Αξιολόγηση της τηλεπισκόπησης και επιτόπιων μετρήσεων στην παρακολούθηση της ποιοτικής κατάστασης της λίμνης Chivero της Ζιμπάμπουε.

Εισαγωγή

Ο κύριος στόχος της μελέτης αυτής είναι η αξιολόγηση της σκοπιμότητας της ενσωμάτωσης τηλεπισκόπησης και επιτόπιων μετρήσεων στην ποσοτικοποίηση και παρακολούθηση της ποιοτικής κατάστασης των υδάτων της λίμνης Chivero, και πιο συγκεκριμένα να εξεταστεί η χρησιμότητα πολυφασματικών δεδομένων MODIS/Terra στην παρακολούθηση συγκεντρώσεων chlorophyll_a στη λίμνη. Εν ολίγοις τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται ως δείκτης των επιπέδων ρύπανσης της λίμνης. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης δεδομέωνα MODIS είναι η πολυετής ύπαρξη δεδομένων, και παγκόσμια και καθημερινή κάλυψη που επιτρέπει τη συνεχή αξιολόγηση της ποιοτικής κατάστασης των υδάτινων σωμάτων.

Εικόνα 1.Η θέση της λίμνης Chivero.

Η περιοχή μελέτης

Η λίμνη Chivero (17.54 Β, 30.48 Α) είναι η τεχνητή λίμνη στην υδρολογική λεκάνη του ποταμού Manyame (έκταση λεκάνης 2136km2) στη Ζιμπάμπουε που σχηματίστηκε το 1952 με την κατασκευή φράγματος και βρίσκεται 37km νοτιοδυτικά της πρωτεύουσας της Ζιμπάπουε, Harare σε υψόμετρο 1300m. Είναι η κύρια πηγή για την κάλυψη των αναγκών σε νερό (γεωργική, οικιακή και βιομηχανική χρήση) της πόλης Harare, καθώς και των γύρω πόλεων Ruwa, Chitungwiza, Epworth και Norton, αλλά παράλληλα αποτελεί ένα καλά οργανωμένο κέντρο αναψυχής καθώς επίσης και φυσικό ενδιαίτημα που φιλοξενεί ένα μεγάλο αριθμό ειδών. Από τη δεακετία του 1960 η λίμνη αντιμετωπίζει σοβαρά προβλήματα ρύπανσης.

Δεδομένα/Μέθοδοι

Επιλέγησαν εννιά δειγματοληπτικές τοποθεσίες, τρεις εκ των οποίων εντός της λίμνης και οι υπόλοιπες στους κύριους ποταμούς που απορρέουν σε αυτή, και διεξήχθησαν τέσσερις δειγματοληπτικές εκστρατείες στις 9 Φεβρουαρίου, 10 Μαρτίου, 10 Απριλίου και 2 Μαΐου 2012.

Modis

Για την προσδιορισμό των κυρίαρχων χωρικών και χρονικων μοτίβων της μεταβλητότητας της chlorophyll_a χρησιμοποιήθηκαν απεικονίσεις MODIS, με χρόνο λήψης τις ημερομηνίες των δειγματοληψιών. Ακολούθησε προ-επεξεργασία των αρχείων (μετατροπή από HDF σε tiff, βαθμονόμηση, ατμοσφαιρική διόρθωση). Στη συνέχεια υπολογίζεται ο Δείκτης Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς – NDVI (1), η εκτιμώμενη με τηλεσκοπικά δεδομένα χλωροφύλλη (2) και το RMSE (3) από τους τύπους:

όπου

NIR = εγγύς υπέρυθρο - 2ο κανάλι Modis & Red= κόκκινο - 1ο κανάλι Modis

a = 532 ± 46 & b = 48 ± 4.0

Chla i = η εκτιμώμενη με τηλεσκοπικά δεδομένα (Modis) χλωροφύλλη & Chla situ= η μετρηθείσα χλωροφύλλη

Landsat

Για την ανάλυση της μακροχρόνιας αλλαγής στην εδαφοκάλυψης χρησιμοποιήθηκαν τρεις απεικονίσεις Landsat-TM 4-5 που αφορούν στα έτη 1985,1994 και 2010 (20% νεφοκάλυψη), με κύριο στόχο την διερεύνηση της εξέλιξης της εδαφικής υποβάθμισης και των αλλαγών στις χρήσεις γης που θα μπορούσαν να έχουν συμβάλλει στη ρύπανση στην περιοχή με την πάροδο του χρόνου. Για την ταξινόμηση επιλέχθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας.

