di deflusso deflusso diretto deflusso totale e picco di portata L acqua nuova calcolata tramite l isotopo dell idrogeno positivamente e significativamente correlata con l intensit massima di precipitazione calcolata su diversi intervalli temporali E possibile concludere che per eventi caratterizzati da condizioni antecedenti umide e da afflussi importanti sia di pioggia che di fusione nivale con elevate produzioni di deflusso la frazione di acqua nuova nell idrogramma probabilmente riflette l espansione delle aree sature non solo aree riparie ma anche la parte inferiore dei versanti nonch l attivazione di vie preferenziali di deflusso sottosuperficiale grazie alla connessione tra aree riparie e di versante Abstract This work investigates runoff generation processes in a small alpine catchment called Rio Vauz 1 9 km in the Dolomites central eastern Italian Alps using hydrological isotopic and electrical conductivity data collected during two years of observation The thesis is partitioned in three main sections regarding i consistency analysis of laser absorption spectroscopy measurements for deuterium 5 H and oxygen 18 5 O isotopic analysis ii role of soil moisture during runoff generation iii analysis of catchment response to rainfall and snowmelt events by means of isotopic electrical conductivity and hydrometric data The first part of the work is dedicated to analyse the r
124. idrologici generati in differenti condizioni del bacino sembra essere in disaccordo con l ipotesi che vede il bacino come un sistema dinamico semplice Kirchner 2009 101 Capitolo 6 Caratterizzazione della risposta idrologica del bacino Rio Ponte mediante traccianti isotopici e conducibilita elettrica I processi di generazione di deflusso in bacini alpini presentano ancora degli aspetti di difficile comprensione L elevata variabilit fisiografica tra bacini e l interazione dei fattori topografici climatologici geologici pedologici e vegetazionali rendono complessa la concettualizzazione e la modellizzazione del funzionamento idrologico del bacino Inoltre in ambienti a quote elevate ai fini di una migliore descrizione dei principali meccanismi di produzione di deflusso risulta essenziale l analisi della risposta del bacino sia ad eventi di precipitazione sia a episodi di fusione nivale In questo contesto l utilizzo integrato di traccianti isotopici e conducibilit elettrica si rivela di notevole interesse Da una parte infatti la caratteristica conservativa degli isotopi stabili dell acqua permette di definire l origine spaziale dei deflussi dall altra la dipendenza del contenuto ionico dall interazione delle acque col substrato litologico consente di analizzare le vie preferenziali di deflusso Kendall et al 2001 L associazione dell uso di traccianti con misure di precipitazione portata e umidit del suol
125. ier solo durante il mescolamento nel canale 3 acqua di falda e acqua di suolo sono isotopicamente equivalenti oppure il contributo dell acqua di suolo considerato insignificante 4 l immagazzinamento di acqua alla superficie del suolo trascurabile 40 Molti studi dimostrano che nella separazione dell idrogramma in due componenti l acqua vecchia quella pi significativa Fig 34 e 35 mentre l acqua nuova contribuisce al pi per il 20 al picco di piena es Hooper e Shoemaker 1986 Pearce et al 1986 Questo ribalta le precedenti ipotesi di Hewlett amp Hibbert 1967 secondo le quali il deflusso rapido di pioggia predomina l idrogramma di piena 150 150 Cy o DE 58 ball a 5 da g 83 8 a ao o o n 3 15 n 9 A S 8 e O Q m t N s8 So ar wo m g So 5 o o P ad 2 88 nue a oa 8 o 1 5 10 6 April 1984 May 1984 Fig 10 Hydrograph separation for the four events during the study period using dissolved silica tracer a February thaw site 1 b March thaw site 1 c Spring thaw site 1 d Spring storm site 0 Figura 34 Separazione dell idrogramma di pioggia in due componenti mediante traccianti si nota la netta prevalenza dell acqua pre evento indicata con la linea tratteggiata Hooper e Shoemaker 1986 8 S 8 g 8 8 o o N o oO S z 0 0 a 1 0 3 E precipitazione e acqua nuova 1025 1 0 4 e
126. igeno e del deuterio nel processo di condensazione delle precipitazioni nelle nubi ed quindi in funzione della temperatura di condensazione che corrisponde a quella dello strato di aria che si trova sotto e a diretto contatto con la nube stessa cio alle temperatura locale del luogo in cui avviene la precipitazione ad una temperatura pi bassa corrisponde un contenuto minore di isotopi pesanti e viceversa Dansgaard 1964 Il valore di 8 nella GMWL si riferisce ad una temperatura di 25 30 C Le acque prodotte da evaporazione con umidit minore del 100 sono caratterizzate da rapporti isotopici con pendenza minore di quella delle acque di precipitazione Ad esempio a 25 C e umidit 0 pendenza 3 9 e umidit 85 pendenza 6 8 e umidit 100 pendenza 8 evaporazione all equilibrio L intercetta della GMWL viene definita come eccesso di deuterio ED ed quindi dato dalla seguente formula ED 3 H 8 3 O ed il suo valore legato ai processi di frazionamento cinetico che avvengono durante l evaporazione Dansgaard 1964 ED dipende quindi dall umidit relativa media durante l evaporazione dall oceano L intercetta della GMWL non mai pari a 0 quindi la linea meteorica globale non intersechera mai 5 H 0 e 0 0 che la composizione dell acqua oceanica media SMOW Standard Mean Ocean Water Questo a causa dell arricchimento cinetico in deuterio durante l evaporazione dall oceano pari al
127. igura 75 Andamento nel tempo dell umidit del suolo a 5 cm e 30 cm di profondit suddivisa per siti di misura estate 2011 98 Dai grafici di Fig 76 e 77 si evince come per lo stesso sito di misura i valori piu variabili di umidita nel tempo tipicamente si riscontrano a 5 cm rispetto ai 30 cm per la maggior influenza delle precipitazioni 0 56 0 54 0 52 0 50 0 48 0 46 0 44 Pioggia mm 15 min 0 42 Umidita media del suolo sii Umidit media a 5 cm 0 38 pn Umidit media a 30 cm EE Pioggia 0 36 01 06 10 01 07 10 01 08 10 01 09 10 01 10 10 01 11 10 Tempo Figura 76 Andamento nel tempo dell umidit del suolo a 5 cm e 30 cm di profondit mediata nei 3 siti di misura estate 2010 0 54 0 52 0 50 0 48 0 46 Pioggia mm 15 min 0 44 Umidit media del suolo 0 42 4 Umidit media a 5 cm Umidit media a 30 cm ME Pioggia 0 40 01 05 11 01 06 11 01 07 11 01 08 11 01 09 11 01 10 11 01 11 11 Tempo Figura 77 Andamento nel tempo dell umidit del suolo a 5 cm e 30 cm di profondit mediata nei 3 siti di misura estate 2011 99 La Tab 22 evidenzia come l incremento di umidit del suolo mediata con le profondit di 5 cm e 30 cm per ciascun sito di misura sul versante Emme in occasione di piogge sia maggiore per condizioni antecedenti secche contenuto idrico del suolo inferiore al 49 5 e a parit di condizioni antecedenti umide gt 49 5 tale increm
128. il 14 15 maggio 2011 sono pressoch identici Fig 111 mentre se fosse intervenuta la falda la conducibilit nella fase di recessione dell idrogramma sarebbe stata pi alta come in effetti avvenuto in tutti gli altri eventi di pioggia monitorati Infine nell evento dell 8 9 settembre 2010 alquanto modesto il picco del deuterio ritarda rispetto a quello della portata portando cos ad una classica relazione isteretica antioraria tra portata e traccianti Fig 107 e 108 117 gpro E T o g LL 4 E 800 9 oO oO BS 5 E Ro e Portata O 900 E Em Pioggia Falda 1000 SI 12 0 60 4 12 1 10 7548 D o t 122 o S 2255 88 D D oO fo So 8 12 42 9078 ao o a 2 E o 123 o o S0 rd E Z105 1s n B P 105 9 90 El 124 E oo i 2 5 a lo 9 245 cd 120 48 12 5 o 16 4 O 240 aA 135 Conducibilit e 5 HRio Ponte 18 J 235 8180 Rio Ponte e 05 08 10 5 00 A 8 HPioggia A 05 08 10 13 00 05 08 10 21 00 06 08 10 5 00 Tempo 5180 Pioggia Figura 98 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante evento di pioggia del 5 agosto 2010 3180 0 270 85 r 12 0 dia rici e 265 86 5 pelli e Q 260 o A s H 12 2 oO e RT 255 e 2 12 3 2 89 e e 250 e om o L 12 4 3 e e 90 r S 25 4
129. imposta il valore zero nel software poi il sensore viene immerso fino al secondo segno in cima alla sonda inserendo il corrispondente valore di altezza Gli altri livelli che vengono interpolati automaticamente dal software sono stati controllati manualmente 2 4 Monitoraggio dell umidit del suolo 2 4 1 Riflettometro CS625 L umidit del suolo a 0 30 cm di profondit nel 2005 e 2006 stata continuamente monitorata con un riflettometro nel dominio nel tempo CS625 Campbell Scientific Regno Unito in 4 siti localizzati nella parte pi bassa del versante Emme Fig 5 La misura di contenuto idrico volumetrico tramite CS625 si basa sulla tecnica Riflettometria nel Dominio del Tempo TDR La Riflettometria nel Dominio del Tempo TDR la tecnica di riferimento per la misura del contenuto idrico volumetrico nei mezzi porosi che si basa sulla correlazione tra detto contenuto idrico e la permettivit elettrica relativa del mezzo indagato Davis e Chudobiak 1975 Topp et al 1980 Il metodo prevede la misura delle costanti di propagazione di onde o segnali elettromagnetici nel terreno Velocit di propagazione ed attenuazioni dipendono infatti dalle propriet fisiche del mezzo in particolare dal contenuto idrico e dalla conducibilit elettrica apparente All atto della misura viene generato mediante un tester un impulso elettrico che si propaga lungo una linea di trasmissione antenna a due o tre conduttori metallici inser
130. intensit e condizioni antecedenti di umidit Il valore medio 0 15 nettamente pi basso di quello trovato da Norbiato et al 2009 per due bacini pi grandi che comprendono quello del Rio Ponte Cordevole a La Vizza 7 3 km media 0 33 Cordevole a Saviner 109 km media 0 28 forse per via di un differente metodo di calcolo e di una differente modalita di selezione degli eventi 86 5 6 Relazione tra umidita del suolo e deflusso La relazione tra umidita antecedente del suolo a 0 30 cm definita come la media delle 4 misure prese prima dell inizio della pioggia e coefficienti di deflusso per i 40 eventi osservati durante il periodo di studio fortemente non lineare permettendo cos l individuazione di un valore soglia di umidit circa 45 sopra il quale si ha un improvviso incremento del deflusso Fig 64 Si tratta di un comportamento molto simile a quello riscontrato in altri bacini aventi caratteristiche diverse dal punto di vista topografico climatico e di uso del suolo colline dolci ed ondulate con clima temperato in Tarrawarra Australia Western and Grayson 1998 praterie montane a bassa quota con un clima mediterraneo semi umido in Colorso Italia centrale Brocca et al 2005 elevati rilievi e clima umido in Mont Saint Hilaire Canada James and Roulet 2007 e dolci terreni agroforestati con un clima sub umido a Fiumarella di Corleto Italia meridionale Onorati et al 2007 Anche per la relazione tr
131. io oppure quando i prodotti vengono fisicamente 29 separati dai reagenti come nel caso dell evaporazione Gli isotopi piu leggeri formano legami chimici che si rompono piu facilmente rispetto a quelli degli isotopi pesanti e reagiscono piu velocemente concentrandosi nei prodotti mentre gli isotopi pi pesanti si concentrano nei reagenti I frazionamenti in condizioni cinetiche sono generalmente pi marcati a parit di temperatura rispetto a quelli che avvengono in condizioni di equilibrio essi non dipendono in modo preponderante dalla temperatura ma da molti fattori Nel ciclo idrologico il principale processo che avviene in condizioni di non equilibrio l evaporazione in cui l acqua che evapora si arricchisce in isotopi pesanti il delta tende al positivo e la fase gassosa invece si impoverisce in isotopi pesanti assumendo un delta pi negativo effetto rainout Fig 25 L effetto rainout quindi un fenomeno di distillazione della componente isotopica pi pesante dell acqua dalla componente aeriforme che ne risulta cos impoverita Ci si verifica quando una stessa massa d aria di modeste dimensioni perdendo progressivamente consistenti quantit di vapore provoca una negativizzazione delle precipitazioni al progredire della condensazione Fig 25 Poich quindi in generale le masse di vapore e quelle nuvolose si formano nelle zone pi calde e si muovono progressivamente verso quelle pi fredde ne co
132. ioni analizzati La Fig 51 mostra gli scostamenti tra le misure OA ICOS e IRMS per l intero dataset 49 campioni con incluse 7 ripetizioni per 5 H pannello a e 8 O pannello b I risultati si dispongono sopra o sotto la linea zero la quale indica il perfetto allineamento tra i due sistemi di misura e mostrano 61 una struttura irregolare per ogni strumento e per tutti 1 contenuti isotopici La sola eccezione specialmente per l idrogeno una chiara sottostima delle misure ottenute con tutti i spettroscopi laser per i campioni molto leggeri pi negativi di 300 o 5 H Questo comportamento non pu essere attribuito all uso di standard di riferimento con una composizione isotopica relativamente differente Quindi questa sottostima legata ad una fonte sconosciuta di errore ed chiaramente evidenziata dalle letture 5 H che rivelano come tali strumenti possano essere caratterizzati da differenti gradi di accuratezza Poich nel dataset non sono stati inclusi campioni sopra 10 o 8 H e 0 71 o 5 O non possibile confermare o meno simili comportamenti anche per i campioni molto pesanti Analogamente non possono essere avanzate ipotesi circa il comportamento dello spettroscopio per campioni pi negativi di 450 o 8 H e 55 o 8 O Sulla base di queste osservazioni le analisi dei campioni con composizioni isotopiche estremamente positive o negative mediante spettroscopi laser LGR devono essere attentamente valutate pe
133. ioni ivi presenti evidenziano come il maggiore contributo al deflusso totale derivi da acqua pre evento Tab 24 e Fig 97 La frazione di acqua pre evento varia tra il 69 e il 90 con il deuterio e tra il 73 e il 91 con l ossigeno rispetto al deflusso totale per piene dovute a fusione nivale La maggior quantit di acqua vecchia per i due eventi del 2011 deriva dal fatto che sono stati campionati eventi di fusione di modesta entit Fig 82 a differenza di quelli pi intensi monitorati nel 2010 Fig 79 Idrogeno Ossigeno Data evento Acqua pre evento Acqua pre evento evento 1 28 04 2010 79 2 81 9 evento 2 29 04 2010 69 5 132 evento 9 24 03 2011 90 2 75 8 evento 10 12 04 2011 87 2 91 2 media 81 5 80 5 Tabella 24 Contributo di acqua pre evento espresso in sul deflusso totale per i 4 eventi di fusione nivale 45 45 40 40 35 35 30 l So 30 25 ca Z 25 g E a _ 35 20 A a ea E 15 15 10 10 5 5 p 7 2 2 T g E E 5 2 5 2 a Ea P e E Acqua di evento GE Acqua pre evento Campicnamenti Temperatura 0 0 28 04 10 10 00 28 04 10 14 00 28 04 10 18 00 28 04 10 22 00 29 04 10 9 00 29 04 10 12 00 29 04 10 15 00 29 04 10 18 00 Tempo Tempo Figura 97a Separazione degli idrogrammi di fusione nivale in acqua vecchia e in acqua nuova tramite i due isotopi di idrogeno sopra e ossigeno sotto usando come valore pre evento il torrent
