ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΕΙΚΤΩΝ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΥΔΑΤΟΣ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΠΕΔΙΑΔΑ ΣΕΡΡΩΝ

Από RemoteSensing Wiki

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΕΙΚΤΩΝ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΥΔΑΤΟΣ ΜΕ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ GIS ΣΤΗΝ ΠΕΔΙΑΔΑ ΣΕΡΡΩΝ

Συγγραφείς: Σταυρινός, Ε., Θ. Αλεξανδρίδης , Γ. Γαλάνης και Γ. Ζαλίδης

Λέξεις κλειδιά:άρδευση, δείκτες λογιστικής νερού, δορυφορική τηλεπισκόπηση, GIS

ΠΗΓΗ: [[1]]

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην πεδιάδα Σερρών, όπου υπάρχει το πρόβλημα της ζήτησης νερού σε σχέση με την αποδοτικότητα και τη χρήση του αρδευτικού νερού, ο χαρακτηρισμός της λειτουργίας των αρδευτικών δικτύων θεωρείται ένα πρώτο βήμα επίλυσης αυτών των προβλημάτων. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η χωρική και χρονική μεταβολή της ζήτησης και προσφοράς του αρδευτικού νερού με δορυφορική τηλεπισκόπηση και GIS προσδιορίζοντας δείκτες λογιστικής ύδατος και αποδείχθηκε ότι α) υπάρχει ελάχιστη βελτίωση της απόδοσης των δικτύων παρά το μικρό βαθμό συντήρησής τους και β) κατά το έτος υψηλής διαθεσιμότητας νερού η αποδοτικότητα άρδευσης και η παραγωγικότητα νερού δεν ήταν ανάλογες με αποτέλεσμα η επιπλέον χρήση νερού να μην αξιοποιείται για την αγροτική παραγωγή.

1. EΙΣΑΓΩΓΗ

Η μη ορθολογική και εντατική άσκηση της γεωργίας σε συνδυασμό με την αρδευτική χρήση του νερού επιφέρουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, οι οποίες οδηγούν στην υποβάθμιση των αγαθών και υπηρεσιών (κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις). Η τιμολογιακή πολιτική της χώρας μας, η οποία στηρίζεται στη βιώσιμη ανάπτυξη των καλλιεργειών και την αειφορική διαχείριση των υδατικών πόρων, απαιτεί την καταγραφή της κατανάλωσης αρδευτικού νερού και την ανάλυση της προσφοράς και ζήτησης με τη χρήση σύγχρονων τεχνικών, όπως και την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε επίπεδο λεκάνης απορροής ποταμού. Με την πρόσφατη αναθεώρηση της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής για την αδειοδότηση των δικαιωμάτων χρήσης νερού συμπεριλήφθηκε στις υποχρεώσεις της πολλαπλής συμμόρφωσης ένα νέο περιβαλλοντικό πρότυπο για κάθε υδροληψία (ΚΥΑ, 2010). Για την εκτίμηση της αγροτικής χρήσης νερού, σημαντικό ρόλο έχει η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa), ο υπολογισμός της οποίας με δορυφορικές εικόνες και το μοντέλο SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) (Bastiaanssen, et al., 1998) παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα σε αντίθεση με τη μέθοδο Penman-Monteith (Allen et al., 1998). Περαιτέρω χρήση των αποτελεσμάτων του μοντέλου SEBAL γίνεται με την διαδικασία της λογιστικής ύδατος (water accounting), η οποία δίνει τη δυνατότητα οριοθέτησης και χαρακτηρισμού της περιοχής λεκάνης απορροής στηριζόμενη στη περιβαλλοντική διάσταση της χρήσης των υδατικών πόρων για άρδευση και όχι μόνο για αγροτική παραγωγή(Molden, and Sakthivadivel, 1999). Σκοπός της εργασίας είναι ο προσδιορισμός της μεταβολής των δεικτών λογιστικής ύδατος μεταξύ των αρδευτικών δικτύων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Στρυμόνα κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου με τη χρήση δορυφορικής τηλεπισκόπησης και GIS για την ορθολογική χρήση των υδατικών πόρων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε γεωγραφική μονάδα αναφοράς την περιοχή αρδευτικού δικτύου ή περιοχή ευθύνης ΤΟΕΒ, και σε δύο έτη αναφοράς, το 1994 (χαμηλής διαθεσιμότητας υδατικών πόρων) και το 2003 (υψηλής διαθεσιμότητας υδατικών πόρων).

