Estimation of water quality from satellite measurements, numerical models and laboratory tests

Total suspended matter concentration, TSM, and turbidity, TURB, are common parameters used to assess coastal and estuarine water quality, but are difficult to quantify due to the variability of the heterogeneous land-use types within and between watersheds and the magnitude and duration resulting from climactic, hydraulic, and biogeochemical factors. The practical interest in monitoring TSM and TURB in water bodies comes from the critical importance of water quality in tracking the transport of nutrients as well as pollutants threatening the health and well-being of aquatic ecosystems and manhood, and also for quantifying rivers sediment transport. Traditional ground sampling techniques are well established, but their application requires investment in money and time to obtain accurate and precise loading estimates, still limited to the sampling grids. During the last decades, ocean color remote sensing has become a useful tool to give synoptic views of TSM and TURB variations at different spatial and temporal scales, often relying on freely available data. Different empirical and analytical algorithms to retrieve TSM and TURB from remotely sensed data are available in literature, but their application is generally limited by site-specific factors, such as study area dimensions, the properties of the sediments in the water column, and the ranges of variability of TSM and TURB, that can vary from extremely low to extremely high values. The thesis objective is to improve the understanding of TSM and TURB estimation from remote sensing, ground measurements and semi-analytical and 6 empirical models, through the understanding of the optical properties of turbid waters. A first step was the evaluation of the impact that the Three Gorges Dam, China, had on the suspended sediment load of the Yangtze River. This has been performed using moderate resolution remote sensing techniques to estimates the TSM in the Three Gorges Reservoir, that is a water body characterized by extremely high values of TURB and TSM. The second stage was the application of existing empirical and semi-analytical models to turbid waters in laboratory controlled experiments, retrieving water’s optical properties, such as reflectance, attenuation coefficient, absorption and backscattering coefficients, and to relate them with turbidity and TSM.

Torbidità e concentrazione di solidi sospesi sono parametri comuni per valutare la qualità di acque estuarine e costiere, ma difficilmente quantificabili a causa della variabilità dei diversi tipi di uso del suolo che insistono nelle aree di bacino, e di variazioni in intensità e durata di fattori climatici,idraulici, e biogeochimici. L'interesse pratico nel monitoraggio di solidi sospesi e torbidità nei corpi idrici deriva dall'importanza critica che la qualità dell'acqua riveste nel tracciare il trasporto di nutrienti e di inquinanti che influenzano lo stato di salute degli ecosistemi acquatici e degli esseri umani, e per quantificare il trasporto di sedimenti fluviale. Le tradizionali tecniche di campionamento di campo sono ormai consolidate,ma la loro applicazione richiede investimenti in denaro e tempo per ottenere risultati accurati e precisi, in ogni caso limitati ai punti della griglia di campionamento. Durante gli ultimi anni il telerilevamento delle acque è divenuto uno strumento in grado di fornire viste sinottiche a differenti risoluzioni spaziali e temporali di solidi sospesi e sedimenti, basandosi spesso su dati disponibili gratuitamente. Svariati algoritmi per ricavare torbidità e solidi sospesi da dati telerilevati sono già disponibili in letteratura, ma il loro impiego è generalmente limitato da alcuni fattori sito-specifici, come le dimensioni dell'area di studio, le proprietà dei sedimenti nella colonna d'acqua,e i limiti di variabilità di solidi sospesi e torbidità, che oscillano da estremamente bassi ad estremamente alti.