Developing an operative tool for water stress monitoring based on hydrological modeland earth observations : the Capitanata Consortium case study

In Mediterranean regions drought conditions occur frequently, and the irrigation consortium and the farmers must deal with water scarcity which implies a decrease in the agricultural yields and economic problem. Therefore, the development of techniques for the optimization of the management of the water resource destined to irrigation is highlighted. In this thesis a tool for water stress monitoring based on earth observation and hydrological model is developed, applied on the case study of Capitanata Consortium in Puglia. Soil moisture ground observations at high spatial and temporal resolution are correlated with vegetative indices from Landsat at field scale. Then, the same analysis is performed at basin scale using Landsat and Sentinel2 images and soil moisture estimates from the hydrological model FEST-EWB, which is validated with Land Surface Temperature (LST) images from Landsat for the years 2015-2019. Agricultural drought process is finally analyzed and a combined drought index, able to identify water scarcity conditions is proposed. Combining the standardize precipitation index and the anomalies of soil moisture, evapotranspiration, land surface temperature and vegetation stress information in such way that different levels of drought are detected. Therefore, coupling modeled hydrological variables, ground observation and remote sensing data at two different spatial and temporal scales, anomalies and water stress indices are computed. The results at different scale are discussed and compared with irrigation aqueduct volumes of consortium.

Nelle regioni del Mediterraneo si verificano molto frequentemente fenomeni di siccità, i consorzi per l’irrigazione e gli agricoltori devono far fronte alla scarsità della risorsa idrica che comporta una diminuzione della resa agricola e di conseguenza problemi economici. In questo contesto, risulta fondamentale lo sviluppo di tecniche per l’ottimizzazione della gestione della risorsa idrica destinata all’irrigazione. L’obiettivo di questo elaborato di tesi consiste nello sviluppo di uno strumento operativo per il monitoraggio dello stress idrico basato su un modello idrologico e su immagini satellitari, applicato al caso di studio del Consorzio per la Bonifica della Capitanata in Puglia. Dati al suolo di umidità ad alta risoluzione spaziale e temporale sono stati correlati a scala di campo con indici di vegetazione da Landsat. Poi, la stessa analisi è stata condotta a scala di bacino utilizzando immagini satellitari da Landsat e Sentinel2 e umidità del suolo stimata tramite il modello idrologico FEST-EWB, il quale è stato validato con immagini Landsat di Land Surface Temperature (LST) per gli anni 2015-2019. Infine, analizzando il processo di siccità agricola è stato proposto un indicatore di siccità combinato in grado di rilevare condizioni di stress idrico. Sono stati definiti differenti livelli di siccità combinando l’indice standardizzato di precipitazione, le anomalie di umidità del suolo, evapotraspirazione, LST e le informazioni sullo stress vegetativo. Le anomalie e l’indice sono stati calcolati utilizzando le variabili modellate, le osservazioni al suolo e le immagini satellitari su due scale spaziali e temporali differenti. Infine, per validare l’indice di siccità è stato effettuato il confronto con i volumi dell’acquedotto irriguo del consorzio.