Climate change as main driver of centennial decline in river sediment transport across the Mediterranean region

The analysis of suspended sediment transport and of its variations over time is crucial for understanding environmental evolution and it is the key to future challenges caused by current global warming. The Mediterranean area is a hot spot for global changes, and the variation of precipitation amount and intensity will modify the environment of this region. In this work, we analyse the time series of suspended sediment transport of two rivers located in central Italy by using statistical and artificial intelligence techniques. Our study aims to re-analyze time series of suspended sediment transport, in order to demonstrate that climate change is responsible for the substantial decrease in the amount of sediment over the past century, in relation to the atmospheric teleconnections of the North Atlantic. Anthropic pressures like reforestation, land use change, and dam building have influenced the sediment transport capacity of rivers, causing a reduction of sediment concentration in water. These results are key factors to determine the future management of the Mediterranean areas, where the future scenarios predict a greater drop in yearly precipitation, and therefore a possible further decrease in the sediment transport capacity of the rivers, with major consequences for coastal and fluvial environments

Exploring the Relationship between River Discharge and Coastal Erosion: An Integrated Approach Applied to the Pisa Coastal Plain (Italy)

Coastal erosion coupled with human-induced pressure has severely affected the coastal areas of the Mediterranean region in the past and continues to do so with increasing intensity today. In this context, the Pisa coastal plain shows a long history of erosion, which started at the beginning of the nineteenth century. In this work, shoreline positions derived from historical maps as well as airborne and DGPS (Differential Global Positioning System) surveys were analyzed in a GIS (Geographic Information System) environment to identify the main changes that have occurred in the last 142 years. These analyses were compared with 100 years of discharge data measured at the S. Giovanni alla Vena gauge to identify a possible correlation between the two sets of information. Finally, Sentinel-2 and Landsat images were studied to identify the dispersion of sediments transported by the Arno River. In particular, we found a minimum of fluvial discharge in the years 1954, 1978, and 2012 corresponding to a peak of erosion, while the reduced erosion rate and the fluvial discharge increased in the years 1928–1944, 1954–1975, and after 2012. The qualitative anticorrelation between discharge and erosion is particularly true if we take into account flood events with a value of discharge greater than 700 m3/s, which are those able to transport suspended sand. The remote sensing analyses of Sentinel-2 images acquired during the floods of 6 February 2019 and 3 December 2019, under the most typical wind and sea state conditions for this area (wind coming from SW and storms coming from W/SW and SW) show that during these events a consistent amount of sediment was transported by the river. However, the majority of these sediments are not deposited along the coastline but are dispersed offshore. Grain-size analyses on the transported sediment show that plumes are formed by coarse-to-medium sand, suitable for coastal nourishment, but the reconstructed sediment dispersion lines show that some sectors of the coastline are constantly in the shade. These areas are the most affected by erosion

Moisture sources and climatic effects controlling precipitation stable isotope composition in a western Mediterranean island (Pianosa, Italy)