134. ispettivamente il rapporto H H per il campione d acqua e lo standard 2 N ik E Roa SH Yq 1000 std 2 3 2 Il frazionamento isotopico all equilibrio Il frazionamento consiste nella separazione degli isotopi leggeri da quelli pesanti nello stesso elemento a causa di processi fisici chimici o biologici In riferimento agli isotopi stabili di H e O in conseguenza della differenza di massa le molecole di acqua che contengono O evaporeranno pi facilmente di quelle con O poich hanno differenti tensioni di vapore Il frazionamento isotopico sar tanto pi marcato quanto maggiore sar la differenza di massa relativa tra i due isotopi Nel caso dell acqua evidente che i frazionamenti maggiori si avranno per l idrogeno visto che i due isotopi hanno una differenza di massa pari al 50 mentre minore sar per l ossigeno Si parla di frazionamento all equilibrio quando le velocit di reazione di un particolare isotopo sono uguali per cui all interfaccia aria acqua i flussi ascensionali dalla superficie dell acqua e quelli dell umidit dell aria sono equivalenti cosicch le loro composizioni isotopiche raggiungono l equilibrio Questo non significa che la composizione isotopica nelle due fasi sia uguale ma implica che i rapporti dei differenti isotopi in ciascuna fase si mantengano costanti ad una data temperatura Il frazionamento isotopico all equilibrio tra due fasi per esempio acqua liquida e
135. it del suolo e livello di falda per a un evento in condizioni antecedenti secche 14 ottobre 2006 10 4 mm di precipitazione cumulata e b un evento in condizioni antecedenti umide 29 settembre 2005 12 0 mm di precipitazione cumulata Notare la differenza di scala negli assi Le linee verticali tratteggiate rappresentano l inizio dell evento di pioggia quelle verticali continue il momento di picco della risposta Queste osservazioni sono in accordo con precedenti studi relativi al differente contributo al deflusso tra area riparia e di versante in periodi secchi la portata aumenta soprattutto per la pioggia intercettata direttamente dal corso d acqua e per il deflusso ripario causando l anticipo del picco di portata rispetto al picco di umidit Con l incremento dell umidit del suolo si attiver il deflusso da versante che diverr la principale fonte di deflusso il picco di umidit si verifica quindi prima del picco di portata Le differenti risposte nel tempo di portata e umidit del suolo generano cos una relazione isteretica tra umidit del suolo e portata 92 In particolare durante eventi in condizioni secche la portata risponde e giunge al picco prima dell umidita del suolo conducendo ad una relazione isteretica oraria Fig 69 pannello a In condizioni umide i ruoli si invertono portando ad una relazione isteretica antioraria Fig 69 pannello b Nella letteratura recente sono state individuate varie ister
136. iti nel terreno che fungono da elettrodi mentre il terreno stesso agisce da dielettrico I conduttori rappresentano guide per le onde elettromagnetiche ed il segnale si propaga nel mezzo come onda piana all estremit della linea di trasmissione il segnale viene riflesso e rinviato al ricevitore TDR Il tempo che intercorre tra emissione dell impulso e la ricezione del segnale riflesso proporzionale alla costante dielettrica del suolo e pertanto al contenuto idrico volumetrico del suolo L assunzione principale sulla quale si basa questa tecnica quella che le perdite dielettriche del sistema siano trascurabili quindi che solo la componente reale determini il valore misurato dal TDR Questa condizione non per valida per suoli dove le superfici sono altamente conduttive suoli argillosi o dove sono presenti alte concentrazioni di elettroliti nella soluzione del suolo suoli salini perch in queste circostanze il contributo della componente immaginaria diventa importante 18 Lo strumento costituito da un data logger munito di batteria alloggiato in un contenitore impermeabile da un pannello solare che ne assicura l alimentazione da quattro sonde da inserire nel suolo con elettrodi in acciaio inossidabile lunghi 30 cm e da una sonda di temperatura Fig 16 e Fig 17 L importanza di quest ultima legata al fatto che l umidit del terreno dipende anche dalla temperatura dello stesso perci l acquisizione di questo
137. iversi dall attuale alterazioni a livello del suolo oppure durante la percolazione per il raggiungimento della falda come lo scambio isotopico con CO o ad alta temperatura con rocce che sono sempre ricche in ossigeno Tuttavia il fenomeno pi frequente che influisce sulla pendenza della retta quello dell evaporazione o della mescolanza con acque superficiali che hanno a loro volta subito evaporazione in condizioni di umidit minori da quelle in cui avvengono le precipitazioni per via di un ruscellamento ad evento meteorico ormai concluso Se le acque di deflusso sottosuperficiale e di falda invece sono pi negative rispetto a quelle delle precipitazioni alimentanti possibile che si sia verificata una mescolanza dell acqua di pioggia con quella da fusione nivale Il processo di mescolamento tra acque isotopicamente diverse lineare se per es disponiamo di due campioni 5 H campione 1 80 o 5 H campione 2 60 o 50 del campione 1 50 campione 2 8 H 70 o 35 3 5 La linea meteorica locale LMWL Molto spesso le situazioni locali deviano dall andamento generale delle precipitazioni mondiali a causa di particolarita geografiche o climatiche Ad esempio nell area del Mediterraneo la GMWL generalmente non applicabile e le precipitazioni si dispongono su una retta con pendenza ed intercetta diverse che prende il nome di Local Meteoric Water Line LMWL retta locale delle acque meteoriche o nello specifico
138. ivi forniti dal laboratorio di geochimica isotopica del Dipartimento di Geoscienze Universit di Trieste Tutti gli standard sono stati calibrati relativamente ai rapporti della Vienna Standard Mean Ocean Water V SMOW Le analisi richiedono tre standard di riferimento che dovrebbero delimitare la presunta composizione isotopica dei campioni sconosciuti per poterne determinare i rispettivi valori isotopici Per cui i campioni vengono raggruppati secondo una stima del rapporto isotopico e misurati mediante tre appropriati standard Tab 7 La preparazione dei campioni il riempimento delle fialette con pipette usa e getta e le operazioni di etichettatura sono state condotte nel laboratorio di Padova per assicurare coerenza ed omogeneit durante l intero test di confronto 52 deviazione deviazione standard ib a SH 3 0 f origine he standard ho sandari usati per 5H 0 O 0 l analisi 1 Acqua di rubinetto Venezia IT 59 71 0 32 8 87 0 01 LGR2 3 4 2 Fiume Du a Padana 60 79 0 38 9 03 0 02 LGR2 3 4 3 Acqua di pozzo Pianura 44 07 0 37 701 0 02 LGR3 4 5 Padana IT 4 Torrente alpino IT 85 11 0 30 12 10 0 01 LGR2 3 4 5 Torrente alpino IT 79 73 0 45 11 22 0 01 LGR2 3 4 6 Torrente alpino IT 80 28 0 18 11 43 0 02 LGR2 3 4 7 Fontana alpina IT 85 16 0 29 11 88 0 01
139. izzate dai valori pi bassi di EM Questo potrebbe essere dovuto alla pi agevole eliminazione dal sistema delle molecole d acqua del campione precedente per tempi relativamente lunghi di analisi e al contrario alla persistenza delle molecole d acqua nel sistema per tempi di analisi ridotti In tutti i casi l influenza di EM tende a divenire trascurabile vicina allo 0 dopo le prime 8 o 10 iniezioni per le misure 3 H e dopo 4 6 iniezioni per le misure 3 O meno soggette all effetto memoria ma pi variabili nel tempo 74 14 145 LGR 1 std 1 3 gruppo LGR 1 std 1 3 gruppo s 12 4 E std 1 3 gruppo Il si 12 SI std 1 3 gruppo Il gt A std 1 3 guppo III w10 std 1 3 g w 10 a std 1 3 guppo III 5 A campione 10 std 1 E re campione 10 std 1 Vv g 6l 2 g g T4 5 2 4 0 12345 6 7 8 9 10111213 141516 17 18 123 4 5 6 7 8 9 1011121314 1516 17 18 iniezioni iniezioni 14 145 LGR 2 std 1 3 gruppo LGR 2 std 1 3 gruppo 7 E std 1 3 gruppo Il 12 4 std 1 3 gruppo Il x x ps 10 dx std 1 3 guppo III 10 amp std 1 3 guppo III S a campione 10 std 1 campione 10 std 1 v v E E go g 3 T4 2 4 0 123 45 6 7 8 9 10111213 1415161718 123 45 6 7 8 9 10111213 1415 161718 iniezioni iniezioni e std 1 3 14 PIC 1 st gruppo PIC 1 std 1 3 gruppo
140. la GMWL Fig 32 e dalla retta delle piogge stesse campionate sul medesimo bacino ci suggerisce il predominante ruolo dell acqua di falda e di pre evento nei confronti del deflusso che rimasta molto pi tempo nel bacino rispetto all acqua entrante delle precipitazioni Ragionamenti analoghi possono essere condotti anche per l acqua della Sorgente Fig 33 anche se con minori valori di pendenza verosimilmente per un rimescolamento con acque preesistenti pi vecchie a maggiori profondit 38 In teoria le acque di falda e delle sorgenti sotterranee dovrebbero avere la stessa composizione isotopica della pioggia fungendo questa da ricarica del bacino ma esistono vari processi secondari dopo la caduta della pioggia che possono ridurre la pendenza della retta O H dell acqua sottosuperficiale rispetto alla GMWL in particolare l evaporazione della pioggia al suolo prima della sua infiltrazione Questo spiegherebbe perch non stato possibile ricorrere all isotopia dei piezometri o della Sorgente in pre evento per la separazione degli idrogrammi in acqua vecchia e acqua nuova Ma pu essere una conferma che la Sorgente in effetti costituita da acqua di falda probabilmente non profonda che a sua volta abbassa la pendenza O H dei campioni estivi del Rio Ponte mediante traslazione dell acqua vecchia nel torrente ad opera delle piogge Fig 32 8180 ko 16 15 14 13 12 11 10 9 75 y 8 13x 10 8 80 85 90 a
141. le acque maggiormente affette dalla maggiore differenza isotopica tra fialette adiacenti Gli stessi grafici non riportati in questo lavoro sono stati costruiti per altri campioni con differenze isotopiche molto pi ridotte rispetto alla precedente fialetta in tali casi non sono stati osservati apprezzabili scostamenti Quindi possibile relazionare tale stabilizzazione mostrata in Fig 56 e 57 alla tendenza di ciascun spettroscopio laser a diluire l influenza del contenuto isotopico del precedente campione durante l analisi Questo effetto visibile per tutti gli spettroscopi e per entrambi gli isotopi nonostante la maggior variabilit del 3 O rispetto al 5 H 72 200 210 220 230 240 250 260 300 310 320 330 390 400 410 420 430 123 4 5 6 7 8 9 1011121314 15 16 17 18 iniezioni e standard 1 standard 2 standard 3 standard 1 standard 2 standard 3 123 4 5 6 7 8 9 10111213 14151617 18 iniezioni Figura 56 Stabilizzazione delle misure dello spettrometro LGR di Delft per i tre set di standard analizzati 200 210 220 230 240 250 260 300 310 320 330 390 400 410 420 430 12346567 mr r __r_ rr_rr 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 iniezioni 123 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 iniezioni standard 1
142. llano il comportamento idrologico I tempi di risposta sono stati calcolati seguendo la metodologia di Blume et al 2009 Per tutti gli eventi sono stati quindi calcolati i ritardi tra l inizio della pioggia e l incremento e il picco di umidit del suolo portata e livello di falda Per ridurre l effetto della durata della pioggia pi lungo l evento di pioggia pi lungo il tempo di risposta soprattutto in relazione al picco tutti i ritardi sono stati normalizzati dividendoli per il tempo tra l inizio della pioggia e il picco di falda tipicamente il pi ritardato Per determinare l influenza delle condizioni antecedenti di umidit sul tempo di risposta tutti gli eventi del 2005 2006 sono stati classificati in condizioni antecedenti secche e umide in accordo al valore soglia di umidit del 45 ed stata calcolata la media e la mediana normalizzata dei tempi di ritardo per entrambe le condizioni Tab 21 Nel complesso le elevate variazioni standard dei tempi di ritardo indicano una forte variabilit degli stessi per i vari eventi ma sono anche emersi comportamenti distinti Durante condizioni umide in media l umidit del suolo e la portata iniziano a salire pi o meno nello stesso momento ma l umidit del suolo raggiunge il picco prima della portata Invece in condizioni secche la portata inizia a salire e raggiunge il picco prima dell umidit del suolo Tab 21
143. lmeno 6 ore di assenza di precipitazioni tra due impulsi consecutivi Piopgia Durata Deflusso totale FISCO Coen Data totale ore Guim portata deflusso mm A s 12 giugno 2005 10 4 3 0 0 3 8 1 0 03 14 giugno 2005 9 0 16 5 1 6 9 4 0 18 24 giugno 2005 23 2 1 7 0 6 14 7 0 03 25 giugno 2005 6 8 0 5 0 1 8 7 0 02 29 giugno 2005 20 4 8 2 1 0 13 4 0 05 30 giugno 2005 38 4 19 7 14 7 48 8 0 38 05 luglio 2005 32 0 12 5 9 3 39 3 0 29 07 luglio 2005 27 4 32 7 13 8 37 4 0 50 18 luglio 2005 11 0 1 2 0 2 14 1 0 02 23 luglio 2005 12 4 Del 0 3 13 5 0 03 13 agosto 2005 11 8 6 0 0 3 11 2 0 03 14 agosto 2005 13 8 3 0 0 5 14 5 0 04 18 agosto 2005 14 6 2 7 0 8 16 6 0 06 20 agosto 2005 58 8 67 5 19 3 26 2 0 33 03 settembre 2005 28 0 7 5 1 4 21 9 0 05 09 settembre 2005 15 2 4 7 1 9 21 2 0 13 17 settembre 2005 35 8 67 5 11 0 24 5 0 31 29 settembre 2005 12 0 8 7 1 4 15 8 0 11 01 ottobre 2005 134 2 126 2 92 5 78 9 0 69 29 giugno 2006 22 4 11 3 1 7 21 3 0 08 02 luglio 2006 8 0 2 0 0 2 9 7 0 02 05 luglio 2006 17 4 5 3 0 9 19 3 0 05 06 luglio 2006 14 2 12 5 3 1 21 3 0 22 09 luglio 2006 14 8 8 5 24 23 3 0 16 27 luglio 2006 13 2 2 8 0 3 13 8 0 03 31 luglio 2006 11 6 1 3 0 5 15 9 0 05 01 agosto 2006 17 0 8 3 1 6 16 3 0 09 02 agosto 2006 52 0 40 3 21 7 60 9 0 42 09 agosto 2006 15 2 6 3 0 5 14 6 0 03 10 agosto 2006 10 8 4 8 1 2 15 9 0 11 11 agost
144. lo met versante rosso parte alta versante 21 2 4 3 Sonda ThetaProbe Il contenuto d acqua del suolo a 0 6 cm di profondit stato misurato manualmente tramite un sensore ad impedenza In Fig 20 riportato lo strumento in questione prodotto dalla ditta inglese Delta T Devices Ltd con sede a Cambridge Regno Unito E costituito da una sonda ThetaProbe ML2X e da un data logger HH2 provvisto di display che consente di visualizzare in tempo reale il valore misurato dallo strumento La sonda costituita da una cassa cilindrica impermeabile contenente i circuiti elettronici all estremit della quale sono avvitati quattro elettrodi appuntiti in acciaio inossidabile lunghi 6 cm All altra estremit collegato un cavo seriale flessibile che serve per la connessione al data logger x ba N Figura 20 La sonda ThetaProbe Lo strumento Miller J D Gaskin G J 1999 Delta T Devices Ltd 2004 emette un segnale elettrico ad alta frequenza 100 MHz lungo una linea di trasmissione formata dagli elettrodi metallici le cui caratteristiche elettriche dipendono dal contenuto idrico del terreno in cui la linea stessa immersa misurando poi indirettamente l impedenza resistenza in corrente alternata che dipende dalla costante dielettrica e del mezzo in cui immerso La costante dielettrica dell acqua 81 molto pi alta di quella del suolo che generalmente varia tra 3 e 5 quindi la variazione di impe
