I sistemi di informazione geografica (GIS) hanno trasformato lo studio dei sistemi fluviali, fornendo una piattaforma dinamica per catturare, memorizzare, analizzare e visualizzare i dati spaziali che descrive il percorso dell'acqua dalle acque reflue all'oceano. I sistemi fluviali sono tra le caratteristiche paesaggistiche più complesse e vitali della Terra, servendo come arterie per il trasporto delle acque dolci, il movimento dei sedimenti, i cicli nutrienti e la connettività ecologica.

Comprendere le sorgenti e i spartiacque del fiume

L'origine di un fiume, spesso una sorgente, un ghiacciaio che si scioglie o una vespa in un'acqua di testa montana, è il punto di partenza per una cascata di processi idrologici. GIS consente un'identificazione precisa di queste aree di origine utilizzando modelli di elevazione digitale (DEMs) e analisi topografiche.

I confini dello spartiacque, chiamati anche dipartimenti di drenaggio, sono unità critiche per la gestione delle risorse idriche, la pianificazione del terreno e il monitoraggio ambientale.

Oltre alla mappatura dei confini, GIS aiuta a caratterizzare le aree di origine analizzando pendenza, aspetto, copertura del suolo e tipo di suolo. Questi attributi influenzano come le precipitazioni si disintegrano contro infiltrandosi in acque sotterranee, un fattore chiave nel flusso di base contributi ai fiumi.

Mapping River Networks e modelli di flusso

Una volta individuate le aree di origine, GIS fornisce il quadro per la costruzione di reti fluviali dettagliate che mostrano la gerarchia dei canali dai flussi di primo ordine ai fiumi principali. Queste reti sono derivate da DEMs applicando soglie di accumulo di flusso: le celle che accumulano un certo numero di celle a monte diventano parte della rete di drenaggio. Le caratteristiche di linea che ne risultano rappresentano flussi di ordini diversi, spesso classificati utilizzando i sistemi di ordine di flusso Strahler o Shreve per la rete.

Le reti fluviali GIS non sono linee statiche; possono essere attribuite a dati idrologicamente significativi come la direzione del flusso, la pendenza, la larghezza del canale e l'area di drenaggio cumulativo. Questi attributi consentono l'analisi del profilo longitudinale, che traccia l'elevazione di un fiume lungo la sua lunghezza.

Gli strumenti di analisi della rete GIS possono calcolare il percorso di flusso più breve tra due punti, simulare i tempi di viaggio inquinanti e calcolare il tempo di concentrazione per la modellazione delle inondazioni. Queste rappresentazioni di rete basate sul vettore si integrano perfettamente con le griglie di flusso basate su raster, creando una doppia rappresentazione che cattura sia il campo continuo del movimento dell'acqua che la struttura del canale discreto.

Analisi dell'impatto umano e cambiamenti ambientali

Dams e Reservoirs

GIS permette ai ricercatori di mappare le posizioni di diga, calcolare le capacità di stoccaggio del serbatoio e analizzare la frammentazione delle reti fluviali.

Sviluppo urbano e cambiamento di territorio

L'urbanizzazione trasforma i sistemi fluviali aumentando le superfici impervie, che accelerano il deflusso superficiale e riducono l'infiltrazione. GIS consente di rilevare i cambiamenti di utilizzo del suolo ad alta risoluzione nel tempo utilizzando immagini satellitari (Landsat, Sentinel-2) e algoritmi di classificazione supervisionati.

Ritiro dell'agricoltura e dell'acqua

Le pratiche agricole alterano i sistemi fluviali attraverso le diversificazioni dell'irrigazione, le modifiche al drenaggio e il deflusso chimico. I dati relativi all'uso del suolo basati su GIS, combinati con database di diritti dell'acqua e registri dei manometro, consentono ai ricercatori di valutare l'uso dell'acqua potabile e valutare l'impatto dei modelli di coltura sul bilancio idrico.

