Modeling river fragmentation at pan-European scale

Longitudinal connectivity is essential for the health of fluvial ecosystems, which are among the most biodiverse and complex ecosystems in the world. Undisturbed and well-balanced interactions of riverine biotic and abiotic factors in space and time produce ecosystem services. Over the centuries mankind has exploited fluvial systems, for various purpouses, building structures in riverbeds. These structures disconnect rivers, forming barriers to the free exchange and movement of biotic and abiotic factors (water, sediments, organisms and matter) from upstream towards down stream and viceversa, and are a threat to the functioning of river ecosystems. Accurate information about the number and location of fluvial barriers is necessary to assess their impact, the level of pressure on fluvial ecosystems, and to implement efficient management policies for conserving and restoring proper river functioning. Despite this, currently in Europe an integrated and complete database of river barriers is missing. The barrier ATLAS, built within the framework of the H2020 European project AMBER, represents the largest effort towards the most complete inventory of European river barriers so far. This work proposes a model based method to achieve a reliable estimate of the real number of barriers in Europe and thus to quantify the lack of data in the available barrier inventories and the level of fragmentation of European rivers. Sub-catchments are the spatial and modeling units used. The most reliable barrier inventories included in the ATLAS are used to search, with a data mining exercise, relations between the number of barriers in a sub-catchment and its characteristics (e.g. land use, slope, etc.). Then thefoundrelationsare usedtopredict thenumber of barriers in all the European sub-basins. This is performed with the data-driven method Iterative Input Selection with Extra-Trees proposed by Galelli and Castelletti (2013a). Demography, land cover, geomorphology and hydrology are the spatial characteristics analyzed. For representing them, 51 variables are evaluated for each sub-catchment (including influences from upstream and downstream sub-catchments). An ad hoc method is developed to subdivide Europe into sets of sub-catchments with growing extent in order to find the most suitable dimension, to predict the number of barriers in a sub-basin through the territorial features analysed, such as land use and population density. Results of the data mining exercise show that the number of barriers in a sub-catchment is strongly related with the extent of agricultural area and with the total surface of urbanized area. In general a strong positive correlation of the level of anthropization in a territory and the density of fluvial barriers emerges. Among 160 built models, with R2 = 0.55 as average performance in validation, one is selected for its generalizability and used to predict the number of barriers in every European sub-catchment. The model estimates a total number of 635,588 manmade barriers in the European river network, approximately 1 barrier every 3 kilometers of rivers. France, Spain, Italy and Germany results having more than 60,000 structures disconnetting their fluvial systems. Hence a pan-European map of barrier density is produced, the first of this type. European situation appears alarming with a mean density of 0.13 barriers per square kilometer that grows up to a peak of 0.4 in Central Europe. Barriers in Europe estimated by the model are 40% more than those included in the ATLAS on december 2018, which are approximately 390,000. Currently, the only consistent database of barriers at European scale is the GRanD database, which is focused on major dams. It reports only 1,153 barriers for Europe, namely less than 0.01% of the model estimate. Therefore this work produces a significant progress in the knowledge of river fragmentation in Europe and provides a new tool for the management of fluvial ecosystems.

La connettività longitudinale è essenziale per la salute degli ecosistemi fluviali, i quali sono tra gli ecosistemi più complessi e ricchi di biodiversità al mondo. Le interazioni, indisturbate ed equilibrate, dei fattori biotici e abiotici nel tempo e nello spazio generano servizi ecosistemici. Nel corso dei secoli l’uomo ha sfruttato i sistemi fluviali per svariati scopi, costruendo strutture nei letti dei corsi d’acqua. Queste strutture sono causa di disconnetività fluviale, essendo barriere al libero flusso e scambio dei fattori biotici ed abiotici (acqua, sedimento, organismi e sostanze) da monte verso valle e viceversa, e sono una minaccia al funzionamento degli ecosistemi fluviali. Informazioni precise sul numero di barriere e la loro posizione sono necessarie per quantificare gli impatti generati dalle barriere, per valutare il livello di pressione a cui sono sottoposti gli ecosistemi fluviali e quindi per implementare politiche di gestione efficienti per la loro conservazioneoillororipristino. Nonostante ciò, attualmente in Europa non esiste un database delle barriere fluviali integrato e completo. L’ATLAS delle barriere, prodotto nel framework del progetto Europeo H2020 AMBER, rappresenta attualmente il punto più avanzato verso la costruzione dell’inventario completo delle barriere nei fiumi Europei. Questo lavoro propone un metodo modellistico per raggiungere una stima attendibile del numero reale di barriere in Europa e quindi per quantificare la mancanza di dati negli inventari delle barriere disponibili e il livello di frammentazione dei fiumi Europei. L’unità spaziale e di modellizzazione utilizzata è il sottobacino. Tra gli inventari raccolti nell’ATLAS, i più attendibili sono usati in un esercizio di data mining per cercare relazioni tra il numero di barriere nei sottobacini e le loro caratteristiche (ad es. uso del suolo, pendenza, abitanti). Le relazione scoperte sono poi usate per predire il numero di barriere in tutti i sottobacini Europei. Questo processo è svolto con un metodo data-driven, l’Iterative Input Selection con Extra-Trees proposta da Galelli and Castelletti. Demografia, copertura del suolo, geomorfologia e idrologia sono le caratteristiche territoriali analizzate. Per rappresentarle 51 variabili sono valutate per ogni sottobacino (includendo le possibili influenze dei sottobacini a monte e a valle). Un metodo ad hoc è stato sviluppato per suddividere l’Europa in più set di sottobacini, con aree crescenti, al fine di trovare la dimensione più efficiente per stimare il numero di barriere in un sottobacino attraverso le caratteristiche territoriali analizzate, come copertura del suolo o densità abitativa. I risultati dell’esercizio di data mining mostrano una forte relazione tra il numero di barriere in un sottobacino e l’estensione delle aree agricole e di quelle urbanizzate. In generale emerge una forte correlazione positiva tra il livello di antropizzazione di un territorio e la densità di barriere fluviali. Un solo modello tra i 160 calibrati, con R2 = 0.55 come performance media in validazione, è selezionato, per la sua generalizzabilità, e usato per stimare il numero di barriere in ogni sottobacino Europeo. Il modello stima un numero complessivo di 635,588 barriere nei corsi d’acqua Europei, approssimativamente una barriera ogni tre chilometri di fiume. Francia, Spagna, Italia e Germania risultano avere più di 60,000 strutture che provocano disconnettività nei loro sistemi fluviali. Inoltre è stata prodotta una mappa a scala Europea della densità di barriere, la prima di questo tipo. La situazione in Europa appare allarmante con una densità media pari a 0.13 barriere per chilometro quadrato, che aumenta fino a 0.4 in Europa centrale. Le barriere stimate in Europa eccedono del 40% il numero di quelle incluse nell’ATLAS nella versione di dicembre 2018, le quali sono approssimativamente 390,000. Attualmente l’unico database delle barriere consistente a livello Europeo è il GRanD database, il quale si concentra solo sulle dighe maggiori. Il GRanD database riporta solo 1,153 barriere, cioè lo 0.01% del numero stimato dal modello. Quindi questo lavoro produce un significativo progresso nella conoscenza della frammentazione fluviale in Europa e fornisce un nuovo strumento per la gestione degli ecosistemi fluviali.