145. lore di coefficiente di deflusso corrispondente al rapporto tra l area riparia e l area totale del bacino 87 80 200 I E 60 E 400 i 2 2 I S 40 600 se i S Qa E I 20 2 800 D I 2 a E b 0 7 7 4 1000 r HDD T 30 35 40 45 50 30 35 40 45 50 umidit suolo 0 30 cm umidit suolo 0 30 cm Figura 65 Comportamento a soglia nella relazione tra umidit media del suolo e portata a e tra umidit media del suolo e livello medio di falda b _ 700 _ 700 700 E A Piramide amp E A Piramide Sao A Piramide Emme E Emme E Emme oO D J 2 800 agit 2 800 5 i 2 800 p z oA ag z re ao res So 3 e g ao 90 E mB o 90 sl 2 2 o o AO o 2 a 40000A 2 amp 2 b Kereste o 2 ato S 1000 r r 1000 1000 L r o 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 o 10 20 30 40 50 umidit suolo 0 6 cm umidit suolo 0 12 cm umidit suolo 0 20 cm Figura 66 Comportamento a soglia nella relazione tra umidit media del suolo a 0 6 cm a 0 12 cm b 0 20 cm e il livello medio di falda 5 7 Umidit del suolo e contributo dell area riparia al deflusso L ampia variazione di quota e la netta distinzione tra le due fondamentali unit di bacino nel sito di studio sembrano assumere un importante ruolo nella generazione del deflusso Discretizzando il bacino in uni
146. me temperatura di riferimento sono selezionabili 68 F 0 77 F 20 C 0 25 C Figura 24 Display del conduttivimetro con i valori di conducibilit in pS cm La sonda del WTW Cond 330i contenente elettrodi in grafite ha un alto grado di precisione e linearit grazie all ottimizzazione della sua forma geometrica La sua struttura robusta e resistente agli urti Consente un ampio intervallo di misurazioni anche con minime profondit di immersione e non d errori nel caso in cui gli elettrodi si sporchino perch la resistenza di contatto sulla loro superficie viene automaticamente compensata L unica manutenzione richiesta dallo strumento la sostituzione delle batterie quando la spia di controllo sul display indica che non sono pi utilizzabili 26 Capitolo 3 I traccianti isotopici ambientali Gli isotopi dal greco iso topos eguale posto nella tavola periodica sono atomi dello stesso elemento chimico che possiedono lo stesso numero di protoni ed elettroni ma un diverso numero di neutroni con conseguente differenza nelle masse atomiche Hanno quindi lo stesso numero atomico numero di protoni contenuti in un nucleo atomico ma differente numero di massa numero di protoni neutroni Due isotopi avranno quindi lo stesso comportamento chimico con delle minime differenze nei tempi di reazione e nell energia di legame ma avranno comportamenti fisici differenti essendo uno pi pesante dell altro quali ad esempio la tem
147. mediana assunta pari a zero il sign test a un campione considera che la probabilit di trovare osservazioni sopra la mediana assunta dovrebbe essere uguale alla probabilit di trovare osservazioni sotto la medesima mediana Quindi il t test a un campione contempla la formulazione delle seguenti ipotesi nulla e alternativa H H Ly A LF My dove u la media delle serie di scostamenti laser IRMS e 44 la media ipotizzata intesa uguale a Zero Per il sign test a un campione si hanno le seguenti ipotesi nulla ed alternative A H n dove 7 la mediana delle serie di scostamenti OA ICOS IRMS e 77 la mediana ipotizzata intesa uguale a zero 4 5 Correlazioni e scostamenti OA ICOS IRMS I grafici a dispersione di 3 H e 8 permettono un primo confronto tra misure da spettroscopio laser e spettrometro di massa per ciascuno dei quattro analizzatori della Los Gatos Fig 47 e 48 Tali grafici mostrano un eccellente allineamento tra IRMS e OA ICOS per entrambi gli isotopi e per tutti gli analizzatori con un coefficiente di determinazione R compreso tra 0 99988 e 0 99996 per l idrogeno e tra 0 99929 e 0 99982 per l ossigeno n 49 Queste osservazioni confermano precedenti risultati IAEA 2009 Singleton et al 2009 Aggarwal et al 2006 ottenuti analizzando diversi campioni di acqua naturale Nonostante gli elevati coefficienti di determinazione si riscontrano leggere variazioni tra le quattro macchine e i du
148. metry Gli svantaggi di questa tecnica risiedono nel notevole impiego di tempo per la preparazione e l analisi vera e propria dei campioni in laboratorio oltre che negli alti costi della strumentazione e delle operazioni ad essa collegate Recentemente sono state sviluppate altre tecniche per l analisi isotopica decisamente meno impegnative dal punto di vista economico per la determinazione dei rapporti degli isotopi stabili nella fase liquida o gassosa Lo spettroscopio laser con tecnologia OA ICOS Off Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy si basa sulla legge di Lambert Beer Ricci et al 1994 che relaziona l assorbimento di un fascio laser attraversante un campione d acqua vaporizzato alla composizione isotopica del campione stesso Gli strumenti che si basano sulle tecnologia OA ICOS consentono l analisi contemporanea di H e 5 O per ciascuna iniezione di acqua riducendo i tempi e i costi operazionali per ogni campione analizzato Inoltre le misure simultanee degli isotopi di idrogeno e ossigeno permettono di escludere i potenziali errori relativi di due misure separate eseguite in tempi differenti Ulteriori vantaggi sono rappresentati dalla modesta quantit d acqua necessaria per l analisi 1 1 5 ml facilit nella preparazione del campione semplice manutenzione della strumentazione tempi brevi per l ottenimento dei dati e la possibilit di eseguire le misure sul campo Berman et al 2009 Studi recenti I
149. na singola fialetta Comunque mediando i valori ottenuti da tre campioni identici si ottiene quasi sempre un valore delta che non statisticamente differente da IRMS a 0 05 Per l idrogeno gli scostamenti dai valori dello spettrometro di massa sono significativi in tre dei 12 casi mentre la media dei tre campioni produce sempre risultati concordanti che non sono significativamente differenti dal valore di riferimento Per l ossigeno i valori deviano da IRMS in tre dei 12 casi mentre la media quasi sempre comporta tre volte su quattro risultati accurati in riferimento allo spettrometro di massa In accordo a questi risultati mediando le misure di tre campioni si pu ottenere un elevato grado di accuratezza con gli analizzatori LGR In questi casi l aumentata velocit di analisi dello spettroscopio IV nuova versione permette il raggiungimento di risultati pi corretti mediando i valori in minor tempo rispetto agli spettroscopi I II e III 68 t test per scostamenti 5 H e 3 0 sign test per scostamenti 5 H e 3 0 SH 50 SH 80 LWIA ripetizione n t p value t DAR mediana p value mediana p value 1 1 41 0 21 1 71 0 14 I 2 0 25 0 81 2 99 0 02 3 2 99 0 02 1 20 0 28 media 1 38 0 22 3 12 0 02 1 0 80 0 46 0 30 0 12 Il 2 1 10 0 31 0 96 0 37 3 3 91 0 01 1 33 0 23 media 2 22 0 07 0 42 0 69
150. ndono complessa la concettualizzazione e la modellizzazione del funzionamento idrologico del bacino Lo studio di vari eventi di pioggia deflusso avvenuti durante i periodi estivi nel bacino del Rio Ponte ha permesso di esaminare il ruolo svolto dall umidit del suolo superficiale sulla generazione del deflusso stata osservata una chiara risposta dell umidit del suolo e della portata a quasi tutti gli input di precipitazione mentre la falda media di versante meno reattiva soprattutto durante periodi secchi esiste una netta relazione a soglia tra umidit del suolo prima della pioggia e il deflusso Oltre il 45 di contenuto idrico del suolo si ha un brusco incremento dei coefficienti di deflusso portata e falda rivelando la forte influenza esercitata dalle condizioni iniziali di umidit sia nel deflusso superficiale che sottosuperficiale i bassi coefficienti di deflusso possono essere volumetricamente spiegati dal deflusso superficiale da saturazione nelle aree riparie mentre gli elevati coefficienti di deflusso osservati nei periodi umidi richiedono un aumento del contributo da versante che probabilmente diventa idrologicamente attivo una volta superata la soglia di umidit l analisi dei tempi di risposta mostra una reazione veloce della portata e dell umidit del suolo mentre la falda aumenta in ritardo In condizioni secche l umidit del suolo reagisce e giunge al picco dopo la portata mentre in condizioni umid
151. ne Questo secondo approccio stato utilizzato per l evento di pioggia del 5 agosto 2010 allo scopo di considerare la marcata variazione isotopica della precipitazione in corso di evento vedi Tab 3 In questo modo le precipitazioni che non sono ancora cadute sono escluse dalla stima del contenuto isotopico del corso d acqua a differenza della media ponderata standard Ovvero con questo secondo approccio le ultime piogge non andranno ad influenzare la separazione dell idrogramma all inizio dell evento si eviter cos la sottostima dell acqua di falda e dell acqua di suolo nel caso in cui la concentrazione isotopica della pioggia si dirigesse verso queste due componenti del sottosuolo La scelta del metodo di campionamento della precipitazione va compiuta essendo consapevoli per quanto possibile dei processi di generazione del deflusso nel bacino e dei conseguenti tempi di risposta all acqua di evento Per monitorare l andamento stagionale e per verificare la variabilit spaziale del contenuto isotopico delle precipitazioni nel bacino del Rio Ponte sono stati posizionati in diverse porzioni del bacino due recipienti con imbuto Fig 37 Dalla Tab 5 si nota come le piogge estive sono arricchite in isotopi pesanti inoltre la variabilit spaziale trascurabile considerate le ridotte dimensioni del bacino e per il fatto che la porzione del bacino in cui si genera gran parte del deflusso caratterizzata da una modesta varia
152. nfermando quindi la buona affidabilit degli strumenti OA ICOS Off Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy come risulta anche da precedenti studi Comunque le analisi statistiche degli scostamenti dalle misure da spettrometro di massa rivelano un certo grado di variabilit nell accuratezza tra 1 quattro strumenti e per i due rapporti isotopici Anche la precisione degli spettroscopi laser denota una certa variabilit Non stata individuata nessuna tendenza o scostamento sistematico e non possibile affermare quale sia la macchina peggiore o quella migliore Nonostante ci uno spettroscopio mostra uno scostamento marcatamente positivo rispetto allo spettrometro di massa di riferimento per le misure dell idrogeno mentre un altro analizzatore sottostima pesantemente le misure dell ossigeno Un terzo strumento pecca di precisione specialmente per l ossigeno rispetto agli altri strumenti Da notare l assenza di relazioni causali tra gli scostamenti OA ICOS IRMS e fattori esterni dovute essenzialmente alla variabilit intrinseca degli analizzatori Gli errori appaiono essere casualmente distribuiti per il medesimo strumento e tra le quattro macchine per cui la fonte di questa variabilit resta sconosciuta Si notato che un certo grado di errore legato al contenuto isotopico estremamente leggero dei campioni quando il valore 8 H pi negativo di 300 o che si traduce in una chiara sottostima di tutti gli strumenti Questo
153. noltre in corrispondenza dei due picchi della falda vi sono due incrementi della temperatura del Rio Ponte questo perch l acqua di falda era pi calda di quella del torrente di circa 1 5 C Fig 104 e 106 Infine poich la falda gi molto alta in pre evento era presente nel torrente grazie all avvenuta connessione idrologica superficiale sottosuperficiale aree sature molto estese anche ai piedi dei versanti i picchi negativi di conducibilit in corrispondenza dei massimi della falda sono attribuibili alla caduta della pioggia che molto rapidamente entrata nel torrente terminato l impulso di pioggia la conducibilit risalita per il ritorno della falda pi conduttiva 122 22 20 mc E da v 18 8 x amp E 2 o 14 e Portata DU Pioggia 12 270 11 2 Conducibilit me e 37H 84 11 4 E 265 e 3 3 11 6 85 Oo os 260 Bp 18 38 lt a 86 Ro Ba 255 De 12 0 To n E 87 3 12 2 S 250 S Se 12 4 245 89 12 6 08 09 10 15 00 08 09 10 20 00 09 09 10 1 00 09 09 10 6 00 09 09 10 11 00 Tempo Figura 107 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 8 9 settembre 2010 Conducibilit elettrica uS cm 275 83 e 270 84 to 265 85 4 e 260 86 to a 255 87 a e 250 88 1 9 245 89 r 7 i 13 14 15 46 17 18 19 20 21 13 14 15 16 17 18 19 20 21 P
154. nsegue che le precipitazioni meteoriche relative alle aree pi calde risulteranno pi ricche in isotopi pesanti mentre quelle che riguardano le zone pi fredde presenteranno una connotazione pi povera in isotopi pesanti Il frazionamento in funzione di molte variabili la principale delle quali l umidit relativa dello strato d aria a contatto con il liquido Il processo di arricchimento in isotopi pesanti si sviluppa seguendo con buona approssimazione una legge di distillazione di tipo Rayleigh purch si ammetta che l umidit relativa del sistema rimanga costante In questo caso l equazione che descrive il fenomeno del tipo R R f 4 dove Ro il rapporto isotopico all inizio del processo di evaporazione R il rapporto isotopico quando nel bacino rimasta una frazione f f la frazione di fase liquida rimasta nel bacino rispetto alla quantit presente all inizio del processo di evaporazione a il fattore di frazionamento in condizioni di equilibrio 30 gt gt Vapore Vapore Daw Pioggia 3 o Precipitazione lie Condensazione degli j 5 o isotopi pi pesanti t t Vy_yD_dDad 15 Yo ay 18 o Evaporazione degli Evapotraspirazione isotopi pi leggeri 7 ho it si Figura 25 Il processo di rainout nel ciclo idrologico valori espressi in O o Le acque meteoriche pioggia neve grandine che si sono verificate a temperature pi basse hanno subito un minor
155. o H 850 H 680 SH o SH fo amp H 30 I 0 56 0 10 0 34 0 05 0 07 0 01 1 70 0 23 0 32 0 06 0 72 0 14 I 0 82 0 15 0 63 0 12 0 17 0 01 3 76 0 78 0 47 0 09 0 99 0 17 II 1 80 0 27 1 04 0 21 0 57 0 06 4 99 1 10 1 00 0 14 2 20 0 31 IV 1 01 0 12 0 54 0 07 0 19 0 03 2 84 0 46 0 54 0 08 1 34 0 14 Tabella 10 Statistica descrittiva base delle deviazioni standard per le misure di 3 H e 3 0 64 4 10 Miglioramento della precisione e dell accuratezza Le analisi non suggeriscono alcuna evidenza rispetto ai fattori che potrebbero spiegare il comportamento variabile dei quattro analizzatori laser Quindi tali differenze sembrano dovute al rumore bianco che pu essere difficile da eliminare o attenuare Durante la fase di processamento non sono stati ritoccati i dati per cui sono riportati tutti i dati grezzi forniti dai quattro strumenti per offrire un confronto il pi attendibile possibile della qualit delle misure fornite dallo spettroscopio Tuttavia i risultati di ciascuna analisi devono essere attentamente valutati per individuare iniezioni inaffidabili es picchi o forti abbassamenti nell ammontare d acqua prelevato dalla siringa Durante l analisi si dovrebbe mantenere un numero di molecole d acqua compreso tra 2 4 x 10 per cm Se il numero di molecole introdotte nella cell
