Applicazione di modelli integrati lago‑bacino per l’analisi degli impatti sinergici del cambiamento climatico e delle pressioni antropiche su un lago temperato moderatamente poco profondo: il caso del Lago di Pusiano e della sua recente evoluzione trofica

Lakes are fragile ecosystems susceptible to multiple environmental issues. A major one is climate change, which heats water, altering chemical and biological equilibria and modifying the mixing regime, preventing nutrients and dissolved oxygen from being distributed along the water column. Climate change manifests itself not only as a steady temperature increase, but also through extreme events such as droughts and heatwaves. These events can lead to intense stratification and prolonged water stagnation, promoting phosphorus release from sediments under hypolimnetic anoxia. This worsens the lake trophic state, hampering past re‑oligotrophication efforts. Mild winters increasingly brought by climate warming further create conditions for algal blooms to persist year‑round. Another concern is combined‑sewer overflows (CSOs), which act as point sources of untreated sewage during rainfall events or system failures. A further issue is the limited possibility of intercepting diffuse loads before they reach lakes, with significant reductions achievable only by decreasing inputs at the source. Moderately deep lakes are more susceptible than shallow or very deep ones to droughts and heatwaves. Their depth allows stratification to develop, yet their volume responds quickly to climate change, enabling rapid hypolimnetic anoxia and internal nutrient release due to the moderate ratio between lake volume and bottom surface. In Europe, regional authorities have developed water protection plans in response to the Water Framework Directive (WFD). In Italy, standards also consider total phosphorus at spring mixing. However, targets set in past decades must be updated to account for residual anthropogenic pressures and climate change. Numerical lake‑watershed models, especially process‑based ones, are valuable tools for supporting governance in planning interventions, as they incorporate variable physical, chemical and ecological conditions together with meteorological and climatic drivers. The aim of this thesis was to produce evolutive estimations of water quality through hydrodynamic and ecological models for subalpine lakes in Lombardy, focusing on Lake Pusiano. Near‑future evolution of phosphorus at spring mixing and internal/external nutrient loads in response to external factors was quantified. Particular attention was given to anthropogenic pressures from the catchment and climate change effects, including extreme events. Reduction scenarios of external loads were also considered. The work used several complementary models: 1) the one‑dimensional WET model for long‑term ecological‑hydrodynamic simulations; 2) the SWAT+ eco‑hydrological model to reproduce external nutrient loads; 3) the Delft3D D‑Flow three‑dimensional hydrodynamic model.

I laghi sono ecosistemi fragili, suscettibili a molteplici problematiche ambientali. Una delle principali è il cambiamento climatico, che riscalda l’acqua alterando gli equilibri chimici e biologici e modificando il regime di mescolamento, impedendo la distribuzione di nutrienti e ossigeno lungo la colonna d’acqua. Il cambiamento climatico si manifesta anche attraverso eventi estremi come siccità e ondate di calore, che possono portare a forte stratificazione e ristagni prolungati, favorendo il rilascio di fosforo dai sedimenti in condizioni di anossia ipolimnica. Ciò peggiora lo stato trofico del lago, mentre inverni più miti favoriscono la persistenza delle fioriture algali. Un’ulteriore fonte di preoccupazione è rappresentata dagli sfioratori di piena delle reti fognarie miste (CSO), che possono scaricare acque non trattate nei laghi durante eventi piovosi o malfunzionamenti. Inoltre, la riduzione dei carichi diffusi è possibile solo intervenendo sulle fonti. I laghi moderatamente profondi sono particolarmente vulnerabili a siccità e ondate di calore: la loro profondità consente la stratificazione ma non garantisce inerzia termica, favorendo rapidi episodi di anossia e rilascio di nutrienti. In Europa sono stati sviluppati piani di tutela delle acque in risposta alla Direttiva Quadro sulle Acque (WFD). In Italia, gli standard includono le concentrazioni di fosforo totale al mescolamento primaverile, ma gli obiettivi fissati in passato devono essere aggiornati considerando pressioni antropiche residue e cambiamento climatico. I modelli numerici lago bacino, soprattutto quelli basati sui processi, sono strumenti fondamentali per supportare la pianificazione e la gestione, integrando condizioni fisiche, chimiche, ecologiche e climatiche. L’obiettivo di questa tesi è stato stimare l’evoluzione della qualità delle acque dei laghi subalpini lombardi tramite modelli idrodinamici ed ecologici, con particolare attenzione al Lago di Pusiano. Sono state valutate l’evoluzione delle concentrazioni di fosforo al rimescolamento primaverile e le dinamiche dei carichi interni ed esterni in risposta ai cambiamenti dei fattori esterni, con attenzione alle pressioni antropiche e agli effetti del clima, inclusi eventi estremi. Sono stati considerati anche scenari di riduzione dei carichi esterni. Il lavoro ha utilizzato tre modelli complementari: 1)il modello monodimensionale WET per simulazioni ecologico idrodinamiche di lungo periodo; 2) il modello eco idrologico SWAT+ per riprodurre i processi che determinano il carico esterno dal bacino; 3)il modello tridimensionale Delft3D D Flow per analizzare circolazioni e rinnovo idrico in condizioni di forte stratificazione estiva. La ricerca è stata sviluppata in seguito al marcato declino trofico osservato nel Lago di Pusiano dopo la prolungata siccità 2021–2023, con l’obiettivo di chiarire le catene causa effetto che hanno portato a tali condizioni.