Διαχείριση γεωργικών υδάτων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Πηνειού με χρήση τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Sustainable agricultural water management in Pinios river basin using remote sensing and hydrologic modeling
Συγγραφείς: Alexander Psomas, Vasiliki Dagalaki, Yiannis Panagopoulos, Dimitra Konsta, Maria Mimikou
Link Αρχικού Άρθρου: [1]
Εισαγωγή
Στην Ευρώπη, ο τομέας της γεωργίας καταναλώνει το 22,5% των συνολικών απορροών του γλυκού νερού προκαλώντας σοβαρά προβλήματα με την ποσότητα αυτού. Επιπλέον, περιοχές με έντονη γεωργική δραστηριότητα υποφέρουν από υποβάθμιση της ποιότητας του νερού, λόγω εκπομπών αζώτου και φωσφόρου από τη χρήση λιπασμάτων. Η αρδευόμενη γεωργία προκαλεί λειψυδρία και ρύπανση των πόρων, ενώ οι κλιματικές αλλαγές επιδεινώνουν ακόμη περισσότερο την κατάσταση. Για το λόγο αυτό είναι σημαντικό να εφαρμοστούν προσαρμοστικά μέτρα για την εξοικονόμηση νερού και την προστασία των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων. Ο σχεδιασμός και η εφαρμογή των μέτρων θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την αγροτική ανάπτυξη, την οικονομική ανάπτυξη και την κοινωνική συνοχή. Το εργαλείο αξιολόγησης του εδάφους και νερού (SWAT) χρησιμεύει ως ένα ισχυρό και διεπιστημονικό εργαλείο για την προσομοίωση της διαχείρισης της γεωργίας. Έχει χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό μέτρων σχετικών με το νερό στη γεωργία, ενώ πρόσφατες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στη σύζευξη του εργαλείου SWAT και τηλεπισκοπικών μεθόδων για την ανάλυση των επιπτώσεων της αλλαγής χρήσης γης και τη διαχείριση της γεωργίας. Η λεκάνη του ποταμού Πηνειού είναι μια βασική αγροτική περιοχή στην κεντρική Ελλάδα που αντιμετωπίζει προβλήματα τόσο με τη λειψυδρία όσο και με τη ρύπανση των πόρων. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της βιωσιμότητας εναλλακτικών πρακτικών γεωργικής διαχείρισης για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων. Η μεθοδολογία που ακολουθείται συνδυάζει την τηλεπισκόπηση και την ερμηνεία των εικόνων, την επεξεργασία GIS, την υδρολογική μοντελοποίηση και την προσομοίωση των γεωργικών πρακτικών διαχείρισης με SWAT, την ανάλυση των επιπτώσεων στη σχέση ύδατος-ενέργειας-γης-τροφίμων και την ανάπτυξη δεικτών.
Περιοχή Μελέτης
Η λεκάνη του ποταμού Πηνειού (~ 10600 km2) βρίσκεται στην κεντρική Ελλάδα και καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα της λεκάνης απορροής στη Θεσσαλία. Το κεντρικό τμήμα της λεκάνης απορροής καλύπτεται από μια μεγάλη γόνιμη πεδιάδα, όπου καλλιεργείται κυρίως βαμβάκι, σιτάρι, καλαμπόκι και τριφύλλι. Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι περίπου 700mm, ενώ η μέση ετήσια απορροή είναι περίπου 80 m3/s. Η αρδευόμενη γεωργία καταλαμβάνει το 90- 95% της συνολικής χρήσης του νερού και περίπου το 50% της συνολικής γεωργικής γης. Η υπερεκμετάλλευση των υπόγειων υδάτων έχει οδηγήσει σε υψηλότερο κόστος άντλησης από μεγαλύτερα βάθη και διείσδυση θαλασσινού νερού σε παράκτιους υδροφόρους ορίζοντες. Από τη δεκαετία του 1980, οι πληρωμές στους γεωργούς στο πλαίσιο της Κοινής Γεωργικής Πολιτικής (ΚΓΠ) οδήγησαν σε εντατική καλλιέργεια επιδοτούμενων καλλιεργειών. Ως αποτέλεσμα, η χρήση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων έχει αυξηθεί προκαλώντας προβλήματα ρύπανσης. Ο κάμπος της Θεσσαλίας ανήκει στην ευπρόσβλητη στη νιτρορρύπανση ζώνη.