2 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

2.1. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Στην πεδιάδα Σερρών εντοπίζονται πάνω από ένα εκατομμύριο στρέμματα καλλιεργειών, και το 80% αυτών αρδεύονται απ' ευθείας από τον Στρυμόνα και την Κερκίνη ή από πηγές και υπόγεια ύδατα (Εικόνα 1). Η διαχείριση του αρδευτικού νερού στα δίκτυα της λεκάνης, πραγματοποιείται σε επίπεδο διοικητικών περιοχών από υπηρεσίες (Διευθύνσεις Εγγείων Βελτιώσεων) της Περιφερειακής Αυτοδιοίκησης, τον Γενικό Οργανισμό Εγγείων Βελτιώσεων (ΓΟΕΒ) καθώς και από δώδεκα Τοπικούς Οργανισμούς Εγγείων Βελτιώσεων (ΤΟΕΒ).

2.2. ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΕΚΤΑΣΕΩΝ

Η παρακάτω μεθοδολογία εφαρμόστηκε για τη χαρτογράφηση των αρδευόμενων εκτάσεων (Alexandridis et al., 2008). Αρχικά, έγινε η φασματική βελτίωση των δορυφορικών εικόνων Landsat (14/09/1993, 28/06/2000 και 24/08/2000) για την παραγωγή του δείκτη βλάστησης NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), ο οποίος αναδεικνύει την υγιή φωτοσυνθέτουσα χλωροφύλλη. Για την συγκεκριμένη χαρτογράφηση, υποθέσαμε ότι κατά τη διάρκεια του σχεδόν άνυδρου καλοκαιριού στις αγροτικές περιοχές, μόνο οι αρδευόμενες καλλιέργειες θα έχουν υψηλή συγκέντρωση υγιούς χλωροφύλλης. Από την τεχνική διαχωρισμού κατηγοριών με τιμή κατωφλίου (thresholding) χαρτογραφήθηκαν οι περιοχές με υψηλή τιμή NDVI και ορίστηκαν ως αρδευόμενες καλλιέργειες. Στη συνέχεια, ο χάρτης αρδευόμενων καλλιεργειών βελτιώθηκε μέσω γεωγραφικής σύγκρισης με τα πολύγωνα των αγροτικών ενοτήτων (ilots, κλίμακα 1:5000). Τέλος, αφαιρώντας τις αρδευόμενες περιοχές που δεν είχαν χαρακτηριστεί ως αγροτικές (π.χ. φυσική βλάστηση γύρω από αρδευτικές τάφρους, κήπους σε αστικές περιοχές κ.λπ.), δημιουργήθηκε ο τελικός χάρτης αρδευόμενων περιοχών για τα έτη αναφοράς.

2.3. ΠΡΟΣΦΟΡΑ ΝΕΡΟΥ

Η εκτίμηση της προσφοράς νερού ανά αρδευτικό δίκτυο προσδιορίστηκε με τα παρακάτω κριτήρια: 1. Πηγή υδροληψίας (είσοδος αρδευτικού νερού από υδροληψία, υδάτινο σώμα, γεωτρήσεις κλπ), 2. Αποδέκτης απορροής (κύρια έξοδος αρδευτικού νερού), 3. Προέλευση αρδευτικού νερού (επιφανειακό, υπόγειο, στράγγιση ανάντη περιοχών), 4. Μεταφορά αρδευτικού νερού (είδος αρδευτικού δικτύου), και 5.Εφαρμογή αρδευτικού νερού (μέθοδος άρδευσης). Τα παραπάνω κριτήρια απεικονίζονται στην Εικόνα 1. Ο υπολογισμός του όγκου νερού άρδευσης ανά δίκτυο στηρίχθηκε στην κατανάλωση των αρδευόμενων καλλιεργειών, αλλά και από το γεγονός ότι η εξερχόμενη παροχή από ορισμένα αρδευτικά δίκτυα καλύπτει τις ανάγκες των κατάντη δικτύων. Επίσης, λήφθηκε υπόψη η έμπειρη γνώμη των χειριστών των δικτύων και η ονομαστική μέγιστη παροχή που υπολογίστηκε από τη διατομή και κλίση των κεντρικών διωρύγων.

2.4. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ (ETs)

