La geoinformàtica Desalew Meseret Moges, del Departament de Geografia de l’Institut d’Ecologia i Ciències de la Terra de la Universitat de Tartu, és l’autora primera i corresponsal d’una recerca apareguda aquesta setmana a la revista Science of the Total Environment sobre l’impacte dels models digitals d’elevació en la descripció de la captació hidrològica. Els models digitals d’elevació (DEMs en l’acrònim anglès) són una de les principals entrades en el modelatge hidrològic. Meseret Moges et al. avaluen l’efecte de diverses opcions de DEMs sobre la delineació de corrent i captació i la simulació de flux de corrent en un model SWAT (Soil & Water Assessment Tool) en quatre regions geogràfiques diferents i en diversos terrenys. El funcionament dels DEMs era avaluat amb l’índex d’acord de Willmott i l’nRMSE (errors mitjans normalitzats). Meseret Moges et al. constaten que la selecció de DEMs té un major impacte en la delineació que no pas en la simulació. Els DEMs més fidels són AW3D30 i COP30. La precisió és superior quan es tracta de captacions muntanyoses i relativament àmplies. La coberta forestal també influeix, però sobretot és perquè se sol associar amb pendents més pronunciats.
Meseret Moges et al. han avaluat l’impacte de la tria de model digital d’elevació en la modelació hidrològica. Els models d’elevació que funcionen millor són AW3D30 i COP30; i els pitjors són HydroSHEDS i TanDEM. La tria de model afecta més la delineació de corrent i de captació més que no pas la simulació dels fluxos de corrent. Els errors són més quantioses en captacions forestals i de relleu pla. La coberta forestal afecta la precisió de la delineació, principalment en interacció amb pendents pronunciats.
Els models digitals d’elevació en hidrologia
Aquesta recerca fou concebuda per Desalew Meseret Moges, Holger Virro (Univ. Tartu), Alexander Kmoch (Univ. Tartu) i Evelyn Uuemaa (Univ. Tartu). La metodologia fou dissenyada per Meseret Moges, Virro, Kmoch i Uuemaa. La cura de les dades fou a càrrec de Meseret Moges, Virro, Kmoch, Raj Cibin (de The Pennsylvania State University), A.N. Rohith (Penn State), Alberto Martínez-Salvador (del Grupo de Investigación sobre Erosión y Desertización de Ambientes Mediterráneos de la Universidad de Murcia), Carmelo Conesa-García (Univ. Murcia) i Uuemaa. Del programari se’n feren càrrec Meseret Moges i Virro. L’anàlisi formal fou realitzada per Meseret Moges i Virro. Els gràfics foren realitzats per Meseret Moges i Virro. En l’adquisició de fons participaren Meseret Moges, Kmoch i Uuemaa. La supervisió anà a càrrec de Uuemaa. El primer esborrany de l’article fou redactat per Meseret Moges i Uuemaa, i en la revisió ulterior participaren la resta d’autors. L’article fou tramès a Science of the Total Environment el 6 de març, i de l’edició se’n feu càrrec Fernando A. L. Pacheco. Després d’una revisió, completada el 31 de maig, l’article fou acceptat, publicat el 5 de juny.
Un model d’elevació digital (DEMs) és una representació en forma de graella de la topografia de la terra. L’aigua s’escola cap avall, de forma que la topografia té un rol central en la determinació de la hidrologia, tant pel que fa als fluxos de superfície com de sota de la superfície. La direcció de fluxos, la xarxa de corrents i els límits entre les zones de captació són elements centrals de la descripció hidrològica.
Tradicionalment, els models topogràfics es basen en prospeccions de camp. En les darreres dècades, aquesta informació s’ha combinant amb dades remotes, particularment imatges de satèl·lit.
Entre els DEMs més utilitzats hi ha AW3D30 (Advanced Land Observing Satellite World 3D-30), Copernicus DEM, NASADEM, HydroSHEDS, TanDEM-X o MERIT DEM.
Quatre àrees d’estudi
Mereset Moges et al. han seleccionat quatre àrees de captació representatives: 1) la conca del Porijõgi, a Estònia; 2) la conca del Rib, a Etiòpia; 3) la conca de Bald Eagle, als Estats Units; 4) la conca d’Argos, a Espanya.
Ivo Kruusamägi fotografiava així l’estiu del 2012 el riu Porijõgi al seu pas per Ülenurme
L’àrea de captació d’Argos, al sud-est d’Espanya, té una superfície de 448 km2, amb una altura sobre el nivell del mar que va dels 408 al 1898 metre. Hi ha predomini de xerosòls càlcics. El clima és semiàrid. El 42% de la superfície és forestal.
L’àrea de captació de Porijõgi, al sud d’Estònia, té una superfície de 235 km2. L’elevació va de 32 a 188 metres sobre el nivell del mar. El 49% de la superfície és bosc, i el 45% és zona agrícola.