Cambiamento climatico

Il cambiamento climatico sta spostando i modelli di precipitazioni, l'accumulo di snowpack e lo scioglimento glaciale, che influenzano direttamente i flussi fluviali in tutto il mondo. GIS è utilizzato per ridurre le uscite di modelli climatici globali alle scale di spartiacque, producendo proiezioni spaziali esplicite di temperatura e precipitazioni. Queste proiezioni possono essere combinate con le caratteristiche di spartiacque derivate da DEM per modellare i regimi di flusso di massa futuri, compresi i flussi di picco nei fiumi di neve

Applicazioni in Conservazione e Gestione

GIS fornisce la spina dorsale analitica per una vasta gamma di applicazioni di conservazione e gestione del fiume. La tabella seguente riassume le applicazioni chiave e le specifiche tecniche GIS impiegate:

  • Valutazione del rischio di inondazione:[ GIS integra mappe di inondazione derivate da modelli idraulici (ad esempio, HEC-RAS) con dati di uso terra, dati di censimento e livelli di infrastrutture per identificare popolazioni vulnerabili e strutture critiche.
  • Monitoraggio della qualità dell'acqua:[ I metodi di interpolazione spaziale come il kriging e la ponderazione della distanza inversa sono applicati a misurazioni di punto da stazioni di qualità dell'acqua per stimare le concentrazioni inquinanti attraverso uno spartiacque.
  • Conservazione degli habitat:[[]] L'analisi di sovrapposizione e idoneità ponderata aiuta a privilegiare i risultati di protezione o restauro basati su criteri quali larghezza del corridoio ripariano, complessità dei canali, presenza dei pesci e connettività idrologica.
  • Risorsa allocazione:[] Analisi delle decisioni multicriteria (MCDA) all'interno di GIS aiuta i gestori dell'acqua a destinare risorse limitate per la rimozione della diga, il ripristino del flusso o la creazione di zone umide.
  • Gestione dell'erosione e dei sedimenti:[] Modelli di trasporto dei sedimenti basati su GIS (ad esempio, Equazione Universale perdita del suolo revisionata integrata con GIS) stimano la perdita del suolo dalle colline e la consegna ai flussi.

Tecniche GIS avanzate per i sistemi fluviali

Topografia LiDAR e ad alta risoluzione

Light Detection and Ranging (LiDAR) ha rivoluzionato gli studi del fiume fornendo dati di elevazione di submetri che rivelano caratteristiche sottili del canale come barre, terrazze e erosione della banca.

Rilevamento a distanza della qualità dell'acqua e della temperatura

Le immagini multispettrali e termiche satellitari (Landsat, MODIS, Sentinel-2, ECOSTRESS) vengono utilizzate con GIS per mappare i parametri di qualità dell'acqua come la turbidità, la concentrazione di clorofilla e la temperatura dell'acqua superficiale attraverso l'intero fiume raggiunge.

Analisi e Rilevazione del Cambiamento Serie Time

Le piattaforme GIS ora incorporano robuste capacità di serie temporali, permettendo ai ricercatori di analizzare decenni di osservazioni Landsat o Sentinel per monitorare la migrazione dei canali fluviali, la crescita delta e l'inondazione della lamina. Utilizzando strumenti come ArcGIS Pro’s Change Analyst o pacchetti open-source (ad esempio, Google Earth Engine), si possono quantificare i tassi di erosione del fiume, aggradazione e avulsione.

Integrazione di modelli idrologici

GIS non esiste in isolamento; forma il quadro spaziale per modelli idrologici deterministici. Strumenti come HEC-RAS, SWAT e MIKE SHE sono strettamente accoppiati con GIS per la parametrizzazione, la simulazione e la visualizzazione. I flussi di lavoro moderni utilizzano GIS per creare file di input, eseguire modelli all'interno degli ambienti GIS e mappare le uscite.

Case study: Il bacino del fiume Mississippi

Il fiume Mississippi, il più lungo sistema fluviale del Nord America, fornisce un eccellente esempio di applicazioni GIS dalla fonte al mare. A partire dal lago Itasca, Minnesota, i confini del bacino derivato dal GIS mostrano il bacino che drenano 3,2 milioni di chilometri quadrati in 31 stati.

Le direzioni future

La tecnologia GIS continua ad evolversi, l'analisi del sistema fluviale beneficerà di integrazione dei dati in tempo reale tramite i sensori Internet of Things (IoT), l'intelligenza artificiale per l'estrazione automatica delle caratteristiche e l'elaborazione basata su cloud per gli studi su scala bacino.