The Mediterranean basin is indicated as a hot spot of climate change, which is an area whose climate is especially responsive to variations. The insular environment is one of the most threatened by the current climate change, especially in terms of drought events, with serious consequences for water scarcity and water stress. This issue is even enhanced in small islands, whose ecosystems are among more sensitive to climatic changes and water availability. The stable isotope composition of hydrogen (delta 2H) and oxygen (delta 18O) in precipitation is globally recognized as a powerful natural tracer in the water cycle and represents the starting point to investigate hydrological processes. The understanding of the prevailing factors that drive the isotopic variability of precipitation in the Mediterranean is therefore essential to unravel the hydrological processes and to ensure proper and sustainable management of potentially vulnerable resources to climate change. Here, we discuss the results of multi-year isotopic monitoring in the period 2014-2021 of monthly precipitation collected on Pianosa Island (Italy), a small island located in the northern Tyrrhenian (western Mediterranean). The lower slope and intercept of the Local Meteoric Water Line of the island compared to the Global Meteoric Water Line indicated warmer and drier climatic conditions, suggesting the existence of sub-cloud evaporation processes of raindrops during precipitation, especially in summer. The mean delta 18O of precipitation was lower with respect to other sites placed at higher elevation in this Mediterranean region, due to the lack of summer precipitation which were generally enriched in heavy isotopes. Temperature and amount effects may explain part of the delta 18O variability observed at the monthly and seasonal scale. An HYSPLIT-based moisture uptake analysis indicated the area between the western Mediterranean basin, Italy, and the Adriatic Sea as the region that supplied most of the humidity associated with monthly precipitation samples on Pianosa Island. Less moisture was picked from the northwestern areas of Europe, the North Atlantic Ocean, the proximal Atlantic Ocean, the Iberian Peninsula and North Africa. Consistently with the rainout effect, the higher the moisture fraction picked from the more proximal regions, the more positive the delta 18O of precipitation occurring on Pianosa Island; conversely, the higher the percentage of moisture sourced from more distal regions, the more negative the delta 18O. A multiple linear model was proposed to predict the delta 18O of monthly precipitation from temperature, precipitation amount and moisture origin data, which explained 45% of the delta 18O variability. The deuterium excess variability on the island was partly controlled by the local climatic variables, whose effect potentially modifies the original d-excess signature imprinted at the moisture source. No relationship was found between the precipitation deuterium excess and moisture sources, suggesting that more attention should be paid when using the deuterium excess as a tracer of moisture origin, especially in the Mediterranean

A smart, multi-configuration, and low-cost system for water turbidity monitoring

Measuring the amount of suspended sediment in rivers is important for a better understanding of phenomena like soil erosion or floods. Since such phenomena are not spatially homogeneous, a distributed measurement approach is required to obtain fine-grained and realistic models. We designed and implemented a low-cost, flexible, and smart suspended sediment concentration monitor. The system only uses components that are easy to find and assemble. This, together with the reduced costs, enables the use of multiple instances for distributed monitoring. The system can operate according to different configurations, fixed or mobile, and using a variety of connection technologies, to possibly cover the various necessities that arise from the diverse installation sites. Each measuring unit automatically retrieves its operational parameters, easing the configuration of a possibly large distributed measurement syste

The Paleo‐Serchio River: history of floods between Lucca and Pisa during the Roman period

The reconstruction of flood frequency beyond the Instrumental Era is challenging and mostly based on historical sources, but it rarely covers more than the last 1000 years when abundant documentation is preserved. To investigate the long-term trends in flooding and obtain insight into current climatic changes it is necessary to extend these data to a larger number of rivers beyond the Instrumental Era and available period of historical documentation. In this paper we reconstruct the paleoflood record for the Roman Period of the Serchio River (Auser in antiquity, located in Northern Tuscany, Central Italy) using geoarcheological data. The complex hydrological evolution of the river and the development of the important cities of Lucca and Pisa on the river bank allowed an important collection of data, showing a prominent peak in flood activity during the 1st century ce, which seems to correspond to an increase in regional rainfall interpreted from speleothem proxies. A secondary peak is present in the 6th century ce, which corresponds locally with an increase in precipitation recorded by speleothems. The phases of increased flooding, when compared with present-day synoptical meteorological conditions, probably developed during a period of negative North Atlantic Oscillation (NAO) Index, and it is partially supported by comparison with paleoproxies for NAO. These findings confirm that an extensive collection of geoarcheological data, supported by geological and geomorphological investigation, represents a powerful tool to be integrated with historical data for the reconstruction of floods. The concomitance of local paleohydrological proxies can help in disentangling the origin of the signal from other causes

Analisi dell'incertezza dei parametri di input nella modellizzazione idraulica: un esempio nel bacino del F. Versilia (Toscana nord-occidentale)