156. o iniziato dei due traccianti Tuttavia la portata risponde sempre molto velocemente all apporto meteorico Se ne deduce che l acqua in entrata nel torrente costituita per lo pi da acqua vecchia Neal et al 1990 Sklash 1990 Buttle 1994 ipotesi confermata anche dalla separazione dei vari idrogrammi A tal proposito Kirchner 2003 ha evidenziato un doppio paradosso che si compone dei seguenti due punti 1 in quale modo il bacino rilascia l acqua vecchia in breve tempo minuti al pi ore durante l evento dopo averla immagazzinata per settimane o mesi 2 perch l acqua vecchia ha caratteristiche geochimiche diverse dal deflusso di base pre evento Per il primo paradosso alcune possibili spiegazioni in merito possono essere fornite da altri autori il segnale di output del tracciante nel torrente sar smorzato decremento nella deviazione standard e nell ampiezza di variazione e ritardato rispetto al segnale di input di precipitazione perch le fluttuazioni nel carico idraulico possono propagarsi molto pi rapidamente nel bacino rispetto al trasporto del tracciante conservativo o delle singole molecole di acqua Horton e Hawkins 1965 Torres 2002 grazie anche all attivazione di veloci flussi ipodermici Per il secondo paradosso sembra che non tutta l acqua vecchia in entrata nel torrente sia la stessa l evento di pioggia potrebbe attivare in differenti proporzioni e verosimilmente anche mediante deflu
157. o 2006 24 8 30 8 7 9 25 2 0 32 14 agosto 2006 8 8 7 0 1 7 21 4 0 20 16 agosto 2006 17 4 17 5 3 7 23 7 0 21 17 agosto 2006 12 4 10 0 1 1 21 5 0 09 25 agosto 2006 9 8 4 3 0 3 14 8 0 03 26 agosto 2006 26 6 5 3 4 9 39 0 0 18 07 settembre 2006 21 8 7 5 0 8 18 7 0 04 15 settembre 2006 56 6 15 3 8 4 53 4 0 15 16 settembre 2006 11 8 8 8 1 4 20 8 0 12 14 ottobre 2006 10 4 3 0 0 3 11 6 0 02 Tabella 19 Propriet degli eventi di pioggia deflusso selezionati nel biennio 2005 2006 Il coefficiente di deflusso ha una media di 0 15 un coefficiente di variazione di 1 05 e un indice di asimmetria di 1 71 84 Per ogni evento l idrogramma stato separato in deflusso di base e deflusso diretto usando il metodo della costante k proposto da Blume et al 2007 con la sola differenza che il cambio di pendenza nella recessione che indica il termine del deflusso diretto stato determinato visivamente e non analiticamente Il deflusso di base stato sottratto da quello totale per calcolare i coefficienti di deflusso per ciascun evento definiti come il rapporto tra il deflusso di evento in mm e la pioggia totale in mm Gli eventi presi in esame sono generalmente caratterizzati da piogge relativamente brevi ed intense di tipo convettivo ma stato monitorato anche un prolungato evento di pioggia tipicamente autunnale 1 4 ottobre 2005 Le cumulate per evento variano tra 6 8 e 134 2 mm in Tabella 19 sono riportate le principali
158. o consente cos di indagare pi in dettaglio le variazioni temporali e spaziali della circolazione delle acque le zone principalmente deputate all immagazzinamento o al rilascio di acqua e pi in generale di valutare la risposta idrologica del sistema Lee et al 2007 Tetzlaff amp Soulsby 2008 Quest ultima parte della tesi si focalizza su tre questioni fondamentali i Qual l origine spaziale delle acque costituenti l idrogramma di piena generato da eventi di fusione nivale e di pioggia 11 Qual il ruolo svolto dalle condizioni antecedenti di umidit del suolo e dalla topografia del bacino sulla generazione di deflusso iii Quali dinamiche temporali sussistono tra la risposta idrologica superficiale e sottosuperficiale del bacino Nel periodo Aprile 2010 Ottobre 2011 sono state campionate quattro piene derivate da fusione nivale e nove piene derivate da eventi di precipitazione liquida Tab 23 Questi eventi sono stati analizzati mediante dati idrometrici isotopici e di conducibilit allo scopo di comprendere le dinamiche spaziali e temporali dei vari tipi di acque interagenti nel bacino Numero Da Precipitazione Portata i Coefficiente di evento totale mm al picco ls deflusso 1 28 Aprile 2010 49 0 2 29 Aprile 2010 47 2 3 5 6 Agosto 2010 25 2 14 1 0 09 4 12 13 Agosto 2010 10 4 29 9 0 18 5 13 14 Agosto 2010 13 2 34 6 0 35 6 14 15 Agosto 2010 48 8 83
159. o espresso in sul deflusso totale per i 9 eventi di pioggia 128 Portata l s Portata l s Portata l s Portata l s Pioggia mm 30 min Portata l s Pioggia mm 30 min Portata l s 0 6 05 08 10 8 00 05 08 10 16 00 06 08 10 0 00 06 08 10 8 00 Pioggia mm 30 min Portata l s Pioggia mm 30 min Portata l s Acqua di evento 0 13 08 10 11 00 13 08 10 16 00 13 08 1021 00 14 08 10200 14 08 10 7 00 Tempo E Acqua di evento MB Acqua pre evento G5 Pioggia Campionamenti 0 12 08 10 21 00 13 08 10 1 00 13 08 10 5 00 13 08 10 9 00 Tempo 5 Acqua di evento E Acqua pre evento E Pioggia Campionamenti 60 50 40 30 20 o 0 14 08 10 15 00 14 08 1020 00 15 08 10 1 00 15 08 10 6 00 16 08 10 11 00 Tempo Figura 117a Separazione degli idrogrammi di pioggia in acqua vecchia e in acqua nuova tramite i due isotopi di idrogeno sopra e ossigeno sotto usando come valore pre evento il torrente stesso 129 Pioggia mm 30 min Pioggia mm 30 min Pioggia mm 30 min Pioggia mm 30 min Portata l s Portata l s Portata l s Portata l s 25 ET 0 Pioggia mm 30 min Pioggia mm 30 min E g g E ae S o aa D Ke a E ov ge i Es o 5A D Q o G5 Acqua di evento E Acqua di evento ME Acqua pre evento EE Acqua pre evento Pioggia Pioggia C
160. o o un isotopo naturale o artificiale che ampiamente distribuito nell ambiente terrestre tale che la variazione nella sua abbondanza pu essere usata per determinare i percorsi e le scale temporali dei processi ambientali 27 Pi specificatamente nel campo idrologico il tracciante una sostanza misurata sperimentalmente che diluita in acqua pu essere tracciata per studiare il suo percorso e la sua velocit in un mezzo poroso Si ricorre ai traccianti quando le propriet del sistema analizzato non permettono una misura diretta I traccianti possono essere di vari tipi coloranti blu brillante fluorescenza ecc temperatura cationi e anioni inorganici CL BR NO F I clorofluorocarburi CFCs molecole organiche microrganismi lieviti batteri isotopi H C PN 50 I traccianti conservativi non reagiscono con il sistema e rimangono costanti nel fluido per cui non sono n prodotti n consumati durante la loro permanenza nel sistema Ossigeno e idrogeno sono conservativi per cui nel loro movimento le interazioni con i componenti organici litologici del bacino sono considerate trascurabili nei confronti del rispettivo rapporto isotopico O O H H Le sostanze non conservative invece reagiscono con gli altri componenti del sistema e crescono o scompaiono col passare del tempo Le componenti del deflusso l area contribuente del bacino e i percorsi preferenziali possono e
161. on la mancanza di correlazione tra acqua nuova e l umidit superficiale a 5 cm quest ultima molto influenzata dalle precipitazioni e verosimilmente non rappresentativa dell umidit del bacino 131 In tutti i 13 eventi analizzati 4 di fusione nivale e 9 di pioggia si sempre osservata una rapida variazione nel torrente della conducibilit elettrica e in parte dell isotopia questo di nuovo conferma che in special modo in condizioni umide si attivano vie preferenziali di deflusso sottosuperficiale poco profondo per cui l acqua scarsamente conduttiva della pioggia o della neve fusa non ha il tempo per rimanere in contatto con il suolo o di mescolarsi nei pori del terreno con pre esistente acqua pi conduttiva e pi vecchia Stottlemyer 2001 Infatti solo una volta stato osservato visivamente deflusso superficiale rapido a causa di intensi e ripetuti apporti meteorici Ferragosto 2010 Fig 118 Figura 118 Torrente effimero ad ovest del sito Piramide 15 agosto 2010 Il grafico di Fig 122 che mostra la relazione tra AMC a 30 cm in midslope che appare essere rappresentativa del versante Emme costituendo una via di mezzo tra ripario e upslope e acqua di evento desunta dall ossigeno rappresenta un possibile comportamento a soglia ma servirebbero ulteriori dati per confermare tale ipotesi per cui oltre un certo contenuto idrico del suolo il deflusso da pioggia acqua nuova subisce un considerevole incremento Tale
162. oni H o 3 LGR 1 PIC 1 LGR 2 PIC 2 v O 6 gt 2 4 2 S 8 2 8 6 da 8 o 1 4 r v O DO O 38 c J o E Vp i e ee a ee 0 1 10 100 i 1000 differenza assoluta tra campioni 8 O o Figura 60 Relazione tra il range isotopico in ciascuna fialetta campione o standard e la differenza isotopica assoluta tra le fialette adiacenti nel vassoio 78 18 iniez 14 iniez 10 iniez 6 iniez LGR 1 98 03 11 39 LGR 2 99 702 l1 03 PIC 1 99 59 10 00 PIC 2 85 30 05 00 10 o 6 iniezioni Tabella 16 Coefficiente di determinazione R per l idrogeno nella relazione tra deviazione standard di ciascun campione standard e la differenza assoluta tra ciascuna fialetta e la precedente considerando 18 14 18 iniez 14 iniez 10 iniez 6 iniez LGR 1 96 00 02 18 LGR 2 95 13 10 01 PIC 1 wai 09 01 06 PIC 2 46 11 10 01 Tabella 17 Coefficiente di determinazione R per l ossigeno nella relazione tra deviazione standard di ciascun campione standard e la differenza assoluta tra ciascuna fialetta e la precedente considerando 18 14 10 o 6 iniezioni Per valutare la capacit di misura dei quattro spettroscopi rispetto allo spettrometro di massa stato calcolato per tutti i dati lo scostamento tra le misure da laser e quelle ottenute dalla tecnologia IRMS A y 0 T
163. oni pi umide quando le vie di deflusso tra ripario e versante si connettono Prove di campo in bacini rurali e montani dimostrano che le aree riparie tendono a rispondere diversamente e quasi indipendentemente dalle aree di versante con il deflusso che prima si genera dall area riparia e poi dalla connessione idrologica ripario versante in condizioni pi umide McGlynn et al 2004 Wenninger et al 2004 Ocampo et al 2006 81 Questi diversi tempi di risposta rivelano distintamente varie dinamiche di falda in zona riparia e di versante Kendall et al 1999 Seibert et al 2003 Rassam et al 2006 conducendo cosi ad un comportamento isteretico nella relazione falda portata Kendall et al 1999 McGlynn et al 2004 Penna et al 2010 L influenza della rapida saturazione del suolo nelle aree riparie sulla risposta del bacino stata sottolineata in vari studi Analizzando i processi di generazione del deflusso in un piccolo bacino di testata in Giappone Sidle et al 2000 hanno identificato un deflusso superficiale da saturazione da ristrette fasce riparie come il principale contribuente al deflusso durante condizioni secche mentre con l aumentare dell umidit antecedente il deflusso sottosuperficiale dai versanti adiacenti diventa la principale fonte di deflusso con una corrispondente diminuzione del contributo dell area riparia Burns et al 2001 hanno valutato il ruolo della falda riparia nel bacino sperimentale d
164. ono probabilmente dovuti al deflusso dall area riparia caratterizzata da elevata umidita del suolo e quindi predisposta ad una rapida risposta di deflusso Quando viene raggiunto il valore soglia di umidit del suolo tutta l area riparia potrebbe diventare satura e quindi il coefficiente di deflusso si avvicinerebbe al rapporto dell area riparia sull area totale di bacino indicando il contributo potenziale massimo dell area riparia stessa al deflusso di bacino Durante condizioni pi umide ed eventi pi intensi quando la soglia di umidit del suolo viene superata si hanno elevati coefficienti di deflusso Per questi eventi il contributo principale alla portata giunge dai versanti che diventano idrologicamente attivi e iniziano a rilasciare acqua una volta superata la soglia di umidit in accordo con precedenti risultati da traccianti in altri bacini sperimentali Sidle et al 2000 Burns et al 2001 McGlynn e McDonnell 2003 che descrivono il ruolo dominante dell area riparia nella generazione del deflusso durante piccoli eventi o nella prima parte delle piogge in condizioni antecedenti secche e dall altra parte il contributo principale da versante per eventi pi consistenti o nella seconda parte delle piogge per condizioni di maggiore umidit del suolo La produzione di deflusso dovuta alle precipitazioni che scendono sulle aree sature che si espandono in corso di evento relazionata al concetto di area variabile cont
165. ons in 5 80 and 8D values in the River Sava in Slovenia J Hydrol 359 2008 pp 303 312 Ogunkoya O O Jenkins A 1993 Analysis of storm hydrograph and flow pathways using a three component hydrograph separation model Journal of Hydrology 142 71 88 Onorati B Margiotta M R Carriero D Manfreda S Fiorentino M 2007 Experimental evidence on runoff generation mechanisms Proceedings of the AMHY FRIEND International Workshop on Hydrological Extremes Cosenza Italy June 6 8 2007 Variability in space and time of extreme rainfalls floods and droughts Paul J B Lapson L Anderson J G 2001 Ultrasensitive absorption spectroscopy with a high finesse optical cavity and off axis alignment Applied Optics 40 27 4904 4910 Paul J B Anderson J G 2009 A new cavity based absorption instrument for detection of water isotopologues in the upper troposphere and lower stratosphere Review of Scientific Instruments 80 044102 Pearce A J Stewart M K Sklash M G 1986 Storm runoff generation in humid headwater catchments 1 Where does the water come from Water Resources Research 22 1263 1272 Penna D Borga M Norbiato D Dalla Fontana G 2009 Hillslope scale soil moisture variability in a steep alpine terrain Journal of Hydrology 364 311 327 doi 10 1016 jhydrol 2008 11 009 Penna D 2008 Soil moisture distribution and runoff response at the hillslope scale experimental analysis in an Alpine environment Unive