Το μοντέλο SEBAL εφαρμόστηκε σε μηνιαία χρονοσειρά εικόνων ΝΟΑΑ AVHRR και Landsat TM/ETM+. Ακολουθώντας τη μέθοδο που αναφέρεται στις εργασίες των Bastiaanssen et al.(2001) και Chemin and Alexandridis (2004), η ελλιπής χρονική συνιστώσα παρασχέθηκε από την καθημερινή εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (ETr– reference evapotranspiration). Η ETr υπολογίστηκε με την τυποποιημένη μέθοδο Penman-Monteith (FAO56 - Allen et al., 1998) χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα που λήφθηκαν από τον σταθμό των Σερρών (Πηγή: ΕΜΥ). Για το σκοπό αυτό συντέθηκε η εικόνα [Km]=[ETa]/ETr, όπου [ETa] είναι η εικόνα ETa που υπολογίστηκε από τον απεικονιστή NOAA AVHRR και αντιπροσωπεύει τη χρονική περίοδο γύρω από τη λήψη της και ETr είναι η τιμή της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς που υπολογίστηκε από μετεωρολογικά δεδομένα για τη μέρα της λήψης της κάθε εικόνας NOAA AVHRR. Θεωρώντας την εικόνα Km σταθερή και αντιπροσωπευτική για το χρονικό διάστημα που καλύπτει πριν και μετά τη λήψη της αντίστοιχης δορυφορικής εικόνας, η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή ETs υπολογίστηκε με την εξίσωση (1): όπου ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή για 24 ώρες όπως υπολογίζεται από το μοντέλο SEBAL, Km είναι το κλάσμα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, και n είναι ο αριθμός των δορυφορικών εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν για να καλύψουν την χρονική περίοδο μελέτης. Η παραγόμενη εικόνα ETs εκφράζει τη μη σημειακή κατανάλωση νερού από όλους τους τύπους κάλυψης γης στην περιοχή μελέτης. Στη συνέχεια, έγινε βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας χρησιμοποιώντας τις εικόνες υψηλής ανάλυσης Landsat TM/ETM+ και τελικά παρουσιάζεται η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή (ETs) σε μορφή ψηφιδωτού (raster) με ανάλυση 60m (pixel). Η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή των αρδευόμενων καλλιεργειών για τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου (15 Απριλίου έως 30 Σεπτεμβρίου) αντιστοιχεί στην κατανάλωση νερού από τα φυτά, ανεξάρτητα από την πηγή του νερού (άρδευση ή βροχόπτωση).

2.5. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

Για τον υπολογισμό της ανάπτυξης βιομάζας χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο οικολογικής παραγωγής (ecological production model), σύμφωνα με το οποίο η πρόσληψη άνθρακα από τα φύλλα με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι ανάλογη με το ρυθμό απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας. Πλεονεκτήματα του μοντέλου είναι ότι δεν απαιτεί μετρήσεις πεδίου και το ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δορυφορικά δεδομένα. Οι Bastiaanssen and Ali (2003) συνδύασαν το μοντέλο οικολογικής παραγωγής με το μοντέλο αποδοτικότητας χρήσης της ηλιακής ακτινοβολίας (light use efficiency) και με το μοντέλο SEBAL για να εκτιμήσουν την ανάπτυξη των καλλιεργειών κάτω από συνθήκες άρδευσης. Για την εφαρμογή της μεθόδου, αρχικά υπολογίζεται η φωτοσυνθετικά ενεργός ακτινοβολία (Photosythetically Active Radiation – PAR) από ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα και εικόνες δείκτη βλάστησης NDVI και στη συνέχεια ο χάρτης ανάπτυξης βιομάζας ανά χρονική περίοδο χρησιμοποιώντας το κλάσμα εξάτμισης (Λ) που υπολογίστηκε μέσω του μοντέλου SEBAL, και τον παράγοντα μετατροπής βιομάζας από τη βιβλιογραφία (Gower et al., 1999).

2.6 ΔΕΙΚΤΕΣ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΥΔΑΤΟΣ

Οι δείκτες λογιστικής ύδατος που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της χρήσης του αρδευτικού νερού είναι 1) ο δείκτης αποδοτικότητας άρδευσης, ο οποίος περιγράφει το ποσοστό του εισερχόμενου νερού άρδευσης που χρησιμοποιείται από τα φυτά και 2) ο δείκτης παραγωγικότητας νερού, ο οποίος περιγράφει την αξία που απορρέει από το νερό που χρησιμοποιήθηκε. Οι δείκτες λογιστικής ύδατος επιλέχθηκαν για το χαρακτηρισμό των αρδευτικών μονάδων της περιοχής μελέτης (ΤΟΕΒ), επειδή περιγράφουν καλύτερα όλες τις απόψεις του συστήματος και τα δεδομένα εισόδου μπορούν να μετρηθούν με τις προαναφερθείσες μεθόδους.