L’aumento in frequenza ed intensità degli eventi metereologici estremi è una caratteristica dei nostri giorni (IPCC, 2014). Nel caso del dissesto idrogeologico, non può essere trascurato l’effetto combinato del cambiamento climatico e di quello, dominante, dovuto alla presenza e all’azione dell’uomo, dove l’uomo è, nello stesso tempo, causa ed elemento a rischio (MATTM, 2018). Proprio a causa della fragilità del sistema uomo-territorio i costi connessi alle perdite complessive sono aumentati con un trend estremamente significativo. I modelli idraulici hanno rivestito negli ultimi anni un ruolo sempre più importante nella pianificazione territoriale e nella definizione delle aree di pericolosità grazie al reperimento di dati e al progresso tecnologico. Infatti la direttiva INSPIRE ha reso disponibile una grande quantità di dati territoriali di forma e provenienza molteplice e il progresso tecnologico ha permesso una maggiore capacità computazionale consentendo l’ideazione e la realizzazione di simulazioni con estensione e risoluzione che sino a pochi anni fa erano impensabili. I modelli idraulici bidimensionali descrivono efficacemente la propagazione di onde di piena in alvei complessi caratterizzati da notevoli variazioni topografiche. Sono più complessi di quelli monodimensionali, richiedono maggiori informazioni di tipo topografico, idraulico e geomorfologico del territorio e un maggior investimento in risorse hardaware e software, ma, se correttamente utilizzati, rispondono in modo più coerente con la realtà fisica. Questi modelli sono utili per la predisposizione dei piani di assetto idrogeologico del territorio (PAI) consentendo di delimitare le aree esposte al pericolo di alluvione per eventi di piena eccezionali. Questo lavoro si propone di indagare il ruolo delle variabili necessarie alla costruzione di un modello idraulico di un bacino idrografico storicamente soggetto a rischio alluvionale con lo scopo di individuare quali siano gli strumenti necessari ad una corretta gestione del territorio. L’area sulla quale è stato svolto questo studio riguarda un settore del bacino idrografico del F. Versilia (Toscana NW, provincia di Lucca). Esistono numerosi studi del bacino idrografico del F. Versilia, in modo particolare dal punto di vista idraulico e idrogeologico, poiché da sempre è interessato da fenomeni di piena e di esondazione, talvolta disastrosi come l’ultimo grande evento avvenuto il 19 giugno 1996, quando si registrarono 14 vittime e ingenti danni alle infrastrutture. La particolarità della porzione di bacino idrografico studiato è quella di avere pendii molto ripidi e tempi di corrivazione molto brevi che, in aggiunta a precipitazioni annue tra le più elevate di tutta la penisola, fanno sì che si possano verificare fenomeni di piena e di esondazione. Non potendo modellizzare l’intero bacino idrografico con una buona risoluzione a causa della sua grande estensione, l’area di indagine è circoscritta alla parte montana del bacino con la sezione di chiusura posizionata a circa 1 km a valle dalla cittadina di Seravezza lungo l’asta fluviale del F. Versilia. La sezione di chiusura è posizionata in modo da comprendere la stazione idrometrica TOS02004029-Seravezza 2 del Settore Idrologico Regionale e permettere così il confronto dell’evento reale con quello simulato. Il modello idraulico bidimensionale scelto è il software FLO-2D Basic (liberamente scaricabile nella versione base), ed i file di input sono stati creati da esterno al software tramite strumenti GIS e codici in linguaggio di programmazione C++. Nel lavoro si simula l’evento di piena accaduto tra il 25 e il 26 ottobre 2011. Si è scelto un evento di piena poiché il fine di questo lavoro è testare la congruenza del modello con la realtà in funzione del variare dei parametri di input, ed un evento di esondazione introdurrebbe una ulteriore complessità che andrebbe a mascherare gli effetti della variazione di tali parametri. Tanto più per simulare un'esondazione sarebbe necessario un livello di dettaglio nel modello digitale del terreno, ad esempio lungo gli argini, che non è attualmente disponibile. Nella modellizzazione, la risoluzione del modello digitale del terreno (DTM) utilizzato come base topografica è di fondamentale importanza. Per questo si è resa necessaria la verifica della congruità del LiDAR utilizzato con le finalità di questo studio, attraverso la comparazione con un modello digitale della