166. opici idrometrici e di conducibilit elettrica La prima parte del lavoro dedicata all analisi di consistenza delle misure da spettroscopio OA ICOS Off Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy relativo alle misure di 3 H e 3 O Si tratta di un apparecchiatura innovativa il cui impiego per l analisi della risposta isotopica di un bacino idrografico ha richiesto una verifica specifica della riproducibilit delle misure ottenute A tal fine stata analizzata tramite spettroscopio una serie di 35 campioni d acqua confrontando i risultati ottenuti da quattro spettroscopi laser con quelli di uno spettrometro di massa convenzionale nelle tipiche condizioni da laboratorio Tutti i campioni sono stati analizzati usando tre differenti schemi di combinazione standard campioni e ricorrendo al relativo processamento dei dati per valutare l eventuale miglioramento dei risultati rispetto allo spettrometro di massa La ripetibilit dei quattro spettroscopi laser stata valutata anche mediante analisi multiple di un sottoinsieme di campioni per valutare la stabilit delle misure di 3 H e O I risultati mostrano per l intero insieme di campioni una buona congruenza tra le misure da spettroscopio laser e spettrometro di massa Tuttavia esiste un certo grado di variabilit nella precisione tra i quattro strumenti L analisi statistica ha evidenziato che non esistono deviazioni sistematiche rispetto ai valori dello spettrometro di mas
167. ortata l s Portata l s Figura 108 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e i due traccianti conducibilit elettrica e idrogeno per l evento di pioggia del 8 9 settembre 2010 123 400 500 2 la E peo 3 g o z E 700 2 5 s D E Feo 2 a 2 Li e Portata E Pioggia 900 Falda 1000 310 12 0 300 12 2 2 E 290 aS 124 2 E 280 O dol Le 12 6 to Fa 3 270 o Conducibilit 12 8 O 260 e 24 e 50 250 13 0 24 09 10 18 00 25 09 10 4 00 25 09 10 14 00 26 09 10 0 00 26 09 10 10 00 Tempo Figura 109 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilita elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 24 25 settembre 2010 310 300 290 280 270 Conducibilit elettrica uS cm 260 250 15 20 25 30 35 40 Portata l s Figura 110 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 24 25 settembre 2010 124 18 17 16 15 14 13 Portata l s 12 11 10 256 254 252 250 Conducibilit elettrica uS cm 248 246 14 05 11 22 00 Conducibilit e e 940 960 980 1000 1020 Pioggia mm 30 min 1040 Livello medio falda mm e Portata ES Pioggia 1060 Falda 1080 11 2 11 4 11 6 8 H s o 11 8 O 0 120 2 wo 12 2 12 4 12 6 15 05
168. peratura di ebollizione di fusione e critica il calore di fusione e di vaporizzazione l energia associata nelle strutture cristalline e molecolari Possono essere naturali o artificiali stabili o instabili e vengono generalmente rappresentati con il simbolo dell elemento preceduto a esponente dal numero di massa es H 0 YC U Gli isotopi instabili sono radioattivi e decadono naturalmente verso altre forme atomiche ad un tasso caratteristico di trasformazione quelli stabili invece non decadono col passare del tempo e possono essere a loro volta prodotti dal decadimento di isotopi instabili Il tritio o trizio 3H prodotto naturalmente in piccole concentrazioni dall impatto di neutroni p p p della radiazione cosmica con atomi di azoto presenti nell alta atmosfera in misura pi abbondante a seguito di reazioni nucleari Questo isotopo decade in 12 3 anni trasformandosi in He Elio 3 abbondanza in aix H prozio 99 985 Tabella 2 Abbondanza in natura degli isotopi di idrogeno e ossigeno Gli isotopi stabili ossigeno 18 O e deuterio H e l isotopo radioattivo trizio H sono elementi della molecola dell acqua e sono utilizzati come traccianti naturali L idea di base delle tecniche di marcatura semplice e chiara per seguire gli spostamenti dell acqua questa viene marcata per mezzo di una sostanza tracciante tracer rilevabile anche in notevole diluizione Il tracciante ambientale un compost
169. pica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante evento di fusione nivale del 29 aprile 2010 94 12 8 300 Pe 13 0 290 E oO 13 2 280 98 13 4 Fi 270 amp 1041 amp E 136 3 260 Se 102 2 13 8 w as 250 E 14 0 x 104 240 3 14 2 Conducibilit 5 106 4 9 14 4 A ns 3 0 108 14 6 15 20 25 30 35 40 45 Portata l s Figura 92 Relazione lineare tra la portata del Rio Ponte ed i tre traccianti utilizzati idrogeno ossigeno conducibilit per l evento di fusione nivale del 29 aprile 2010 112 15 14 13 12 11 10 Portata l s 315 310 305 300 Conducibilit elettrica uS cm 295 290 24 03 11 7 00 Temperatura C 2 Portata Temperatura 0 92 0 12 4 92 5 12 6 93 0 128 gt 93 5 8 x a Roi 94 0 430 o 94 5 Conducibilit 13 2 32H 95 0 e 380 95 5 13 4 24 03 11 14 00 24 03 11 21 00 25 03 11 4 00 25 03 11 11 00 Tempo Figura 93 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilit elettrica nel Rio Ponte durante evento Conducibilita elettrica uS cm 320 315 310 305 300 295 290 di fusione nivale del 24 marzo 2011 8 9 10 11 12 13 14 15 Portata l s Figura 94 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di fusione nivale del 24 marzo
170. precedente fialetta nel vassoio confrontata con quella del campione 5 avente la pi bassa differenza isotopica rispetto alla precedente fialetta per l intera analisi Per tutte le macchine i valori di deviazione standard per i due standard sono molto elevati quando si mediano tutte le 18 iniezioni la precisione della misura bassa fino a 7 5 o per 3 H e 0 54 o per 58150 mentre la deviazione standard decresce la precisione della misura aumenta quando si riduce il numero di iniezioni mediate La precisione della misura si stabilizza quando si rifiutano all incirca le prime 4 6 iniezioni Le deviazioni standard pi marcate durante le prime iniezioni sono raggiunte con lo standard STD3 quello con la maggior differenza isotopica rispetto alla precedente fialetta 201 o per 8 H e 25 o per 3 0 seguito dallo standard STD2 109 o per 3 H e 14 o per 0 Al contrario il campione 5 caratterizzato da una piccola differenza isotopica rispetto alla fialetta precedente 2 o per 5 H e 1 o per O generalmente mostra valori stabili di deviazione standard compresi tra 0 1 o 1 0 o per 3 H e 0 05 o 0 17 o per 3 O che rappresentano la precisione strumentale Infine la variazione dei valori di deviazione standard generalmente pi ridotta per gli strumenti CRDS rispetto a quelli OA ICOS riflettendo la variabilit dell effetto memoria espresso in percentuale Includendo anche le iniezioni affette dall effetto memoria oltre alla
171. precedenti studi sugli analizzatori LGR IAFA 2009 Tuttavia in alcuni casi le misure ripetute dello stesso campione sono relativamente differenti con forti instabilit e incongruenze distribuite casualmente I grafici di ripetibilit mostrati in Fig 54 e 55 presentano anche la media calcolata per i tre campioni analizzati simboli scuri Mediando queste tre misure sembra possibile superare gli eventuali scostamenti casuali dai rapporti isotopici reali La stessa procedura statistica stata applicata nelle analisi degli scostamenti di 3 H e 3 O per determinare se questo metodo pu migliorare in maniera apprezzabile il risultato finale Il dataset considerato durante questo studio formato dalla prima seconda o terza ripetizione e dal valore medio delle tre ripetizioni per i sette campioni La distribuzione di ciascuna serie stata valutata mediante i test di normalit Shapiro Wilk Kolmogorov Smirnov e Anderson Darling con un livello di significativit di 0 05 In base al tipo di distribuzione stato applicato un t test a un campione per distribuzioni normali o un sign test non parametrico a un campione per le poche distribuzioni non normali per valutare se lo scostamento tra le misure OA ICOS e IRMS per i sette campioni ripetuti statisticamente significativa I risultati del t test e sign test sono elencati in Tab 13 per le misure di idrogeno e ossigeno In molti casi gli spettroscopi laser forniscono misure accurate per u
172. proccio richiede lunghi tempi di analisi quindi pu essere applicato per le analisi di pochi campioni e o quando sono richiesti risultati pi attendibili In definitiva gli analizzatori laser OA ICOS sembrano convenienti da un punto di vista economico e sono decisamente pi semplici da utilizzare rispetto allo spettrometro di massa convenzionale L effetto memoria su campioni d acqua con valori isotopici molto negativi generalmente molto elevato per le prime iniezioni mentre tende ad essere trascurabile dopo 8 10 iniezioni Le misure relative all ossigeno sembrano essere lievemente meno soggette all effetto memoria in termini di valori lo stesso vale per lo spettroscopio della Picarro rispetto a quello della LGR probabilmente a causa dei differenti tempi di analisi dei due strumenti 136 Nonostante un certo grado di variabilita tra analizzatori e alcuni errori casualmente distribuiti questi strumenti costituiscono un potente mezzo per le applicazioni idrologiche ed ambientali nel determinare la composizione isotopica di idrogeno e ossigeno nei campioni d acqua Le informazioni idrologiche ottenibili dai traccianti isotopici possono aiutare ad analizzare 1 processi di generazione di deflusso nei piccoli bacini dolomitici i quali presentano ancora degli aspetti di difficile comprensione L elevata variabilit fisiografica tra bacini e l interazione dei fattori topografici climatologici geologici pedologici e vegetazionali re
173. processo di evaporazione e quindi hanno distillato una minor percentuale di isotopi pesanti Esse risultano perci impoverite in isotopi pesanti acque leggere con delta pi negativo Diversamente le acque che incontrano temperature mediamente pi elevate risulteranno pi ricche in isotopi pesanti acque pesanti con delta meno negativo Questo concetto stato verificato anche per il Rio Ponte e per la Sorgente che sgorga poco a valle dello stramazzo Fig 26 e 27 Figura 26 Sorgente con idrometri poco a valle dello stramazzo del Rio Ponte 31 La Fig 27 mostra il classico andamento isotopico stagionale riscontrato da vari Autori in molti bacini sperimentali per cui nella stagione fredda l isotopia delle acque tende ad assumere un delta pi negativo grazie anche alla fusione nivale al contrario nella stagione calda il delta assume valori meno negativi per via della maggior temperatura di condensazione alla quale si formano le precipitazioni nelle masse nuvolose e per vari processi evaporativi legati a tali fenomeni Si vede come il Rio Ponte reagisce in maniera pi netta rispetto alla Sorgente alle piogge estive tendenzialmente ricche in isotopi pesanti delta pi positivo e alla neve fusa che invece impoverita in isotopi pesanti delta pi negativo 80 85 90 y sa E I M a Estate 2010 i Estate 2011 T 5 W Ji N Yj i Fusione nivale 100 2011 s Rio Ponte 87H Fusione nivale Sorgente
174. qua presente in un dato volume di solido e il volume totale del solido stesso il contenuto volumetrico d acqua che pu essere espresso adimensionalmente sia in termini percentuali VWC Volumetric Water Content sia come rapporto tra i due volumi m m oltre che con il dato grezzo in mV Affinch il dato visualizzato corrisponda al reale contenuto volumetrico d acqua necessaria la calibrazione dello strumento per il suolo specifico in esame In condizioni di saturazione il VWC eguaglia la percentuale dei pori saturi nel terreno Le misure effettuate consistono nella determinazione istantanea del contenuto idrico nella porzione di terreno in cui viene infissa la sonda date le ridotte dimensioni della sonda stessa l informazione che si ottiene ha carattere spiccatamente locale e presenta un elevata variabilit nello spazio Per tale ragione volendo studiare la variazione nel tempo dell umidit superficiale si optato per la definizione di un set di punti di indagine fissi per tutta la campagna di rilievi 2 4 4 Sonda TDR300 L umidit del suolo a 0 12 cm e 0 20 cm stata misurata ricorrendo ad una sonda portatile di Riflettivit nel Dominio del Tempo TDR300 Spectrum Technologies Inc Stati Uniti costituita da due paia di elettrodi intercambiabili lunghi 12 e 20 cm Lo strumento composto da un corpo richiudibile lungo 90 cm Fig 21 e dotato di manici che gli conferiscono una notevole maneggevolezza All
175. r vari motivi i pi importanti sono la temperatura di condensazione Dansgaard 1964 origine della massa di vapore evaporazione e scambio isotopico tra le gocce di pioggia e il vapor d acqua circostante Matsuo e Friedman 1967 hanno raccolto campioni di pioggia a contenuto isotopico variabile con il tempo tale variazione si manifestata specialmente all inizio dell evento quando la precipitazione era pi debole Il contenuto in O nelle precipitazioni tende a ridursi con la diminuzione della temperatura l incremento di quota di latitudine della distanza che il vapore percorre nel suo tragitto nell atmosfera e infine con l aumentare del quantitativo di precipitazione Kendall e McDonnell 1998 Una certa costanza nella composizione isotopica stata osservata solo durante elevate intensit di precipitazione McDonnell et al 1990 Per questo l utilizzo a livello di input di un singolo campione di precipitazione ancora ammissibile nel caso di un forte rovescio di pioggia che avviene in un contesto di un lungo periodo con scarse o nulle precipitazioni e ancor pi se il bacino ha tempi di risposta brevi per la preponderanza del deflusso superficiale McDonnell et al 1990 Time dD fc 1040 94 8 1235 92 2 1320 93 8 1400 77 0 1455 76 0 1545 76 9 1645 68 0 2030 61 9 Tabella 4 Variazione del deuterio per campioni di pioggia raccolti ogni 5 mm McDonnell et al 1990 42 Per otten
176. r via dei potenziali errori di sottostima e di sovrastima deviazioni laser IRMS o Op ae a n 808 sete se leg a al o n 20820082 Sed copeut ge Pi deviazioni laser IRMS 0 Figura 51 Scostamenti 3 H pannello a e 5 O pannello b per tutti i dataset schema A1 La linea orizzontale rappresenta il valore zero che corrisponde all assenza di differenza tra le misure da spettroscopio laser e spettrometro di massa 62 4 8 Esempi di misura In Fig 52 sono riportati alcuni esempi relativi alla qualita di misura complessiva degli spettroscopi laser per 5 H e 3 0 I quattro pannelli a d presentano un confronto tra misure OA ICOS e IRMS per quattro campioni caratterizzati da un differente range di composizione isotopica permettendo cos di valutare sia l accuratezza vicinanza all origine posizione in cui si trova il valore dello spettrometro di massa che la precisione ampiezza della barre di errore che riproduce la deviazione standard di ogni misura delle misure OA ICOS per i due rapporti isotopici e per i quattro analizzatori 0 50 0 00 gt 2 0 50 iaia aes il wat 1 00 a a 1 50 0 34 00 32 00 30 00 28 00 64 50 62 50 60 50 58 50 87H 87H 10 50 44 50 1 0 45 0 CE CE CGCO CL COLCPPLE gt aaa One 2711 50 2745 5 12 00 4600 te si c d 12 50 46 50 83 00 81 00 79 00 77 00