Τηλεπισκόπηση, ερμηνεία εικόνας και χρήση GIS
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και ερμηνείας εικόνας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή πληροφοριών χωρικής και χρονικής ανάλυσης που προηγουμένως δεν ήταν διαθέσιμες. Οι τεχνικές παρατήρησης της γης παρέχουν δεδομένα για τη χρήση γης και για την κάλυψη ανάγκης για συχνή επικαιροποίηση των πληροφοριών αυτών και την ανάγκη χωρικής πληροφόρησης για τον προσδιορισμό των πρακτικών διαχείρισης της γεωργίας. Για τη μελέτη αυτή, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δορυφορικής πολυφασματικής εικόνας υψηλής χωρικής ανάλυσης (Landsat 8 / OLI-TRS, 30 m) για την περίοδο Ιούνιος-Σεπτέμβριος 2013. Με το λογισμικό ERMapper δημιουργήθηκε ένα ψηφιδωτό εικόνων που καλύπτουν τη συνολική περιοχή της λεκάνης απορροής του Πηνειού . Στη συνέχεια δημιουργήθηκε ο κατάλληλος συνδυασμός RGB bands για την ερμηνεία της εικόνας με χρήση του λογισμικού eCognition. Ακολούθησε ταξινόμηση η οποία πραγματοποιήθηκε για τις διάφορες κατηγορίες χρήσης γης με τη χρήση της μεθόδου του κοντινότερου γείτονα. Οι κύριες καλλιέργειες που επιλέχθηκαν να ταξινομηθούν είναι βαμβάκι, καλαμπόκι, τριφύλλι, σιτάρι, ντομάτα και ζαχαρότευτλα. Η ακρίβεια ήταν πολύ υψηλή για το βαμβάκι, το καλαμπόκι, το τριφύλλι και το σιτάρι, οι οποίες είναι οι κυριότερες καλλιέργειες, αλλά πολύ χαμηλές για την τομάτα και τα ζαχαρότευτλα, τα οποία καλύπτουν μόνο μικρές και διάσπαρτες περιοχές. Στη συνέχεια, έγινε συνδυασμός με τον χάρτη της Corine Land Cover της περιοχής για την παραγωγή επικαιροποιημένου χάρτη χρήσης γης της λεκάνης απορροής ποταμού για το 2013.
Μοντέλο υδρολογικής και καλλιεργητικής ανάπτυξης
Το μοντέλο SWAT θεωρεί ένα ρηχό αδιαχώριστο υδροφόρο ορίζοντα, το οποίο συμβάλλει, στη ροή επιστροφής και ένας βαθιά περιορισμένος υδροφόρος ορίζοντας που λειτουργεί ως πηγή. Οι πρακτικές γεωργικής διαχείρισης, όπως η φύτευση, η συγκομιδή, η καλλιέργεια, η άρδευση, η βοσκή, μπορούν να προσομοιωθούν εφαρμόζοντας ένα χρονοδιάγραμμα που ορίζει ο χρήστης. Οι ανεπάρκειες άρδευσης, όπως απώλειες μεταφοράς από την πηγή στο πεδίο ή επιπρόσθετες απώλειες εφαρμογής ύδατος στο χώρο, μπορούν επίσης να προσομοιωθούν με το SWAT. Τα σχετικά σύνολα δεδομένων για τη λεκάνη απορροής του Πηνειού συλλέχθηκαν από διάφορες πηγές, όπως το Υπουργείο Περιβάλλοντος και Ενέργειας, η Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού, το Εθνικό Ινστιτούτο Γεωλογίας και Ερευνών Ορυκτών, το Εθνικό Ινστιτούτο Χαρτογράφησης και Ταξινόμησης του Εδάφους και η Eurostat. Οι χάρτες χρήσης γης και το ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DEM) εισάχθηκαν στο ArcSWAT για να διαιρέσουν τη λεκάνη απορροής του Πηνειού σε μικρότερα τμήματα μονάδας υδροστατικής απελευθέρωσης. Στο πρότυπο προστέθηκαν τα φράγματα του Πλαστήρα, του Σμοκόβου, της Γυρτόνης και της Κάρλας. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε (1976-1985) και επικυρώθηκε (1986-1995) χρησιμοποιώντας παρατηρούμενες μηνιαίες ροές σε δύο σταθμούς μέτρησης: Ali Efenti και Amygdalia. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε επίσης (1984-2004) χρησιμοποιώντας παρατηρούμενα εποχιακά θρεπτικά φορτία σε δύο σταθμούς μετρήσεων: Keramidi και Ydatopyrgos. Οι βαθμονομημένες παράμετροι περιελάμβαναν 10 μεταβλητές μοντέλου, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τις διεργασίες αζώτου και φωσφόρου. Έγινε ικανοποιητική συσχέτιση μεταξύ των παρατηρούμενων και προσομοιωμένων εποχιακών φορτίων του αζώτου ειδικά για τις χαμηλές τιμές (<500 106 kg). Για μεγαλύτερα φορτία, υπήρξε μια σαφής τάση του μοντέλου να υποτιμά τις παρατηρούμενες τιμές. Ο αντίστοιχος συσχετισμός για το φώσφορο βρέθηκε πολύ ασθενής. Κατά τη διάρκεια της βαθμονόμησης, η αρδευόμενη γη μειώθηκε κατά 40% και όλα τα φράγματα και οι δεξαμενές, εκτός από τον Πλαστήρα, είχαν τεθεί σε αδράνεια για να ληφθούν υπόψη οι ιστορικές συνθήκες της λεκάνης απορροής.
Σενάρια αποτελεσματικής διαχείρισης της γεωργίας
Εξετάστηκαν τέσσερα εναλλακτικά σενάρια που επικεντρώνονται σε αποτελεσματικές πρακτικές άρδευσης και λίπανσης, με στόχο τη βελτίωση της ποσότητας και της ποιότητας του νερού στη λεκάνη απορροής. Όλα τα σενάρια προσομοιώθηκαν σε μια περίοδο 20 ετών χρησιμοποιώντας το βαθμονομημένο μοντέλο SWAT σε δύο εκδοχές. Η πρώτη εκδοχή του μοντέλου προϋποθέτει πολύ υψηλά αρχικά βάθη των ρηχών υδροφόρων οριζόντων, ώστε να επιτρέπεται η άντληση από μη ανανεώσιμες πηγές υπογείων υδάτων (μη βιώσιμη διαχείριση των υδάτων - πραγματικές συνθήκες), ενώ η δεύτερη εκδοχή προϋποθέτει περιορισμένα αρχικά βάθη των ρηχών υδροφόρων οριζόντων, -ανανεώσιμοι πόροι υπόγειων υδάτων (βιώσιμη διαχείριση των υδάτων - ιδανικές συνθήκες). Η σύγκριση των δύο εκδοχών προσομοιώσεων επιτρέπει την εκτίμηση των ανανεώσιμων και μη ανανεώσιμων πηγών υπογείων υδάτων για την άντληση άρδευσης.
Ανάλυση της επίδρασης στη σχέση ύδατος-ενέργειας-γης-τροφίμων
Συνολικά, έχει αναπτυχθεί ένα σύνολο δεικτών, το οποίο είναι ικανό να εκφράζει τη βιωσιμότητα της γεωργικής διαχείρισης στη λεκάνη απορροής. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι η σχέση ύδρευσης-ενέργειας-γης- τροφίμων είναι αρκετά πολύπλοκη, η οποία δεν μπορεί να αντανακλάται πλήρως μέσω αυτού του συνόλου δεικτών. Η ανάλυση αυτής της μελέτης είναι περισσότερο προσανατολισμένη στο νερό.