L’àrea de captació de Rib, al nord-oest d’Etiòpia, té una superfície de 1293 km2. És una zona de relleu accidentat, amb una altura sobre el nivell del mar que va de 1799 a 4096 metres. El 85% de la superfície són terres de cultiu. Els sòls són d’origen volcànic.
L’àrea de captació de Bald Eagle-Spring Creek, a Pennsylvania, es troba al peu dels Apalatxes. La superfície és de 1446 km2. L’altitud va dels 175 a 756 metres sobre el nivell del mar. Més del 75% és ocupat per boscos.
Sis models digitals d’elevació
Els sis models globals analitzats en aquest estudi són AW3D30, COP30, NASADEM, HydroSHEDS, TanDEM-X i MERIT.
AW30D30 té una resolució horitzontal de 30 metres. Conté dades procedents de l’Agència d’Exploració Aeroespacial Japonesa (JAXA). La darrera versió fou publicada el gener del 2021.
COP30 també té una resolució horitzontal de 30 metres. Les dades procedeixen del sistema Copernicus de l’Agència Espacial Europea (ESA). La darrera versió és del 2021.
NASADEM es construeix a partir de diferents satèl·lits de la NASA. La darrera versió del 2020 té una resolució horitzontal de 30 metres.
HydroSHEDS té una resolució horitzontal de 90 metres. La v1.1 fou publicada en el 2008.
TanDEM-X resulta de la col·laboració público-privada entre el Centre Aeroespacial Alemany i la companyia Airbus. La versió de 90 metres de resolució, del 2018, és d’accés gratuït.
MERIT DEM v.1.0.3 fou publicada l’octubre del 2018, amb una resolució horitzontal de 90 metres.
En tots sis casos, Meseret Moges fan un primer pas amb l’algoritme r.fill per tal d’omplir les depressions artefactuals que contenen aquests models. L’algoritme FD8 permet després extraure les xarxes de corrents, considerant-hi una àrea mínima d’acumulació de 2,5 km2.
La precisió de les xarxes de corrents derivades de cada DEM era validada d’acord amb dades de referència basades en mapes hidrològics governamentals. Especial atenció es posava en l’efecte de la coberta forestal i del pendent en aquesta delineacions de corrents i captacions.
El model SWAT
L’Eina d’Avaluació de Sòl i Aigua (SWAT) és un model hidrològic semi-distribuït, basat en la descripció d’una conca a partir de les seves sub-conques, i aquestes en cadascuna de les seves unitats de resposta hidrològica (HRUs). Té com a finalitat predir l’efecte de decisions de gestió sobre el transport d’aigua, nutrients, sediments i pesticides. Cada HRU es defineix per l’ús de la terra i pel tipus de sòl.
Meseret Moges et al. han desenvolupat 24 models SWAT, un per cada combinació de les quatre conques i dels sis DEMs. Les dades de coberta de terra procedeixen de l’ESA, actualitzades a 2020 i amb una resolució espacial de 10 metres. Les dades de sòl procedeixen de HWSD 2.1, actualitzades a 2008 i amb una resolució espacial d’1 km.
L’índex d de Willmott i l’nRMSE serveixen per descriure les divergències entre cada model SWAT i les dades de camp.
Els millors DEMs: AW3D30 i COP30
En tres de les quatre conques, AW3D30 i COP30 eren els DEMs per millor reflectien els patrons locals de xarxa de corrents i de límits de captació. En la conca de Porijõgi, la millor puntuació era assolida per MERIT i COP30. HydroSHEDS era el DEM que més bé reflectia la delineació de la conca de Rib.
Les majors discrepàncies apareixien en zones de terreny pla, com és el cas de la conca de Porijõgi.
Fotografia de Juanjocehegin1998, que mostra la vega del riu Argos el novembre del 2012
Com major és el pendent, més creix la precisió dels models en la delineació de corrent i conca.
Pel que fa a les estimacions dels fluxos de corrent, els diferents DEMs no conduïen a resultats massa diferents.
La superioritat de AW3D30 i COP30 es trobaria en la major resolució horitzontal. No obstant, aquests models també punxen quan es tracta de descriure la situació hidrològica de terrenys relativament plans i de vegetació densa. Meseret Moges et al. consideren que en la selecció del model d’elevació cal considerar les característiques de la conca hidrològica que hom vol modelitzar.
Lligams:
– How does the choice of DEMs affect catchment hydrological modeling?. Desalew Meseret Moges, Holger Virro, Alexander Kmoch, Raj Cibin, A.N. Rohith, Alberto Martínez-Salvador, Carmelo Conesa-García, Evelyn Uuemaa. Sci. Total Environ. 164627 (2023).
Des de la Mediterrània 