177. ra fialette adiacenti la differenza assoluta pi bassa tra l acqua pi pesante e pi leggera approssimativamente pari al 2 o per 5 H e 1 o per 3 0 mentre la massima differenza assoluta tra l acqua pi pesante e quella pi leggera approssimativamente pari al 201 o per 8 H e 25 o per O Tab 15 ion ST1 ST3 ST2 21 25 14 25 TEE 4 2 3 24 166 201 109 201 109 21 4 35 17 jagi 199 Tabella 15 Sequenza dei campioni e degli standard nell analisi e differenze isotopiche valori IRMS tra ciascuna fialetta e la precedente ST standard Numero ID del campione I grafici in Fig 52 e Fig 53 mostrano per ciascuna macchina laser i valori 8 H e 3 O per le tre triplette degli standard di riferimento in funzione delle iniezioni eseguite Per le prime iniezioni tutte le curve mostrano uno scostamento positivo o negativo dai valori delta ottenuti durante la parte centrale e finale dell analisi stessa Solo il primo standard STD1 mostra sia valori pi positivi sia valori pi negativi durante le prime iniezioni rispetto al resto dell analisi dovuti alle differenti fialette precedenti incontrate nel corso dell analisi acqua deionizzata campione 1 campione 10 mentre gli altri due standard seguono sempre una fialetta contenente la stessa acqua In media servono almeno 7 8 iniezioni per stabilizzare la misura Come detto i tre standard rappresentano
178. rante Panno nel bacino del Rio Vauz Figura 4 Panoramica del bacino del Rio Vauz visto da sud versante meridionale del Gruppo del Sella 11 1 2 Bacino sperimentale del Rio Ponte Le misure idrometeorologiche sono state effettuate in un sottobacino del Rio Vauz chiamato Bacino del Rio Ponte 0 14 km con un elevazione variabile da 1932 m s l m a 2515 m s l m Fig 5 Il sito densamente vegetato da praterie alpine Gli alberi larici e abeti sono molto rari e al pi formano solo piccoli cespugli Bacino del Rio Vauz W Bacino del 2400 Rio Ponte m Piramide Mu Emme aree riparie torrenti 3100 2300 metri 2200 0 50 100 va i 2500 TA aay m A intervallo isoipse 10 m L 250 i i N Z Emme stramazzo punti misura umidit del suolo 0 30 cm Rio Ponte punti misura umidit del suolo 0 6 0 12 0 20 cm Piramide pluviometro m pozzi piezometrici A PA 6 510 20meti di art Figura 5 Localizzazione dell area di studio e della strumentazione di campo installata nel sottobacino del Rio Ponte 12 Nella parte pi bassa del sottobacino del Rio Ponte sono stati individuati due versanti di dimensioni simili ma con diverse forme topografiche Piramide 0 46 ha a topografia divergente convessa e Emme 0 47 ha con topografia relativamente planare Le quote variano da 1930 m s l m a 1975 m s l m per Piramide e tra
179. recedente nevicata per via di intense correnti sciroccali 108 6 1 Relazione tra isotopi dell acqua e conducibilita elettrica La correlazione di tutti i dati disponibili del 2010 2011 per le acque del Rio Ponte di conducibilita elettrica e degli isotopi di idrogeno e ossigeno sia per eventi di pioggia che di fusione nivale mostra una scarsa correlazione tra i due traccianti Fig 87 che quindi sembrano avere il potenziale per rivelare differenti processi considerata in particolare la natura non conservativa della conducibilita elettrica atta a studiare i percorsi seguiti dall acqua e conservativa degli isotopi piu adatta a definire l origine delle acque 75 9 SEA o 10 5180 0 220 240 260 280 300 320 340 360 380 Conducibilit elettrica uS cm Figura 87 Relazione tra conducibilit elettrica e gli isotopi dell acqua ossigeno e idrogeno per i campioni d acqua del Rio Ponte raccolti nel biennio 2010 2011 6 2 Analisi isotopica e di conducibilit elettrica degli eventi di fusione nivale Durante il ramo di concentrazione dell idrogramma di tutte le piene di fusione nivale considerate la composizione isotopica e di conducibilit elettrica del torrente riflette quella dell acqua di evento isotopicamente leggera per l acqua di fusione nivale e a bassa conducibilit Nel corso della recessione il torrente torna verso la composizione isotopica e di conducibilit elettrica precedente rivelando il
180. rem 4083 Brocca L Melone F Moramarco T 2005 Empirical and conceptual approaches for soil moisture estimation in view of event based rainfall runoff modeling In Progress in Surface and Subsurface Water Studies at the Plot and Small Basin Scale Maraga F Arattano M eds IHP VI Technical Documents in Hydrology N 77 UNESCO Paris 1 8 Brocca L Melone F Moramarco T Wagner W Naeimi V Bartalis Z Hasenauer S 2010 Improving runoff prediction through the assimilation of the ASCAT soil moisture product Hydrology Earth System Sciences 14 1881 1893 www hydrol earth syst sci net 14 1881 2010 doi 10 5194 hess 14 1881 2010 Brown V A McDonnell J J Douglas A B Kendall C 1999 The role of event water a rapid shallow flow component and catchment size in summer stormflow Journal of Hydrology 217 171 190 139 Burns D A McDonnell J J Hooper R P Peters N E Freer J E Kendall C Beven K 2001 Quantifying contribution to storm runoff through end member mixing analysis and hydrologic measurements at the Panola Mountain Research Watershed Georgia USA Hydrological Processes 15 1903 1924 doi 10 1002 hyp 246 Buttle JM 1994 Isotope hydrograph separations and rapid delivery of pre event water from drainage basins Progress in Physical Geography 18 16 41 Craig H Standard for reporting concentrations of deuterium and oxygen 18 in natural waters Science 133 1833 1834 1961 Dansgaard W
181. ria nonch dalla relativa facilit d utilizzo abbinata all analisi simultanea di 5 H e 3 O e alla buona accuratezza e precisione oltre che alla possibilit di utilizzo sul campo Berman et al 2009 Recentemente alcuni studi hanno testato la qualit delle misure degli strumenti OA ICOS Schultz et al 2011 West et al 2010 IAEA 2009b Lis et al 2008 Wassenaar et al 2008 e degli strumenti CRDS Gkinis et al 2010 Brand et al 2009 per le analisi dei campioni d acqua rivelando in generale una buona concordanza con le classiche tecniche della spettrometria di massa Comunque data la relativa novit dello spettroscopio laser nei laboratori di idrologia e nonostante la letteratura disponibile alcune potenzialit pratiche delle macchine laser nel campo della ricerca delle acque sono ancora inesplorate inoltre permangono ancora dei limiti operativi Lo studio comparativo tra quattro spettroscopi laser OA ICOS e lo spettrometro di massa per valutare la riproducibilit e ripetibilit delle misure evidenzia una minore accuratezza degli spettroscopi laser per campioni d acqua molto impoveriti Ci sembra dovuto all effetto memoria definito come l influenza del campione precedentemente iniettato sul contenuto isotopico di un certo campione In questo lavoro si vogliono valutare le possibili ripercussioni pratiche derivanti dall analisi di acque isotopicamente molto diverse tra loro e con valori isotopici estremamente
182. ribuente Variable Source Area VSA Hewlett and Hibbert 1967 ma in realt solo parzialmente in accordo con esso Nel bacino del Rio Ponte si ipotizza che le aree sature si espandono dalla fascia riparia ai piedi dei versanti con l incremento dell umidit ma il comportamento a soglia legato all attivazione dei versanti e il conseguente ed improvviso incremento nel deflusso un meccanismo non spiegato dal concetto VSA McDonnell 2003 Questi risultati basati sul volume di deflusso confermano il forte controllo esercitato dalla topografia sulla generazione del deflusso nei bacini montani e l importante ruolo delle aree riparie e di versante come unit paesaggistiche fondamentali nella determinazione della risposta idrologica del bacino 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 Coefficiente di deflusso 0 1 0 0 0 42 0 43 044 045 0 46 047 0 48 049 0 50 051 0 52 Umidita antecedente del suolo Figura 67 Relazione a soglia tra umidita media antecedente del suolo e coefficiente di deflusso per 58 eventi di pioggia dell estate 2010 e 2011 Il valore soglia secco umido pari al 49 5 di contenuto idrico del suolo In rosso gli eventi campionati per le analisi isotopiche descritte nel Capitolo 6 89 Data Pioggia totale mm Coeff deflusso 13 06 2
183. rio anche per la pioggia allo scopo di ottenere un campione privo di bolle d aria e per verificare nella siringa stessa l assenza di impurit nell acqua prima del travaso nella boccetta Una volta raccolti i campioni d acqua questi andranno collocati in frigo appena possibile per le successive analisi isotopiche di laboratorio 48 Capitolo 4 Riproducibilita e ripetibilita delle misure mediante spettroscopia ad assorbimento laser per le analisi isotopiche di H e 5 O Negli ultimi decenni gli isotopi stabili di idrogeno e ossigeno sono stati utilizzati in diversi ambiti in studi di idrologia di bacino includendo l analisi dei processi di generazione del deflusso Tetzlaff et al 2007 Weiler et al 2003 Brown et al 1999 dei percorsi preferenziali di deflusso La Bolle et al 2008 Lee et al 2007 Rodgers et al 2005a b del tempo di transito e di residenza a scala di bacino e di versante Stewart et al 2010 Lyon et al 2008 McGuire e McDonnell 2006 del contributo di acqua pre evento e di evento al deflusso totale Lyon et al 2009 Huth et al 2004 Uhlenbrook e Hoeg 2003 e del contributo dell acqua di fusione nivale nell applicazione della separazione dell idrogramma Koeniger et al 2008 Zhou et al 2008 Taylor at al 2002 Il metodo convenzionale usato per determinare 8 O e 8 H scala VSMOW SLAP nei campioni d acqua la tecnica della spettrometria di massa o IRMS Isotope Ratio Mass Spectro
184. rometro di massa 3 la ripetibilit di ciascun analizzatore ovvero la capacit di riprodurre costantemente i medesimi valori isotopici 4 il potenziale miglioramento nell accuratezza applicando differenti schemi analitici e diversi metodi di post analisi dei dati 49 4 1 Analizzatore di isotopi OA ICOS e IRMS Le analisi isotopiche sono state effettuate con quattro analizzatori di isotopi dell acqua OA ICOS Liquid Water Isotope Analyzers LWIA modello DLT 100 Fig 43 di cui tre con la versione 908 0008 e uno con la versione aggiornata 908 0008 2000 tutti prodotti dalla Los Gatos Research Inc LGR Mountain View California USA Le analisi isotopiche sono state eseguite presso il Dipartimento Territorio e Sistemi Agro Forestali Universita di Padova Facolta di Ingegneria Civile presso Czech Technical University Praga Dipartimento di Biotecnologie Agro Ambientali Centro di Ricerca Pubblica Gabriel Lippmann Lussemburgo Facolta di Ingegneria Civile e di Geoscienze presso Delft University of Technology Olanda Figura 43 Analizzatore LGR degli isotopi dell acqua presso il TESAF modello DLT 100 Ognuno dei quattro analizzatori connesso ad un autoiniettore LC PAL 908 0008 9001 CTC Analytics AG Zwingen Svizzera che consente misure automatiche e simultanee dei rapporti H H e 80 O nei campioni d acqua Fig 44 L autoiniettore dotato di una siringa da 1 2 ul modello 26P mm AS 7701 2 N CTC prodot
185. rsita degli Studi di Padova Facolta di Agraria 144 Penna D Borga M Sangati M Gobbi A 2010 Dynamics of soil moisture subsurface flow and runoff in a small alpine basin IAHS Publications Red Book Series 336 ISBN 978 1 907161 08 7 96 102 Penna D Norbiato D Borga M Dalla Fontana G 2007 Analisi della stabilit temporale dell umidita del suolo in un piccolo bacino dolomitico Temporal stability of surface soil moisture in a small alpine catchment In G Bischetti Ed Ricerche ed esperienze di Sistemazioni Idraulico Forestali vol 27 489 502 Nuova Editoriale Bios Cosenza Italy Penna D Stenni B Sanda M Wrede S Bogaard T A Gobbi A Borga M Fisher B Bonazza M 2010 On the reproducibility and repeatability of laser absorption spectroscopy measurements for 5 H and 5 O isotopic analysis Hydrology and Earth System Sciences 14 1551 1566 www hydrol earth syst sci net 14 1551 2010 doi 10 5194 hess 14 1551 2010 Penna D Tromp van Meerveld H J Gobbi A Borga M Dalla Fontana G 2011 The influence of soil moisture on threshold runoff generation processes in an alpine headwater catchment Hydrology and Earth System Sciences 15 689 702 2011 doi 10 5194 hess 15 689 2011 Peters N E Freer J Aulenbach B T 2003 Hydrological Dynamics of the Panola Mountain Research Watershed Georgia Groundwater 41 7 Watershed Issue 973 988 Pinder GF Jones JF 1969 Determination of the ground w
186. sa le differenze sono quindi di tipo casuale non sono apparentemente legate a fattori esterni ma possono condizionare il risultato finale Le analisi mostrano che la precisione analitica delle misure varia da 0 56 o a 1 80 o per 5 H e da 0 10 o a 0 27 o per 5 O con una marcata variabilit tra i quattro analizzatori La capacit globale degli spettroscopi laser a riprodurre risultati stabili con misure ripetute dello stesso campione accettabile con alcune differenze entro il range di precisione analitica per ciascun spettroscopio Perci mediando le misure di tre identici campioni si ottiene un pi elevato grado di accuratezza e si elimina il potenziale relativo a scostamenti casuali Una sottosezione si occupa di identificare possibili effetti memoria causati da importanti differenze tra i contenuti isotopici di vari campioni e standard analizzati mediante differenti spettroscopi laser Il lavoro si focalizza su campioni d acqua con valori isotopici molto negativi che sono maggiormente predisposti a questo tipo di problema L effetto memoria generalmente molto elevato per le prime iniezioni mentre tende ad essere trascurabile dopo 8 10 iniezioni La seconda parte del lavoro analizza il ruolo dell umidit del suolo nel quadro della formazione del deflusso in un piccolo bacino alpino di testata caratterizzato da versanti molto ripidi e da aree riparie ben definite Il lavoro considera in particolare i seguenti aspetti 1 individua
187. scono significativamente al deflusso totale di bacino una volta raggiunta la soglia di umidit Queste conclusioni sono in accordo con successive osservazioni di Torres 2002 per cui la presenza di un valore soglia nella relazione tra umidit del suolo e carico idraulico sopra il quale nella zona insatura si verificano rapide reazioni nel carico idraulico stesso porta ad una rapida redistribuzione dell acqua di suolo e veloci risposte nella portata Inoltre in due recenti articoli Detty e McGuire 2010a b identificano una chiara relazione a soglia tra l umidit antecedente e la precipitazione totale e il deflusso diretto sotto la soglia il deflusso totale era minimo mentre al di sopra il deflusso totale era linearmente correlato con la combinazione di umidit antecedente del suolo e cumulate di pioggia Il controllo esercitato dalle condizioni di umidit sulla generazione del deflusso pi importante in bacini umidi e pendenti con suoli poco profondi dove le propriet topografiche svolgono un ruolo significativo sui processi idrologici dominanti Sidle et al 2000 McGlynn 2005 Le aree relativamente piane vicino al torrente sono in grado di immagazzinare acqua di essere velocemente saturate anche con piogge modeste e di indirizzare quindi tali acque alla rete idrologica causando una rapida risposta Al contrario l acqua del suolo immagazzinata lontano dal torrente e nei versanti pu essere rilasciata solamente durante condizi