superficie (DSM) di estremo dettaglio realizzato usando come test site il tratto dell'alveo del Fiume Versilia compreso tra le località La Rotta e San Bartolomeo (Comune di Pietrasanta). La costruzione del modello è stata realizzata con la tecnica fotogrammetrica “Structure From Motion (SfM)” e con l’uso del GPS differenziale. In seguito, sono stati variati, nelle simulazioni, i parametri di infiltrazione del modello Green-Ampt (1911)(conducibilità idraulica (K), deficit di umidità nel suolo (Δθ) e capillarità (ψ)). Grandi variazioni dei parametri, corrispondenti a tipi di suolo molto diversi, non hanno comportato significativi cambiamenti nella curva dell’altezza dell’onda di piena. Si è inoltre verificato che la conducibilità idraulica è il parametro più influente nei processi di infiltrazione, in quanto le sue variazioni percentuali determinano i massimi discostamenti dalla curva della simulazione di base. Il coefficiente n di Manning compare nel modello sia per il flusso sul floodplain sia per il flusso nel canale. In entrambi i casi una variazione del parametro comporta una variazione percentuale dell’altezza d’onda e del suo tempo di arrivo. Nelle simulazioni, però, è importante considerare che i valori di n impostati sono soggetti a variazioni determinate dal numero massimo di Froude (FROUDC). Quest’ultimo è un parametro molto importante che fornisce stabilità alla simulazione limitando la velocità del flusso nelle celle in cui questa risulterebbe eccessiva aumentando n. Un valore basso di FROUDC permette una maggiore stabilità della simulazione ma sfalsa il risultato limitando eccessivamente il flusso e aumentando notevolmente la colonna d’acqua all’interno del canale. Quindi è necessario individuare un valore più basso di FROUDC al di sopra del quale la simulazione non è più soggetta a variazioni significative dell’altezza d’onda. Il parametro più importante è la precipitazione, che deve essere gestita nelle fasi preliminari della costruzione di un modello idraulico, non solo perché varia l’altezza d’onda con un’azione diretta, ma anche perché altera altri parametri che influenzano molto i calcoli compiuti dal software. Ad una variazione della precipitazione corrisponde un diretto e proporzionale cambiamento delle grandezze idrauliche calcolate dal software (es. altezza d’onda, portata). Oltre a questo, si è verificato come la quantità d’acqua, che nel caso simulato deriva tutta dalla precipitazione, influenzi il parametro n di Manning, che è funzione della colonna d’acqua e quindi delle precipitazioni. Da questo lavoro emerge che il numero delle stazioni pluviometriche è insufficiente per l’area di studio, mancano informazioni sul grado di fratturazione delle rocce e quindi della reale infiltrazione, il DTM utilizzato ha una risoluzione sufficiente per lo studio di un evento di piena, ma non per lo studio di un evento di esondazione. Inoltre, è stato necessario effettuare un rilievo di campagna al fine di determinare l’esatta posizione e il livello dello zero idrometrico della stazione idrometrica utilizzata come controllo nelle simulazioni. I modelli idraulici, che sono previsti dalla normativa nazionale per la gestione e la pianificazione territoriale, rispondono molto meglio nel caso di eventi molto intensi, piuttosto che nel caso di eventi canalizzati. Infatti, per eventi eccezionali, come quello del 19/06/1996, la quantità d’acqua in gioco è talmente grande che l’errore introdotto nei parametri di input e la risoluzione del DTM hanno minor influenza rispetto a quando l’apporto di acqua è minore come nel caso dell’evento di piena oggetto di questo lavoro. Le criticità avanzate nella costruzione di questo modello idraulico, riferito a un evento non eccezionale, sono analoghe a quelle degli altri modelli previsionali, tra cui quelli utilizzati dalle Autorità di Bacino. Come sottolineato precedentemente, gli eventi di piena con intensità e tempi di ritorno grandi sono meno influenzati dall’incertezza dei parametri di input, al contrario degli eventi di più modesta intensità e tempi di ritorno più piccoli. Per questo motivo è importante verificare l’estensione delle aree riconosciute nei PAI come zone allagabili con tempi di ritorno brevi (tra i 20 e i 50 anni) e l’errore associato. Su queste aree deve concentrarsi l’attenzione della comunità scientifica e delle autorità preposte, in quanto sono quelle che nel lungo periodo arrecano il maggior danno economico

