A Hybrid WSA and AHP-TOPSIS Modeling for Soil Erosion Assessment and Prioritization of the Sub-watershed of Karmanasa River Basin

Sintesi Tecnica: Una Modellazione Ibrida WSA e AHP-TOPSIS per la Valutazione dell'Erosione del Suolo e la Prioritizzazione del Sottobacino del Bacino del Fiume Karmanasa

Definizione del Problema
Il bacino del fiume Karmanasa (KRB), un affluente perenne del Gange nel Medio Pianura del Gange, affronta una grave erosione del suolo e degradazione del territorio guidate dal cambiamento climatico, dalle attività antropiche e dal suo specifico contesto geologico. Il bacino, caratterizzato da formazioni erodibili di arenaria, scisto e calcare del Vindhyan, sostiene un'agricoltura estesa ma soffre di inondazioni ricorrenti e trasporto di sedimenti. Sebbene studi precedenti abbiano affrontato l'erosione nelle pianure del Vindhyan e del Gange, il KRB rimane poco esplorato per quanto riguarda la sistematica prioritizzazione dei sottobacini mediante tecniche di modellazione integrate avanzate. La mancanza di una dettagliata caratterizzazione del bacino e della relativa prioritizzazione ostacola la pianificazione della conservazione del suolo e la gestione sostenibile del territorio in questa regione con scarsità di dati.

Metodologia
Lo studio impiega un framework integrato di analisi geospaziale e di decisione multicriterio (MCDM) per valutare e dare priorità alla suscettibilità all'erosione del suolo. Il flusso di lavoro consiste in quattro fasi primarie:

1. Acquisizione dei Dati e Delimitazione: Utilizzando dati DEM SRTM a risoluzione di 30 m, il bacino è stato delimitato in sei sottobacini (SW1–SW6). I dati geologici, del suolo e topografici sono stati ottenuti dal Geological Survey of India (GSI) e dal National Bureau of Soil Survey and Land Use Planning (NBSS&LUP).
2. Analisi Morfometrica: Ventidue parametri morfometrici sono stati estratti e classificati in aspetti lineari, areali e di rilievo. Questi includono l'ordine dei corsi d'acqua, il rapporto di biforcazione, la densità di drenaggio, il fattore di forma, il coefficiente di compattezza, il rapporto di rilievo e il numero di rugosità.
3. Modellazione e Prioritizzazione: Tre modelli distinti sono stati applicati per classificare i sottobacini in base alla suscettibilità all'erosione:
   • Analisi della Somma Pesata (WSA): È stato generato un indice composito assegnando pesi normalizzati ai parametri morfometrici in base alla loro correlazione con l'erosione.
   • Tasso di Produzione di Sedimenti (SPR): Un modello logaritmico che lega la resa dei sedimenti ai parametri geomorfologici (fattore di forma, rapporto circolatorio e coefficiente di compattezza).
   • Ibrido AHP-TOPSIS: L'Analytical Hierarchy Process (AHP) è stato utilizzato per derivare i pesi per 14 parametri selezionati basandosi sul giudizio di esperti (15 specialisti), garantendo un rapporto di coerenza (CR) di 0,016. Questi pesi sono stati poi integrati nella tecnica per l'ordinamento per somiglianza alla soluzione ideale (TOPSIS) per classificare le alternative in base alla loro distanza dalla soluzione ideale e da quella anti-ideale.
4. Validazione Statistica: L'affidabilità e la coerenza dei tre modelli sono state valutate utilizzando test statistici non parametrici: il coefficiente di correlazione di rango di Spearman (SCCT) e il coefficiente di correlazione di Kendall Tau (KTCCT).

Risultati Chiave

• Caratteristiche Morfometriche: Il bacino presenta una rete di drenaggio di 6° ordine con una densità di drenaggio media di 0,535 km/km². Il sottobacino SW3 è il più grande (2.142,21 km²), mentre il SW6 è il più piccolo (804,51 km²). La tessitura del drenaggio è generalmente grossolana e il bacino si trova in uno stadio geomorfico di giovinezza-maturità.
• Output dei Modelli:
  • WSA: Ha identificato circa il 38–40% dei bacini come vulnerabili. SW4 ha ricevuto la priorità più alta (punteggio più basso), mentre SW1 è stato la priorità più bassa.
  • SPR: Ha indicato che il 42,6% del bacino è vulnerabile. SW5 ha mostrato il tasso di produzione di sedimenti più elevato (0,50), classificandosi come priorità molto alta, mentre SW6 ha avuto il più basso (0,000013).
  • AHP-TOPSIS: Ha classificato SW3, SW1 e SW2 come zone ad alta priorità. Il modello ha prodotto un coefficiente di vicinanza ($C_i^+$) compreso tra 0,22 e 0,75.
• Validazione Statistica: Il modello AHP-TOPSIS ha dimostrato la maggiore stabilità e coerenza. Ha mostrato una correlazione positiva con il modello SPR (SCCT = 0,37), mentre il modello WSA ha mostrato relazioni più deboli con gli altri due approcci. Entrambi i test statistici hanno confermato che l'AHP-TOPSIS fornisce la prioritizzazione più affidabile per questo bacino.
• Schemi Spaziali: L'alta suscettibilità all'erosione è concentrata nell'altopiano di Kaimur e nelle zone di transizione tra l'altopiano e la pianura alluvionale. Queste aree sono caratterizzate da pendii ripidi, alta densità di drenaggio e formazioni erodibili di scisto Rewa e arenaria.

Contributi Principali

• Framework Integrato: Lo studio applica con successo un approccio ibrido AHP-TOPSIS combinato con l'analisi morfometrica a un tributario del Gange precedentemente poco esplorato, offrendo un metodo strutturato per il processo decisionale in regioni con scarsità di dati.
• Valutazione Comparativa dei Modelli: Confrontando statisticamente WSA, SPR e AHP-TOPSIS tramite SCCT e KTCCT, la ricerca identifica l'AHP-TOPSIS come il modello superiore per questo specifico contesto geologico, validandone l'uso rispetto ai metodi tradizionali di somma pesata.
• Prioritizzazione per l'Azione: La ricerca fornisce un elenco classificato di sottobacini (SW3, SW1, SW2 come alta priorità) per guidare interventi mirati di conservazione del suolo, andando oltre le valutazioni generali a livello di bacino.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo studio colma una lacuna critica di ricerca fornendo la prima sistematica prioritizzazione dei sottobacini per il bacino del fiume Karmanasa utilizzando tecniche MCDM avanzate. I risultati offrono un framework pratico e conveniente per la gestione dei bacini fluviali che può essere applicato ad altri bacini tributari del Vindhyan e del Gange. Identificando le zone prioritarie, lo studio supporta lo sviluppo di misure di ripristino e strategie per mitigare l'erosione del suolo, contribuendo così alla gestione sostenibile del territorio e al raggiungimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDG). Il lavoro sottolinea che gli approcci integrati geospaziali e morfometrici sono essenziali per una valutazione efficace del bacino laddove i dati sull'erosione basati sul campo sono limitati.