188. sentano la misura 8 80 dello spettrometro di massa e la deviazione standard rispettivamente Campioni a 14 b 25 c 23 d 24 67 La Tab 12 illustra la statistica base della differenza massima calcolata tra le misure ripetute di idrogeno e ossigeno rispettivamente L analizzatore II offre la migliore ripetibilit per entrambi i rapporti isotopici gli analizzatori I e III forniscono risultati confrontabili in termini di ripetibilit per le misure 6 H e l analizzatore IV fornisce le maggiori variazioni nelle misure ripetute Quest ultimo analizzatore si comportato quasi analogamente all analizzatore I per quanto riguarda l ossigeno mentre l analizzatore III presenta le variazioni pi marcate media o dev st c min o max o LWIA amp H Oo SH Oo SH 0 8H 80 I 0 94 0 31 0 67 0 06 0 19 0 22 1 94 0 37 II 0 56 0 20 0 24 0 12 0 33 0 07 1 00 0 36 HI 0 95 0 81 0 52 0 37 0 26 0 40 1 71 1 40 IV 2 21 0 44 1 01 0 23 0 23 0 17 3 24 0 76 Tabella 12 Statistica descrittiva base della differenza massima tra le misure ripetute di 8 H e 5 O Complessivamente la capacit di riprodurre risultati comparabili dalle analisi di campioni ripetuti accettabile con differenze tra i valori minimi e massimi che sono generalmente compresi nel range della deviazione standard delle singole misure Queste osservazioni sono in accordo con
189. so di deviazione standard per ciascun isotopo 59 Secondariamente l uso di differenti schemi analitici non sembra costituire un fattore determinante nel miglioramento delle misure isotopiche da spettroscopia laser In effetti nessuno schema stato in grado di fornire costantemente una maggior accuratezza e precisione o un peggioramento delle misure per tutti gli strumenti e per entrambi gli isotopi Inoltre non sono stati identificati comportamenti sistematici es sovrastime o sottostime costanti deviazioni standard costantemente pi alte o basse tra i vari schemi e la variabilit tra macchine sembra superare la variabilit dovuta agli schemi Inoltre la differenza tra le due versioni o tre per lo schema C dei metodi di calcolo della media appare trascurabile portando in effetti a distribuzioni di scostamenti simili per tutte le macchine e per entrambi i rapporti isotopici Questi risultati suggeriscono che l influenza dell esclusione o inclusione di possibili outliers iniezioni che deviano il massimo dalla media preliminare minima Generalmente la misura non migliora scartando questi outliers ma possono derivare risultati meno affidabili da un minor numero di misure per ciascun campione Tutte queste osservazioni sono confermate dai dati in Tabella 8 che riporta la media e la deviazione standard delle distribuzioni degli errori per 57H e 5 O OA ICOS IRMS dei differenti schemi e dei quattro analizzatori 4
190. soil characteristics and hydrological flux measurements Water Resources Research 34 10 2765 2768 147 Zehe E Elsenbeer H Lindenmaier F Schulz K Bl schl G 2007 Patterns of predictability in hydrological threshold systems Water Resources research 43 W07434 doi 10 1029 2006WR005589 Zehe E Sivapalan M 2009 Threshold behaviour in hydrological systems as human geoecosystems manifestations controls implications Hydrology and Earth System Sciences 13 1273 1297 Zehe E Graeff T Morgner M Bauer A Bronstert A 2010 Plot and field scale soil moisture dynamics and subsurface wetness control on runoff generation in a headwater in the Ore Mountains Hydrology and Earth System Sciences 873 889 2010 doi 10 5194 hess 14 873 2010 Zhou S Nakawo M Hashimoto S Sakai A 2008 The effect of refreezing on the isotopic composition of melting snowpack Hydrological Processes 22 873 882 148
191. spositivo di equilibrazione usato per queste analisi un GFL 1086 connesso allo spettrometro di massa Thermo Fischer Delta Plus Advantage Thermo Fisher Scientific Inc Massachusetts USA La precisione delle misure 5 50 e SH raggiunta con la tecnica IRMS pari a 0 05 o e 0 7 o rispettivamente SI Ulteriori informazioni riguardanti i principi di funzionamento della tecnologia IRMS sono disponibili in Horita e Kendall 2004 Hut 1987 Rolston et al 1976 e Roether 1970 4 2 Campioni Le analisi comparative sono state effettuate su un dataset di 35 campioni d acqua Tab 7 caratterizzato da un ampio range di rapporto isotopico compreso tra 425 o e 11 o per 5 H e da 55 o a 1 o per 3 O La maggior parte dei campioni di torrente ghiacciaio pioggia e neve prelevati dall Europa centro meridionale mostrano un contenuto isotopico medio compreso tra 45 e 100 o per 8 H e da 5 a 15 o per 8 O Nel corso della medesima analisi sette campioni sono stati misurati tre volte evidenziati in grassetto nella Tab 7 questi sono stati posizionati in tre distinte fialette e trattati come campioni distinti da cui sono state ottenute 49 misure per le successive analisi statistiche Per tutte le analisi in spettroscopia laser stato utilizzato un set di otto standard di riferimento di cui cinque forniti dalla LGR Per i campioni estremamente leggeri provenienti dall Antartico sono stati utilizzati tre standard molto negat
192. ssere stimati anche a scala di evento mentre il tempo di residenza i volumi delle riserve e le caratteristiche idrauliche dei flussi sottosuperficiali possono essere quantificati solo se sono disponibili dati dei traccianti per un lungo periodo Sia per le applicazioni pratiche che per la gestione e la protezione delle acque sotterranee 1 valori isotopici delle molecole d acqua costituiscono dati di riferimento imprescindibili nei seguenti settori a l osservazione a lungo termine dei cambiamenti avvenuti nel ciclo idrologico b gli studi climatologici pi che altro per la ricostruzione del paleoclima c gli studi biologici come il bilancio idrico nelle piante 3 1 Il delta isotopico La concentrazione dell isotopo in un campione d acqua viene espressa in unit di scostamento 6 rispetto ad uno standard a composizione isotopica nota nel caso dell ossigeno definita da 180 Al di Ra 0 O 7 1000 1 std dove Rgampie Rstandara sono rispettivamente il rapporto 80 O per il campione d acqua e lo standard quindi il rapporto tra l isotopo pi pesante e quello pi leggero Lo standard di riferimento per l acqua lo SMOW Standard Mean Ocean Water che consiste nel contenuto isotopico medio delle acque dell oceano definito poi come Vienna Standard Mean Ocean Water VSMOW in accordo con l IAEA di Vienna International Atomic Energy Agency 28 Nel caso dell idrogeno Rsampie Rstandara SONO r
193. sso laterale varie riserve di acqua vecchia forse connesse tra loro le cui aree di ricarica avranno differenti concentrazioni isotopiche trovandosi queste a quote diverse nonch varie marcature geochimiche a seconda del tipo di suolo roccia a contatto con l acqua Tali riserve sarebbero mobilizzate in proporzioni diverse a seconda del livello del torrente con una prevalenza di acqua di falda in deflusso di base assenza di precipitazioni e acqua di suolo durante i deflussi di pioggia Hooper et al 1990 Genereux et al 1993 135 Capitolo 7 Conclusioni La prima parte del lavoro si concentra sul confronto tra quattro analizzatori di isotopi dell acqua costruiti dalla Los Gatos Research Inc Mountain View California USA con le versioni 908 0008 e 908 0008 2000 del modello DLT 100 Questo confronto mira a valutare la qualita di misura dei quattro spettroscopi in termini di riproducibilita e ripetibilita della misura rispetto al tradizionale spettrometro di massa su un ampio range di rapporti isotopici di campioni d acqua naturale compresi tra 425 o e 11 o per 3 H e da 55 o a 1 o per 8 O Sono stati adottati tre differenti schemi analitici per la determinazione isotopica dei campioni d acqua I grafici a dispersione tra le misure da spettroscopio laser ed IRMS Isotope Ratio Mass Spectrometry sull intero dataset mostrano un eccellente allineamento tra i due metodi per entrambi gli isotopi e per tutti gli analizzatori co
194. sso ottenuto con la separazione dell idrogramma tramite isotopo dell ossigeno decisamente pi correlato al coefficiente di deflusso ottenuto da metodo grafico rispetto all idrogeno 0 04 CDgraficovsCD 8 H pe cD grafico vs CD 5180 S 0 03 O 2 o xo P 9 0 02 vani o te z 001 O 0 00 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 Coeff deflusso metodo grafico Figura 84 Relazione tra coefficiente di deflusso calcolato con metodo grafico e quello calcolato attraverso separazione dell idrogramma mediante tracciante isotopico di idrogeno e ossigeno 0 05 0 04 4 0 03 0 02 0 01 4 Coeff deflusso 51 85 0 00 0 000 0 005 0 010 0 015 0 020 0 025 0 030 Coeff deflusso 8 H Figura 85 Relazione tra coefficiente di deflusso calcolato con separazione dell idrogramma mediante tracciante isotopico di idrogeno e ossigeno 107 In Fig 84 si nota come il coefficiente di deflusso determinato tramite isotopi decisamente pi basso da quello determinato con metodo grafico ci coerente con le elevati percentuali di acqua vecchia calcolate mediante separazione degli idrogrammi di pioggia Tuttavia la relazione tra AMC umidit del suolo prima della pioggia e coefficiente di deflusso calcolato con l isotopo dell ossigeno pi simile a quella del metodo grafico anche se l isotopo dell idrogeno definisce meglio tale soglia Fig 86
195. sti a confronto due eventi di pioggia con cumulata simile ma differenti condizioni antecedenti di umidita In condizioni secche AMC lt 45 pannello a il picco di umidita del suolo segue quello di portata mentre in condizioni umide AMC gt 45 pannello b si verifica il contrario Inoltre in condizioni secche la recessione di umidit del suolo pi lenta per la maggior ritenzione dell acqua nel suolo stesso Al contrario in condizioni di suolo umido il deficit idrico pi ridotto e la maggiore conducibilit idraulica facilita la rapida traslazione dell acqua attraverso il suolo portando ad una recessione pi veloce e a tempi di risposta minori per gli eventi umidi 20 2 1 Di EB E 31 S D4 i D oo 2 as i a 12 16 15 pla 14 T i 2 L H wz Lao p13 I o 12 S I a to F9 E H1 pe 1 3 gt 10 a Lo 45 7 8 A i x i amp N 2 i 2 Soli 2 4 D g i g 2 4 3 I 35 o 870 41 I i 967 E E l E 890 E H o D 910 D I i t970 5 930 5 i 9 Los0 S coho g D E 2 1 r 973 7 1 7 r x 970 8 8 8 8 8 e 3 8 s 8 s 8 s 8 8 o n o o gt nN wo o o n o N o o o o Lal N a Q D Q 2 Ss Ss Ss a g 5 Co re vd N N g g g Fa n n n a tempo b tempo pioggia M portata umidit suolo livello falda Figura 68 Serie temporali di portata umid
196. stituisce un indicatore preliminare dell accuratezza dell analisi che confronta i valori conosciuti con il valore misurato dallo spettroscopio Secondo questo schema ogni fialetta viene campionata sei volte e le prime due misure sono scartate per ridurre l effetto memoria ovvero l influenza del precedente campione sul contenuto isotopico Quindi il valore ottenuto si basa sulla media delle ultime quattro iniezioni Ogni analisi inizia con un falso campione dummy sample per preparare la linea di trasferimento dall autoiniettore all analizzatore e per stabilizzare il sistema mentre le ultime fialette sono riempite con acqua deionizzata per pulire la siringa IAEA 2009 Gli standard sono raggruppati in triplette i campioni sono posizionati tra gli standard ed organizzati in vari gruppi aventi ciascuno cinque acque sconosciute ii Schema B considera un equazione di calibrazione basata sull interpolazione di tre standard Lo schema inizia con 36 iniezioni di acqua deionizzata per pulire la siringa e per portare la macchina alla temperatura di esercizio Successivamente ciascun campione viene prelevato 6 volte la prima misura viene scartata e viene calcolata una media preliminare sui rimanenti cinque valori Allo scopo di evitare l influenza di potenziali outliers vengono escluse le due misure con il pi alto scostamento dalla media preliminare e le rimanenti tre vengono mediate per ottenere il rapporto isotopi
197. t paesaggistiche discrete e determinando la percentuale di area riparia e di versante possibile valutare il contributo relativo di acqua riparia acqua di evento e pre evento originata dalle aree riparie e acqua di versante acqua di evento e pre evento originata dalle aree soprastanti e di versante rispetto al deflusso totale di bacino McGlynn 2005 La Fig 64 mostra che la maggior parte dei bassi coefficienti di deflusso sotto la soglia di umidit del 45 sono inferiori a 0 09 o 9 un valore molto simile all estensione dell area riparia 8 6 Tale osservazione confermata anche dai 58 eventi di pioggia monitorati nel biennio 2010 2011 Fig 67 e Tab 20 in cui il contenuto idrico del suolo stato misurato ogni 15 minuti dal 5 giugno al 20 ottobre 2010 e dal 10 maggio al 27 ottobre 2011 per mezzo di 15 sonde EC 5 basate sulla tecnologia FDR Solo due eventi cerchiati in nero in Fig 67 8 e 10 agosto 2010 a carattere di forte rovescio temporalesco si discostano da tale trend a causa della saturazione dall alto dovuta ad elevata intensit di precipitazione Nel biennio 2010 2011 il valore soglia di umidit pari al 49 5 diverso dal 45 rilevato nel biennio 2005 2006 a causa del diverso tipo di sonde utilizzate e di calibrazione nonch al differente sito di installazione 88 Questo comportamento a soglia suggerisce che bassi coefficienti di deflusso derivati da piogge modeste in condizioni antecedenti secche s
198. ta E Pioggia 700 Falda 8 800 340 88 5 12 0 330 ang A E d 320 12 2 89 5 7 300 90 0 f 124 o 0 N co im o A 290 5 90 5 280 12 6 6 e aH 91 0 270 e o e Conducibilit 260 91 5 12 8 25 10 11 9 00 26 10 11 1 00 26 10 11 17 00 27 10 11 9 00 Tempo Figura 115 Variazione isotopica di idrogeno ossigeno e conducibilita elettrica nel Rio Ponte durante l evento di pioggia del 25 26 ottobre 2011 340 330 320 310 300 290 280 Conducibilit elettrica uS cm 270 260 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Portata l s Figura 116 Relazione ad isteresi tra la portata del Rio Ponte e la conducibilit elettrica per l evento di pioggia del 25 26 ottobre 2011 127 6 5 Separazione dell idrogramma di pioggia in due componenti Come per le separazioni degli idrogrammi da fusione nivale il contributo relativo di acqua pre evento e di acqua di evento stato quantificato applicando al deuterio e all ossigeno il modello di separazione dell idrogramma in due componenti La composizione isotopica del torrente prima dell episodio di pioggia stata utilizzata come valore integrato della composizione isotopica di acqua pre evento I risultati in accordo con precedenti studi riportati in letteratura evidenziano come il maggiore contributo al deflusso totale derivi da acqua pre evento Tab 25 e Fig 117a 117b 117c La frazione di acqua pre evento vari