Storm-Driven Geomorphological Changes on a Mediterranean Beach: High-Resolution UAV Monitoring and Advanced GIS Analysis

Coastal erosion is a growing concern in the Mediterranean region, where the combined effects of anthropogenic pressure, reduced fluvial sediment supply, and climate change-driven sea level rise and extreme storm events threaten the stability of sandy shorelines. This study examines the geomorphological impacts of the exceptional storm surge of 3 November 2023, associated with Storm Ciaran, which affected a vulnerable coastal segment north of the Morto Nuovo River in northern Tuscany (Italy). Using UAV-based photogrammetric surveys and high-resolution morphological analysis, we quantified shoreline retreat, dune toe regression, beach slope changes, and sediment volume loss. The storm induced an average shoreline retreat of over 5 m, with local peaks reaching 30 m, and a dune toe setback of up to 7 m. A net sediment budget deficit of approximately 1800 m3 was recorded, over 50% of the total volume added during soft nourishment interventions performed in the previous decade. Our findings highlight how a single high-energy event can match or exceed the annual average erosion rate, emphasizing the limitations of traditional shoreline-based monitoring and hard defense structures. This study highlights the importance of frequent, high-resolution monitoring focused on individual storm events, which is crucial to better understand their specific geomorphological impacts. Such detailed analyses help clarify whether long-term erosion trends are primarily driven by the cumulative effect of high-energy events. This knowledge is essential for identifying the most effective coastal protection strategies and for improving the design of defense structures. This approach is particularly relevant in the context of climate change, which is expected to increase the frequency and intensity of extreme events, making it imperative to base future planning on accurate, event-driven data

Influence of Topographic Resolution and Accuracy on Hydraulic Channel Flow Simulations: Case Study of the Versilia River (Italy)

The Versilia plain, a well-known and populated tourist area in northwestern Tuscany, is historically subject to floods. The last hydrogeological disaster of 1996 resulted in 13 deaths and in loss worth hundreds of millions of euros. A valid management of the hydraulic and flooding risks of this territory is therefore mandatory. A 7.5 km-long stretch of the Versilia River was simulated in one-dimension using river cross-sections with the FLO-2D Basic model. Simulations of the channel flow and of its maximum flow rate under different input conditions highlight the key role of topography: uncertainties in the topography introduce much larger errors than the uncertainties in roughness. The best digital elevation model (DEM) available for the area, a 1-m light detection and ranging (LiDAR) DEM dating back to 2008–2010, does not reveal all the hydraulic structures (e.g., the 40 cm thick embankment walls), lowering the maximum flow rate to only 150 m3/s, much lower than the expected value of 400 m3/s. In order to improve the already existing input topography, three different possibilities were considered: (1) to add the embankment walls to the LiDAR data with a targeted Differential GPS (DGPS) survey, (2) to acquire the cross section profiles necessary for simulation with a targeted DGPS survey, and (3) to achieve a very high resolution topography using structure from motion techniques (SfM) from images acquired using an unmanned aerial vehicle (UAV). The simulations based on all these options deliver maximum flow rates in agreement with estimated values. Resampling of the 10 cm cell size SfM-DSM allowed us to investigate the influence of topographic resolution on hydraulic channel flow, demonstrating that a change in the resolution from 30 to 50 cm alone introduced a 10% loss in the maximum flow rate. UAV-SfM-derived DEMs are low cost, relatively fast, very accurate, and they allow for the monitoring of the channel morphology variations in real time and to keep the hydraulic models updated, thus providing an excellent tool for managing hydraulic and flooding risks