Αποτελέσματα
Μπορούν να εξαχθούν ορισμένα συμπεράσματα αξιολογώντας τις επιδόσεις όλων των πρακτικών γεωργικής διαχείρισης ανά δείκτη. Ειδικότερα, όλες οι πρακτικές διαχείρισης που στοχεύουν στην εξοικονόμηση νερού ενισχύουν τη χρήση ανανεώσιμων πόρων υπογείων υδάτων για σκοπούς άρδευσης, ενώ η γεωργία ακριβείας επιτυγχάνει την πιο βιώσιμη χρήση υπογείων υδάτων. Είναι επίσης προφανές ότι η λεκάνη απορροής του Πηνειού πάσχει από σοβαρή λειψυδρία, η οποία δεν μπορεί να αντιστραφεί ακόμη και αν εφαρμοστεί μείωση άρδευσης κατά 30%. Ο απλοποιημένος Δείκτης Εκμετάλλευσης του Νερού, ο οποίος δεν περιλαμβάνει την επίδραση της εξωτερικής πηγής του Πλαστήρα, βελτιώνεται σημαντικά σε αυτά τα σενάρια, αλλά διατηρείται συνεχώς πάνω από το κρίσιμο όριο του 40% σε όλες τις περιπτώσεις. Εάν εφαρμοστεί μείωση άρδευσης κατά 30% για το βαμβάκι, το καλαμπόκι και το τριφύλλι, τότε σε κλίμακα λεκάνης απορροής, αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση κατά 27,5% των υδροληψιών. Ως άμεσο αποτέλεσμα, η ηλεκτρική ενέργεια για άντληση θα μειωνόταν σημαντικά δημιουργώντας ένα μεγάλο όφελος από την άποψη της καθαρής ενεργειακής αξίας. Εάν μειωθεί η παραγωγή κατά 30% για το βαμβάκι, το καλαμπόκι και το τριφύλλι, τότε σε κλίμακα λεκάνης απορρόφησης θα οδηγούσε σε 15% μείωση του αζώτου. Επιπλέον, η γεωργία ακριβείας είναι η πλέον ευνοϊκή τεχνική για την αύξηση των αποδόσεων βαμβακιού, οδηγώντας έτσι σε μεγαλύτερη αξία της γεωργικής παραγωγής. Τέλος, το πρόβλημα της διάβρωσης μειώνεται ομοίως σε όλα τα σενάρια, επειδή η επιφανειακή απορροή μειώνεται σε όλες τις περιπτώσεις. Μπορούν επίσης να αντληθούν άλλα συμπεράσματα αξιολογώντας την απόδοση όλων των πρακτικών γεωργικής διαχείρισης σε όλο το σύνολο δεικτών. Ειδικότερα, η μειωμένη χρήση λιπασμάτων είναι μια μη βέλτιστη λύση για όλα τα σενάρια. Όταν το συγκρίνουμε με τη μείωση άρδευσης, το δεύτερο σενάριο φαίνεται να κυριαρχεί. Η γεωργία ακριβείας έχει την καλύτερη απόδοση για τους δείκτες που σχετίζονται με την παραγωγή νερού και τροφίμων / καλλιέργειας. Επιτυγχάνει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στη χρήση του το νερό και τα λιπάσματα, αυξάνει τη χρήση ανανεώσιμων πόρων υπογείων υδάτων και μειώνει το φορτίο νιτρικού ιόντος στα υπόγεια ύδατα, ενώ αυξάνει την αξία της καλλιέργειας.
Συμπεράσματα
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και ερμηνείας εικόνας μπορούν να εφαρμοστούν προκειμένου να ενισχυθεί η χωρική και χρονική επίλυση των διαθέσιμων πληροφοριών σε κακώς μετρημένες ή αδρανείς λεκάνες απορροής. Ενημερωμένοι χάρτες χρήσης γης μπορούν να συνδυαστούν με υδρολογικά μοντέλα, όπως το SWAT, για την προσομοίωση της υδροληψίας και πρακτικές διαχείρισης της γεωργίας που αφορούν τα ζητήματα της ποσότητας και της ποιότητας του νερού. Η ανάπτυξη δεικτών για τον ποσοτικό προσδιορισμό των επιπτώσεων των πρακτικών διαχείρισης των αρδευτικών και των λιπασμάτων στη σχέση ύδρευσης-γης- τροφίμων είναι μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που μπορεί να βοηθήσει στον σχεδιασμό βιώσιμων μέτρων διαχείρισης των υδάτων στις γεωργικές λεκάνες απορροής. Η λεκάνη του ποταμού Πηνειού, στην κεντρική Ελλάδα, πάσχει από σοβαρή λειψυδρία και ρύπανση. Η αγροτική ακρίβεια, η οποία συνοδεύεται από μειωμένη άρδευση σε συνδυασμό με την περιορισμένη χρήση λιπασμάτων φαίνεται να είναι η διαχειριστικές πρακτικές με τις μεγαλύτερες δυνατότητες αποτελεσματικότερης και αποδοτικότερης αντιμετώπισης αυτών των περιβαλλοντικών ζητημάτων, προωθώντας τη βιώσιμη διαχείριση των υδάτων στη λεκάνη απορροής.
