A hydrological model for the Sudd wetland using remotely sensed and ground data

Located in the Upper Nile river basin in South Sudan, the Sudd wetland is one of the largest floodplain swamps in the world. Its complex system is characterized by seasonal inundation that drives the hydrologic, geomorphological, and ecological processes; this annual flood pulse is essential to the functioning of the Sudd. In addition to the different seasonal distributions, the system loses water by spilling from the river into adjacent flood plains and its outflow is only about half the inflow on average because of high rate of evaporation. Modeling of wetland hydrology and quantification of water inputs and outputs are requisites to understanding flooding dynamics, determining wetland vulnerability to change, and being able to provide a better and integrated management of water resources. The main difficulties are due to the inaccessibility of the area, the vast extension, the complexity of the dynamic behavior throughout the year (permanents and seasonal flooded areas), and the politic situation. The study integrated hydrologic data and remote sensing techniques to study the dynamics and spatial response of the wetlands. A new methodology using MODIS data and MNDWI was designed to compute the area of the wetland throughout the year and a characterization of wetland dynamics was achieved over the 10-years period Jan 2000–Dec 2009. In the second step of the research, other drives of the system were studied: new hydrological models was created for the Torrents and Sobat basins; existing river routing models were computed for the reach of Mongalla and Malakal; and estimates on precipitation and evapotranspiration rates were acquired from different projects based on remotely sensed data. All these information was then used to model the hydrology of the wetland system and provide the relationship between the wetland extent and the hydrological indexes. Although the results requires validation against ground-based measurements, they highlight the relative differences in inundation patterns across the Sudd over a multiple flood cycles period, characterizing the intra- as well as interannual flood dynamics. Moreover, they offer a crucial tool for the Upper Nile water resources management.

Localizzata nel bacino idrologico del fiume Nilo in Sud Sudan, la zona umida denominata Sudd è una delle più estese piane alluvionali al mondo. Il complesso sistema che la caratterizza è determinato dalle inondazioni stagionali che conducono i processi idrologici, geomorfologia ed ecologici. Il suo comportamento idrologico è quindi di particolare interesse in quanto determinante per tutta la dinamica idrologica nel territorio che comprende, oltre a un prezioso e fragile ecosistema, centrali idroelettriche, aree agricole, villaggi e città. All’interno del programma inter-statale di gestione delle acque, una migliore previsione e simulazione del comportamento di questo particolare sistema riveste un ruolo cruciale. Obiettivo di questo studio è quindi la costruzione di un modello idrologico con cui simulare la distribuzione quantitativa e temporale dei deflussi fluviali nel bacino di riferimento e quindi valutare i potenziali effetti del cambiamento climatico e della domanda idrica nella regione e favorire una migliore gestione della risorsa idrica. La caratterizzazione e modellizzazione idrologica della zona umida ha previsto l’untegrazione di informazioni provenienti da satellite con i dati idrologici esistenti. Quest’ultimi infatti erano insufficienti al fine di ottenere una calibrazione più precisa ed efficace, vista la mancanza di una rete di monitoraggio, a causa dell’estensione spaziale e della limitata accessibilità dell’area. Una nuova metodologia basata sui dati satellitari MODIS e l’indice MNDWI è stata sviluppata per la stima dell’area della zone umida lungo gli anni. La caratterizzazione della dinamica spaziale e temporale del Sudd è stata quindi ottenuta per un periodo di 10 anni (gennaio 2000–dicembre 2009). La seconda parte della ricerca ha poi previsto lo studio di altre importanti componenti del sistema, quali: la dinamica dei bacini Torrents e Sobat elaborando nuovi modelli idrologici; le portate idriche a Mongalla e Malakal usando modelli già presenti in letteratura e infine dati di pioggia ed evapotraspirazione riferendosi a stime da dati satellitari. L’integrazione di tutte queste informazioni ha infine permesso la calibrazione di un modello di bilancio idrico per il bacino del Sudd e la costruzione di una specifica relazione tra estensione spaziale dell’inondazione e indici idrologici. Benchè i risultati necessitino di una validazione a terra, lo studio ha evidenziato le differenze relative nell’andamento di inondazione nel Sudd in un lungo intervallo temporale, caratterizzando quindi le dinamiche di inondazione intra- e interannuali. Ha fornito inoltre un potenziale strumento cruciale nell’elaborazione di una gestione delle acque del fiume Nilo nella regione dei Grandi Laghi africani che tenga in considerazione gli interessi della popolazione del Sud Sudan.