199. ta dalla Hamilton Company Reno Nevada USA per l iniezione del campione d acqua in una porta riscaldata Fig 45 Tutti i campioni d acqua e gli standard di riferimento sono immessi in una fialetta ND8 32 x 11 6 mm da 1 5 ml con tappi dotati di setti in PTFE silicone PTFE Fig 45 Le fialette vengono riempite con 1 ml di acqua e posizionate nelle 54 posizioni del vassoio che a sua volta verr riposto nell alloggio dell autoiniettore 50 Figura 45 Tappi con setti e fialette sinistra e siringa destra usati per le analisi di laboratorio Secondo le specifiche tecniche della casa costruttrice Los Gatos Research Inc 2008 l analizzatore degli isotopi dell acqua DLT 100 908 0008 fornisce misure con una precisione 1 0 inferiore allo 0 6 o per 5 H e 0 2 o per 8 O I quattro analizzatori in questo test sono nominati I II III e IV Lo strumento IV un modello aggiornato Ulteriori informazioni inerenti i principi di funzionamento della tecnica OA ICOS sono riportati in Sayres et al 2009 Wang et al 2009 Baer et al 2002 e Paul et al 2001 L analisi tramite spettrometria di massa dei campioni d acqua stata condotta nel laboratorio di geochimica isotopica presso il Dipartimento di Geoscienze dell Universit di Trieste Le misure relative agli isotopi di ossigeno e idrogeno sono state eseguite mediante la tecnica di equilibrazione dell acqua CO H Epstein e Mayeda 1953 Horita et al 1989 Il di
200. ta media del suolo a 0 30 cm e portata per vari eventi in condizioni antecedenti secche a e umide b P precipitazione cumulata di evento 93 5 9 Connessione idrologica tra area riparia e versante Durante il 2010 e 2011 il livello medio della falda nel bacino del Rio Ponte stato monitorato attraverso 6 piezometri della Trutrack installati sia in area riparia sia in area di versante di Piramide ed Emme Il monitoraggio continuo della falda ha permesso una maggior comprensione dei processi del deflusso sottosuperficiale sia in termini quantitativi che temporali e in generale del livello di saturazione del suolo in occasione di eventi meteorici di diversa entit Nel corso della stagione estiva del 2011 stata effettuata una ricollocazione dei piezometri che sono stati quindi installati secondo tre transetti anche sulla parte alta del bacino del Rio Ponte sia in area riparia che in area di versante I piezometri ripari ammontano a 11 quelli di versante a 8 Appare evidente Fig 70 che nel corso della stagione estiva luglio agosto settembre la falda di versante molto pi bassa di quella riparia prossima al torrente AI contrario nel corso della tarda primavera in post fusione e in autunno i livelli della due falde sono tendenzialmente pi vicini tra loro suggerendo quindi una maggior connessione delle due falde riparia versante in condizioni umide Fig 70 Tale condizione potrebbe avvalorare l ipotesi per cui in condizioni
201. ta una relazione apparente tra accuratezza e precisione dei due isotopi dell acqua Quindi una buona qualit di misura dello spettroscopio per il contenuto isotopico dell idrogeno non garantisce un altrettanta buona affidabilit per l ossigeno o viceversa 4 9 Precisione Precedenti studi hanno rivelato stime differenti per quanto riguarda la precisione dello spettroscopio Aggarwal et al 2006 riportano un grado di precisione del 1 o per l idrogeno e 0 3 o per l ossigeno mentre Lis et al 2008 suggeriscono un analisi sistematica dei campioni e una procedura di normalizzazione dei dati che portano ad una precisione del 0 22 o per 3 H e 0 16 o per 5 0 Alcuni recenti studi hanno indicato valori differenti per la deviazione standard 1 o I ricercatori della sezione di isotopia idrologica della IAEA hanno determinato una precisione di circa 1 o per 8 H e 0 2 o per 8 O IAEA 2009 mentre Lyon et al 2009 hanno ottenuto una precisione di 0 37 o per l idrogeno e 0 12 o per l ossigeno per il modello DLT 100 908 0008 dopo aver misurato uno standard di riferimento a contenuto isotopico noto per oltre sei mesi Nell analisi comparativa oggetto del presente lavoro stata osservata una forte differenza nella precisione tra i vari spettroscopi La Tab 10 presenta una statistica base per i valori di deviazione standard ottenuti per le misure di 3 H e 3 O per il dataset dei 49 campioni Il comportamento variabile dei
202. ti 1sOfopicrambicnta ls sure ala 27 3 1 delta Soto Pied ai s csvce eucetae ta estes eA ested ete cea ed E eae 28 3 2 Il frazionamento isotopico all equilibrio iaia ina 29 3 3 Il ifrazionamento1sdtopico cinetico iure ata 29 3 4 La linea meteorica globale GMWE osi iridati 33 3 5 L linea meteorica locale LMMWL minori ia AE A aces 36 3 6 Relazione tra idrogeno e ossigeno nei campioni d acqua 38 3 7 Separazione dell idrogramma in due componenti 40 3 8 Campionamento della piossia rustici udita 42 3 9 Campionamento della never eee aa 45 3 10 Prelievo dei campioni d acqua da falda e torrente iliail ea 47 Capitolo 4 Riproducibilit e ripetibilit delle misure mediante spettroscopia ad assorbimento laser per le analisi isotopiche di 57H e 5 O in 49 4 1 Analizzatore di isotopi OA ICOS e IRMS 50 42 CAMPION os use ea a aa 52 4 3 Sehembrdi anali OA ICO Satiri dii a nants bute E E E 54 44 Test SUAS UCL solai eri aa PaSa a Tiaa 55 4 5 Correlazioni e scostamenti OA ICOS IRMS 56 4 6 Significativit statistica degli scostamenti OA ICOS IRMS e schemi analitici 60 4 7 Variabilit tra gli analizzatori e relazione con la composizione isotopica del campione 61 48 Esempi di miscela eee 63 4 9 PTECISIONE ale a aae ra aai 64 4 10 Miglioramento della precisione e dell accuratezza
203. to mentre l acqua nuova quella dovuta alla precipitazione incidente e include quella che cade direttamente sul corso d acqua il deflusso superficiale e il deflusso sottosuperficiale rapido che si muove velocemente nei macropori e che pu quindi riflettere una volta giunto nel torrente la composizione isotopica della pioggia Tale separazione pu essere descritta mediante l equazione del trasporto in condizioni di moto permanente per l acqua ed i traccianti Sklash e Farvolden 1979 OO FO 0 0 9 0 0 7 O O 6 0 O dove Q deflusso totale Qo acqua vecchia Qn acqua nuova t concentrazione isotopica acqua del torrente do concentrazione isotopica acqua vecchia dn concentrazione isotopica acqua nuova Per definizione prima della curva di accrescimento dell idrogramma l influenza dell acqua di evento sulla concentrazione isotopica del deflusso totale viene assunta trascurabile per cui possibile assegnare la concentrazione isotopica dell acqua pre evento pari a quella del deflusso totale nel suddetto istante Hooper e Shoemaker 1986 Per l applicazione del suddetto metodo sussistono alcune condizioni base Ogunkoya et al 1993 1 la concentrazione isotopica delle varie acque sono distinguibili poich ogni fonte idrica ha una sua identit isotopica 2 l identit isotopica si mantiene costante nel transito dell acqua dalla riserva fino al corso d acqua e var
204. ui Ayo gt 0 e Ayo lt 0 rispettivamente 55 Per quantificare la significativit statistica degli scostamenti tra le misure OA ICOS e IRMS stato applicato un t test a un campione per confrontare la media di ciascuna serie di scostamenti al valore ipotizzato uguale a zero nessuno scostamento tra misure da spettroscopio e da spettrometro E stato adottato un approccio integrato per testare la normalit di ciascuna serie di scostamenti Primo sono stati utilizzati istogrammi di frequenza e grafici di probabilit normale per verificare visivamente lo scostamento potenziale di ciascuna distribuzione dalla campana teorica gaussiana Secondo sono stati effettuati dei test di normalit di Shapiro Wilk Kolmogorov Smirnov e Anderson Darling L applicazione combinata di questi approcci riduce la possibilit di rifiutare una serie a distribuzione normale come una non normale o viceversa Poich queste analisi preliminari mostrano l allontanamento di alcuni scostamenti OA ICOS IRMS dalla distribuzione gaussiana stato applicato un approccio non parametrico per valutare statisticamente la differenza tra le misure OA ICOS e spettrometro di massa Allo scopo stato applicato il t test a un campione per le serie di scostamenti normalmente distribuiti mentre il sign test a un campione stato applicato per la distribuzione non normale degli errori Assumendo che l ipotesi nulla consista nell assenza di differenza tra osservato e la
205. uindi sono stati plottati su un grafico O H rispetto alla linea meteorica globale della precipitazioni GMWL I campioni di pioggia si dispongono lungo una retta avente pendenza molto simile alla GMWL a testimonianza del fatto che queste acque non hanno subito frazionamenti da evaporazione essendo state ben conservate prima dell analisi in laboratorio Fig 31 Lo stesso vale per i campioni di fusione nivale che ben riflettono la composizione isotopica della neve da cui derivano indice che i processi che normalmente portano ad una diminuzione della pendenza rispetto alla GMWL evaporazione sublimazione fusione e successivo ricongelamento scambi alla superficie del manto nevoso con vapore atmosferico appaiono trascurabili Anzi la pendenza superiore a 8 indicherebbe un probabile processo di ricondensazione del vapore derivato dalla sublimazione sui cristalli di neve e conseguente arricchimento in tali molecole di acqua che divengono cos pi pesanti Rose et al 1999 5180 0 87H 0 GMWL Pioggia Acqua di fusione Figura 31 Relazione ossigeno e idrogeno per 1 campioni d acqua della pioggia e di fusione nivale raccolti nel biennio 2010 2011 I campioni di torrente durante la fusione nivale riflettono fedelmente la precipitazione solida rivelando cos l importante ruolo svolto dalla fusione nei confronti del deflusso del bacino in esame Al contrario i campioni del Rio Ponte durante le piogge sono molto deviati dal
206. utilizzato costituito da due sensori di pressione assoluta il sensore di profondit misura il livello dell acqua mentre le variazioni della pressione barometrica sono misurate e compensate con il sensore della pressione atmosferica Con apposite formule di conversione e mediante la scala delle portate definita nel corso delle campagne di misura del 2008 il livello idrometrico viene trasformato in portata l s 2 3 Monitoraggio del livello di falda Il livello di falda stato misurato mediante piezometri equipaggiati con un sensore capacitivo di livello dell acqua Trutrack Nuova Zelanda registranti ogni 15 minuti Fig 14 Il piezometro viene inserito in un tubo in PVC rigido fessurato e rivestito di tessuto non tessuto per la parte in falda Tra il tubo ed il suolo viene immesso materiale granulare ghiaia o argilla espansa in modo da realizzare un filtro poroso attorno al tratto di colonna forato A livello del suolo viene quindi posto uno strato di bentonite attorno al tubo per evitare l entrata dell acqua di pioggia nella falda In superficie il tubo viene chiuso con un tappo per proteggere il datalogger posto nella testa del piezometro e sempre per evitare l ingresso della pioggia Fig 15 Figura 14 Sonda capacitiva del piezometro Figura 15 Esempio di piezometro bentonizzato Questi strumenti hanno consentito di controllare le variazioni del livello di falda con continuit Le profondit monitorate sono
207. y feedback hypothesis during snowmelt Journal of Hydrology 219 188 205 Kendall C McDonnell J J Gu W 2001 A look inside black box hydrograph separation models a study at the Hydrohill catchment Hydrological Processes 15 1877 1902 Kirchner J W A double paradox in catchment hydrology and geochemistry Hydrol Processes 17 871 874 2003 Kirchner J W 2009 Catchments as simple dynamical systems Catchment characterization rainfall runoff modeling and doing hydrology backward Water Resources Research 45 W02429 doi 10 1029 2008WR00691285 91 Kobayashi D Ishii Y Kodama Y 1999 Stream temperature specific conductance and runoff process in mountain watersheds Hydrological Processes 13 865 876 Koeniger P Hubbart A J Link T Marshall J D 2008 Isotopic variation of snow cover and streamflow in response to changes in canopy structure in a snow dominated mountain catchment Hydrological Processes vol 22 557 566 La Bolle E M Fogg G E Eweis J B Gravner J Leaist D G 2008 Isotopic fractionation by diffusion in groundwater Water Resources Research VOL 44 W07405 doi 10 1029 2006WR005264 Ladouche B Probst A Viville D Idir S Baqu D Loubet M Probst J L and Bariac T 2001 Hydrograph separation using isotopic chemical and hydrological approaches Strengbach catchment France Journal of Hydrology 242 255 274 Latron J Gallart F 2008 Runoff generation pro
208. zione di una relazione a soglia tra umidit del suolo e deflusso ed influenza della topografia del bacino sul medesimo effetto soglia 2 analisi delle dinamiche temporali dell umidit del suolo portata e falda che caratterizzano le risposte del bacino alle piogge con diverse condizioni di umidit antecedente 3 esame dell effetto combinato delle condizioni antecedenti di umidit e della cumulata di pioggia sul deflusso ripario e da versante I risultati evidenziano il forte controllo esercitato dall umidit del suolo sul deflusso esiste una chiara soglia nella relazione tra contenuto idrico del suolo e il coefficiente di deflusso portata e il livello medio di falda sul versante Valori modesti del coefficiente di deflusso sono in genere associati alla risposta della sola area riparia che quasi sempre vicina alla saturazione Elevati 5 coefficienti di deflusso si verificano in associazione con condizioni antecedenti umide quando in genere viene superato il valore soglia di umidita In quest ultimo caso si attiva il deflusso sottosuperficiale di versante che diventa il principale contributo del deflusso totale Infine l influenza delle condizioni antecedenti di umidit sul deflusso agisce anche nella relazione tra cumulata di pioggia e deflusso totale Piogge modeste associate a condizioni antecedenti secche producono poco deflusso quasi esclusivamente per deflusso superficiale da aree riparie prossime alla saturazione Invece
209. zione nell altimetria da cui un debole o nullo gradiente isotopico verticale Figura 37 Recipiente con imbuto per la raccolta di piogge nel lungo periodo 43 sc i SH devst 5O devst Posizione pluvio Sec 8 e 550 Sc PERIODO PLUVIO ALTO 76 4 0 30 11 5 0 16 24 maggio 2011 15 giugno 2011 PLUVIO BASSO 76 2 0 15 11 2 0 08 PLUVIO ALTO 52 3 0 47 7 9 0 08 15 giugno 2011 8 agosto 2011 PLUVIO BASSO 52 1 0 38 7 5 0 04 PLUVIO ALTO 60 2 0 40 9 3 0 06 8 agosto 2011 25 ottobre 2011 PLUVIO BASSO 60 3 0 65 8 8 0 06 PLUVIO ALTO 27 mm 119 9 0 68 16 5 0 07 Evento 25 10 2011 vedi Tab 4 PLUVIO BASSO 27 mm 119 9 0 53 16 2 0 14 Tabella 5 Contenuto isotopico dei campioni di pioggia di lungo periodo nel bacino del Rio Ponte Per i campioni di pioggia riportati in Tab 5 stata preventivamente aggiunta della vaselina sul fondo del recipiente lolio rimane sopra l acqua grazie al minor peso specifico per evitare indesiderati processi evaporativi nei confronti della pioggia prima che venga portata in laboratorio Fig 38 5D o Figura 38 Prova di evaporazione in laboratorio nessuna 58 7 protezione 60 4 62 64 4 66 4 olio vegetale 60 62 64 66 4 Sm am e vaselina oH He e e Lison en ew LO LZ L0 E 4 L0 S7 4 L

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