Η Εφαρμογή GIS στη διαχείριση πλημμυρών – Η περίπτωση της Paraiba do Sul, Νοτιοανατολική Βραζιλία
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Η Εφαρμογή GIS στη διαχείριση πλημμυρών – Η περίπτωση της Paraiba do Sul, Νοτιοανατολική Βραζιλία
Πρωτότυπος Τίτλος : GIS application in flood management – A case study: Paraiba do Sul Basin, Southeast Brazil
Πηγή:https://www.researchgate.net/publication/264424427
Συγγραφείς: Silvio Jorge Simoes (GIZInsight) , Isabel Cristina de Barros Trannin (São Paulo State University)
Εισαγωγή
Το κείμενο εξετάζει την παγκόσμια αύξηση των καταστροφών που σχετίζονται με ακραία καιρικά φαινόμενα, ιδίως πλημμύρες, κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα. Οι παράγοντες που συμβάλλουν σε αυτή την τάση περιλαμβάνουν την αλλαγή των προτύπων βροχόπτωσης και την αύξηση του πληθυσμού που κατοικεί σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε πλημμύρες. Στη συνέχεια, η εστίαση μετατοπίζεται στη Βραζιλία, όπου οι πλημμύρες έχουν αυξηθεί σημαντικά, ιδίως στη νοτιοανατολική περιοχή, επηρεάζοντας μεγάλες πολιτείες που ευθύνονται για πάνω από το 50% του ΑΕΠ της χώρας. Επισημαίνεται η απουσία εθνικών έργων για τη χαρτογράφηση των κινδύνων πλημμύρας σε αστικές περιοχές, παρά την επείγουσα ανάγκη για διαχείριση και πρόβλεψη του κινδύνου. Το έγγραφο υπογραμμίζει τη σημασία των χαρτών κινδύνου πλημμύρας, παραθέτοντας παραδείγματα από άλλες χώρες, και υπογραμμίζει την έλλειψη τέτοιων πρωτοβουλιών στη Βραζιλία και εισάγει μια εφαρμογή GIS για τη διαχείριση των πλημμυρών, παρουσιάζοντας την μελέτη της λεκάνης απορροής της Paraíba do Sul στη νοτιοανατολική Βραζιλία
Μοντελοποίηση GIS
Τα GIS συστήματα μπορούν πλέον να αποθηκεύουν και να αναλύουν τόσο χωρικά δεδομένα όσο και δεδομένα χαρακτηριστικών, με κάθε χωρικό χαρακτηριστικό να έχει μοναδική γεωγραφική θέση και αριθμό αναγνώρισης. Η σημασία της εξισορρόπησης των τομέων της μοντελοποίησης όσο και της διαχείρισης πολλών δεδομένων (αρχειοθέτηση και διαχείριση), ιδίως στη μελέτη των υδάτινων πόρων είναι μεγάλη. Το έγγραφο εισάγει διαφορετικά επίπεδα αφαίρεσης του μοντέλου δεδομένων στη διαδικασία μοντελοποίησης, συμπεριλαμβανομένων της πραγματικότητας, του εννοιολογικού μοντέλου, του λογικού μοντέλου και του φυσικού μοντέλου. Το φυσικό μοντέλο, ή υπολογιστικό μοντέλο, αντιπροσωπεύει την υλοποίηση σε ένα GIS και περιλαμβάνει πίνακες αποθηκευμένους ως αρχεία ή βάσεις δεδομένων. Ο κεντρικός ρόλος του GIS στη διαδικασία μοντελοποίησης ποικίλλει σε διάφορες βαθμίδες και στάδια, περιλαμβάνοντας υδρολογική αξιολόγηση, προσδιορισμό υδρολογικών παραμέτρων, μοντελοποίηση εντός του GIS με χρονικά δεδομένα και σύνδεση των GIS με υδρολογικά μοντέλα για την παρακολούθηση της διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο. Η σχέση μεταξύ του GIS και της μοντελοποίησης περιλαμβάνει διαφορετικά επίπεδα ολοκλήρωσης και στο