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ & ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Με την εφαρμογή της τηλεπισκόπησης καταγράφτηκαν οι αρδευόμενες καλλιέργειες και εκτιμήθηκε η συνολική αρδευόμενη έκταση ανά γεωγραφική μονάδα και έτος αναφοράς (Πίνακας 1). Η ακρίβεια της τηλεπισκοπικής μεθόδου υπολογίσθηκε από ένα τυχαίο δείγμα 250 σημείων, στα οποία ανατέθηκε μία κλάση (αρδευόμενο ή μη-αρδευόμενο) μέσω φωτοερμηνείας των εικόνων υψηλής ανάλυσης Landsat TM/ETM+. Η σύγκριση του δείγματος με το χάρτη αρδευόμενων εκτάσεων έδειξε ακρίβεια 97% και αξιοπιστία 94% και για τα δύο έτη αναφοράς. Γενικά παρατηρήθηκε μικρή αύξηση της αρδευόμενης έκτασης κατά 8% από το 1994 στο 2003, που οφείλεται κυρίως στην εγκατάσταση περισσότερων ιδιωτικών γεωτρήσεων και λιγότερο στην επέκταση των αρδευτικών δικτύων.

Ο δείκτης αποδοτικότητας άρδευσης (a) έχει ελάχιστα υψηλότερες τιμές το 1994 λόγω της καλύτερης αποδοτικότητας των συστημάτων άρδευσης σε ξηρότερες συνθήκες (Εικόνα 2). Αντίθετα, το 2003 η υψηλότερη βροχόπτωση ήταν η αιτία της χαμηλότερης κατανάλωσης αρδευτικού νερού σε σχέση με την παρεχόμενη προς το αρδευτικό δίκτυο ποσότητα (από επιφανειακή ή/και υπόγεια νερά). Άλλοι παράγοντες που πιθανώς να επηρεάζουν τη μεταβολή του δείκτη (a) είναι η ελλιπής συντήρηση του δικτύου μεταφοράς και ο σταδιακός εκσυγχρονισμός του δικτΟ ΤΟΕΒ Προβατά παρουσιάζει πολύ χαμηλή τιμή λόγω των υψηλών απωλειών του χωμάτινου δικτύου μεταφοράς και των υψηλών αρδευτικών απαιτήσεων της καλλιέργειας ρυζιού. Στους υπόλοιπους ΤΟΕΒ, οι υψηλότερες τιμές του δείκτη αποδοτικότητας άρδευσης οφείλονται στην ύπαρξη πιο σύγχρονου δικτύου μεταφοράς και διανομής.ύου εφαρμογής άρδευσης.

Η παραγωγικότητα νερού (p) απεικονίζει την ανάπτυξη βιομάζας για κάθε μονάδα νερού άρδευσης που καταναλώνεται από τις καλλιέργειες (Εικόνα 3). Η ανάπτυξη βιομάζας σε κάθε εικονοστοιχείο της δορυφορικής εικόνας εξαρτάται περισσότερο από το είδος της καλλιέργειας και λιγότερο από τη στρεμματική απόδοση των καλλιεργειών. Επομένως, οι διαφορές της παραγωγικότητας νερού μεταξύ των περιοχών αναφοράς στο ίδιο έτος σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με την κατανομή των κύριων καλλιεργειών στις περιοχές αναφοράς και άρα οι χρονικές μεταβολές της παραγωγικότητας νερού από το ένα έτος αναφοράς στο άλλο, σχετίζονται με την μεταβολή της κατανομής των κύριων καλλιεργειών και τη μεταβολή στην κατανάλωση αρδευτικού νερού. Η συνολική αύξηση του δείκτη στο έτος 2003 οφείλεται στην μείωση των υδροβόρων καλλιεργειών (ρύζι) και στην εισαγωγή νέων ποικιλιών (βαμβακιού και καλαμποκιού).

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα συμπεράσματα που προκύπτουν λοιπόν από την παρούσα εργασία είναι τα παρακάτω:

1)Παρόλη την υψηλή προσφορά νερού το 1994, η ανάπτυξη βιομάζας δεν ήταν ανάλογη, άρα και η επιπλέον χρήση νερού δεν αξιοποιήθηκε για την αγροτική παραγωγή.

2)Τα αρδευτικά συστήματα βελτιώθηκαν με αποτέλεσμα να έχουμε λιγότερες απώλειες, παρόλο το χαμηλό βαθμό συντήρησης των δικτύων και αυτό έγινε κυρίως με την αντικατάσταση της μεθόδου άρδευσης με καταιονισμό από τη μέθοδο της στάγδην άρδευσης.

3)Το έτος 1994 υπήρχε χαμηλότερη διαθεσιμότητα νερού και παρατηρήθηκε υψηλή προσφορά νερού άρδευσης για την κάλυψη των αναγκών των καλλιεργειών και από αυτό το γεγονός συμπεραίνεται η ύπαρξη μιας σχετικά καλής και σταθερής στο χρόνο αποδοτικότητας του συστήματος άρδευσης, η οποία οφείλεται σε ένα σχετικά αποτελεσματικό διαχειριστικό έργο.