Un metodo automatizzato per delineare le aree di drenaggio delle infrastrutture verdi delle acque piovane utilizzando GIS

Di: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* e Jonathan Nyquist²

Green Stormwater Infrastructure (GSI) è una soluzione per le comunità altamente urbanizzate, che consente loro di ridurre i volumi di flusso delle acque piovane e mitigare gli inquinanti. La corretta stima dell'area di drenaggio contribuente è fondamentale per progettare un GSI ben funzionante. Per aiutare a delineare l'area di drenaggio contribuente di GSI in un paesaggio urbano, è stato sviluppato un flusso di lavoro. A differenza della delimitazione dell'area di drenaggio nelle aree non sviluppate, le aree urbane sono soggette a microtopografia (cioè cordoli, marciapiedi o edifici) e infrastrutture per le acque piovane (ad esempio, insenature, grondaie o GSI) che alterano il flusso di deflusso. Questo flusso di lavoro completo per la delineazione dei bacini idrografici urbani incorpora GSI, edifici e insenature alterando il modello digitale di elevazione (DEM) per rendere queste caratteristiche parte del paesaggio idrologico.

L'area di drenaggio è la quantificazione dell'area drenante in un unico punto. Sebbene sia stato svolto molto lavoro sulla delineazione del drenaggio e sul GSI, manca ancora un consenso sul metodo migliore per la delimitazione dell'area di drenaggio nelle aree urbane. I siti possono segnalare diverse aree di drenaggio a seconda del metodo applicato per stimare le aree di drenaggio e della risoluzione dei dati utilizzati. Le aree di drenaggio possono essere stimate utilizzando disegni AutoCAD o rilievi fisici eseguiti durante un evento temporalesco. Entrambi i metodi presentano problemi e fonti di errore, come i requisiti di tempo e informazioni.

Questo flusso di lavoro di delineazione fornisce un processo automatizzato creato in ArcGIS per trovare l'area di drenaggio in modo efficiente e preciso. I dati raster utilizzati per questa analisi includono dati topografici su una gamma di scale, shapefile di edifici, insenature e GSI. I dati topografici di input per questo studio vanno da scala fine (risoluzione di 1 piede) a scala grossolana (risoluzione di 10 piedi) da DEM derivati da lidar, DEM pubblicamente disponibili e DEM derivati da contorni. Il caso di studio per questo flusso di lavoro è un sito GSI con due giardini pluviali collegati da una palude d'erba a South Philadelphia, in Pennsylvania. Questo sito è stato sviluppato dal Philadelphia Water Department (PWD) e strumentato e analizzato dalla Villanova University come parte di una sovvenzione Science to Achieve Results (STAR) dell'Agenzia per la protezione ambientale (EPA). Questa analisi rappresenta parte di un'indagine molto più ampia su GSI. L'intera procedura per questa analisi può essere suddivisa in tre fasi: preelaborazione dei DEM, analisi del flusso e analisi del bacino.

I DEM sono stati elaborati per eliminare gli scoli e i picchi nei dati utilizzando lo strumento Riempimento. Gli ingressi dell'acqua piovana e gli elementi GSI sono stati tamponati per adattarsi alle dimensioni degli elementi dell'acqua piovana. Quindi alle tabelle degli attributi sono state aggiunte le quote altimetriche delle insenature, del GSI e dell'infrastruttura dell'edificio. Gli shapefile dell'infrastruttura sono stati quindi convertiti in raster, utilizzando lo strumento Feature in raster.

I nuovi file di infrastruttura raster sono stati quindi integrati con il DEM senza depressione. Lo strumento Più è stato utilizzato per aggiungere l'altezza degli edifici e lo strumento Meno è stato utilizzato per abbassare gli ingressi nel DEM. I tagli di marciapiede e il GSI sono stati incorporati nel DEM derivato dal lidar. Tutti gli output ottenuti utilizzando questi strumenti sono stati poi uniti in un unico raster, utilizzando lo strumento Mosaico.

Il DEM mosaicato è stato utilizzato per analizzare la direzione del flusso per ciascuna cella con lo strumento Direzione flusso, quindi rielaborato per assegnare un valore di accumulo in base alla direzione del flusso, utilizzando lo strumento Accumulo flusso. Le linee di flusso dettagliate ottenute da DEM a risoluzione più elevata incorporano la microtopografia nel paesaggio urbano, come mostrato nella figura 2. Al contrario, le linee di flusso dei DEM a risoluzione inferiore mostrano un minor numero di linee di flusso che scorrono verso il GSI più vicino e gli ingressi delle acque piovane, con conseguente diminuzione delle linee di flusso con un aumento della dimensione della griglia del DEM.

Utilizzando lo strumento Spatial Analyst Basin, sono stati prodotti i sottobacini del GSI e le insenature.Questi file sono stati convertiti in poligoni di funzionalità. Lo strumento Tracciamento percorso flusso di Arc Hydro ha aiutato a tracciare i sottobacini a monte e le prese di acqua piovana, il che ci ha permesso di identificare i sottobacini drenanti al GSI. Questi poligoni di sottobacino sono stati esportati e l'area di drenaggio totale è stata calcolata nella tabella degli attributi.

La Figura 3 mostra le diverse aree di drenaggio ottenute da diverse risoluzioni DEM. I bacini di drenaggio a risoluzione più grossolana sono più grandi con forme meno intricate. Il calcolo delle aree che drenano al GSI cambia, un aspetto importante della progettazione del GSI.

La tabella seguente mostra le diverse aree di drenaggio per questo sito ottenute da diverse risoluzioni DEM. Le aree aumentano al diminuire della risoluzione DEM. DEM a risoluzione più grossolana microtopografia liscia come cordoli, marciapiedi e corone delle strade. Sulla base delle indagini sul campo, l'area di drenaggio ottenuta dalla DEM a più alta risoluzione, griglia di 1 piede, è paragonabile all'area di drenaggio ottenuta dai rilevamenti topografici del sito (stima PWD), e quindi è quella più accettabile. La stessa analisi è stata eseguita per altre località, con risultati simili. Sono in corso ulteriori indagini per trovare la risoluzione DEM ottimale per l'area di drenaggio che delinea nel paesaggio urbano.

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

Autore corrispondente: Virginia Smith

Le domande possono essere inviate a Virginia Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu

Questa pubblicazione è stata sviluppata nell'ambito dell'Accordo di assistenza n. 83555601 assegnato dalla US Environmental Protection Agency (EPA) alla Villanova University e al Philadelphia Water Department (PWD). Non è stato formalmente rivisto da EPA o PWD. Le opinioni espresse in questo documento sono esclusivamente quelle dell'Università di Villanova e non riflettono necessariamente quelle dell'Agenzia o del PWD. EPA o PWD non approvano alcun prodotto o servizio commerciale menzionato in questa pubblicazione.