Αποτελέσματα/Συμπεράσματα

Το Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (RMSE), που υπολογίστηκε 0,003 mg/l, δείχνει ότι υπήρχε ελάχιστη διακύμανση μεταξύ των αποτελεσμάτων της τηλεσκοπικής ανάλυσης και επιτόπιων μετρήσεων, και οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η πρόβλεψη με τη χρήση Τηλεπισκόπησης είναι αξιόπιστη μέθοδος για αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων.

Με βάση τα επίπεδα χλωροφύλλης η λίμνη χαρακτηρίζεται υπερτροφική κάτι που επιβεβαιώνεται από την βιβλιογραφία. Η παρακολούθηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας μέσω των συγκεντρώσεων chlorophyll_a είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την οικολογική διαχείριση, μιας και οι πρωτογενείς παραγωγοί βρίσκονται στη βάση της τροφικής αλυσίδας. Η σύγκριση των μετρηθείσας και προβλεπόμενης chlorophyll_a με τη μέθοδο γραμμικής παλινδρόμησης έδειξε υψηλή συσχέτιση. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης chlorophyll_a, σημαντική κατακόρυφη διαφοροποίηση (με το βάθος) αλλά μη σημαντική οριζόντια διαφοροποίηση.

Εικόνα 2.Χρήσεις γης στη λεκάνη απορροής του π. Manyame το 1985 (πάνω αριστερά), 1994 (πάνω δεξιά) και 2010 (κάτω).

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης η χωρική κατανομή των πηγών ρύπανσης μπορεί να χαρτογραφηθεί με ακρίβεια από πολυφασματικά δεδομένα τηλεπισκόπησης και εδώ έγινε η χρήση εικόνων Landsat TM.Η αύξηση της οικιστικής ζώνης και η πρόσφατη αύξηση στην αστική γεωργία αποτελούν σημαντικούς παράγοντες ρύπανσης της λίμνη. Οι περισσότερες από τις αστικές περιοχές είναι παραποτάμιες και αποστραγγίζονται στη λίμνη, με αποτέλεσμα ότι λύματα απορρίπτονται να καταλήγουν στη λίμνη. Η αύξηση του πληθυσμού συνεπάγεται και αποψίλωση άρα αποτελεί απειλή για τα δάση και επίσης αύξηση των ιζημάτων που καταλήγουν στη λίμνη μέσω απορροής. Απο την ανάλυση προκύπτουν σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης από το 1985 έως το 2010, που είναι κρίσιμες για τα επίπεδα ρύπανσης της λίμνης. Υπήρξε σημαντική μεταβολή στο ποσοστό της οικιστικής ζώνης το 1985, το 1994 και το 2010, που θα μπορούσε να αποδοθεί στην βιομηχανική και πληθυσμιακή αύξηση. Η αύξηση της οικιστικής ζώνης είναι 8% κατά την περίοδο 1994 - 2010 και πάνω από 12% την περίοδο 1985-2010 με παράλληλη πτώση της δασικής κάλυψης (9,8% το 1985 και 2,0% το 2010).

Πηγή:

Dlamini, S., Nhapi, I., Gumindoga, W., Nhiwatiwa, T., & Dubec, T. (2016). Assessing the feasibility of integrating remote sensing and in-situ measurements in monitoring water quality status of Lake Chivero, Zimbabwe. Physics and Chemistry of the Earth, 2-11.