κείμενο αναφέρεται ότι η πτυχή αυτή θα συζητηθεί περαιτέρω. Συλλογή δεδομένων Ένας σημαντικός περιορισμός στην εφαρμογή των GIS για τον υπολογισμό υδρολογικών παραμέτρων είναι η έλλειψη επαρκών δεδομένων για σημαντικά χαρακτηριστικά όπως οι χρήσεις γης και το έδαφος. Σε λίγα μέρη του κόσμου υπάρχει αντίστοιχες βάσεις δεδομένων όπως το LUCC (Land Use and Cover Change) ή το NATSGO. Οπότε εκτός λίγων χώρων όπως Καναδάς, Γαλλία και Κάτω Χώρες δεν υπάρχει συνεπές εθνικό ή περιφερειακό σύνολο εδαφολογικών χαρτών που να είναι διαθέσιμο σε ψηφιακή μορφή, έτσι δεδομένα για π.χ την διήθηση δεν είναι διαθέσιμα . Στο GIS ενσωματώνονται πρωτογενή δεδομένα όπως δορυφορικές εικόνες ράστερ, όπως Landsat, Aster® και Ikonos®ima και διανυσματικές μετρήσεις έρευνας που καταγράφονται χρησιμοποιώντας σταθμούς υψηλής ακρίβειας, αλλά και δευτερογενή , όπως έγχρωμές αεροφωτογραφίες ή αναλογικούς χάρτες που καλύπτουν μια αστική περιοχή ή μια λεκάνη απορροής διαφορετικών μεγεθών.
Case study
Η λεκάνη Paraíba do Sul έχει ιστορική, πολιτιστική και οικονομική σημασία για τη Νοτιοανατολική Βραζιλία. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες τα τελευταία 300 χρόνια έχουν μεταμορφώσει σημαντικά το τοπίο. Ο πληθυσμός στην κοιλάδα Paraíba έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία τριάντα χρόνια, συμβάλλοντας στη μείωση και την εξάλειψη των υγροτοπικών οικοσυστημάτων στην πεδιάδα. Από το 1952, το νερό εκτρέπεται από τον ποταμό Paraíba do Sul στη μονάδα επεξεργασίας νερού του ποταμού Guandu στην πολιτεία Ρίο ντε Τζανέιρο(εικόνα 1). Η μελέτη αντιμετωπίζει τις προκλήσεις των περιορισμένων χωρικών και χρονικών δεδομένων και αποσκοπεί στη διερεύνηση της σύνθεσης γεωχωρικών και χρονικών υδρολογικών βάσεων δεδομένων στο πλαίσιο της διαχείρισης των πλημμυρικών πεδίων. Περίπου 8,7 εκατομμύρια άνθρωποι εκτός της λεκάνης εξαρτώνται από τους υδάτινους πόρους της. Η μέση εκροή του ποταμού είναι 217m³/s, με σημαντικές απολήψεις για γεωργική άρδευση, βιομηχανική χρήση και οικιακή κατανάλωση.Η λεκάνη Paraíba do Sul παρουσιάζει έναν διμορφικό ετήσιο κύκλο βροχόπτωσης, με μέση ετήσια βροχόπτωση γύρω στα 1.400 mm και σημαντική διαχρονική μεταβλητότητα. Η περιοχή αντιμετωπίζει αβεβαιότητα στη μακροπρόθεσμη αξιολόγηση των υδάτινων πόρων λόγω της εναλλαγής ξηρών και υγρών περιόδων. Σοβαρές ξηρασίες και εξαιρετικά υγρά έτη συμβάλλουν σε αυτή τη μεταβλητότητα.Το κείμενο υπογραμμίζει τον αντίκτυπο μιας σοβαρής ξηρασίας το 2001, που οδήγησε σε μειωμένη στάθμη νερού στους ταμιευτήρες των υδροηλεκτρικών σταθμών της Βραζιλίας. Οι επόμενες υγρές χρονιές προκάλεσαν πλημμύρες, με μια καταστροφική πλημμύρα το 2010 που επηρέασε το Σάο Λουίς ντο Παραϊτίνγκα και άλλες πόλεις κατά μήκος του ποταμού Παραΐμπα ντο Σουλ. Η μελέτη περίπτωσης αποσκοπεί στην κατανόηση της υδρολογικής απόκρισης του ποταμού Paraiba do Sul σε ακραία γεγονότα και των επιπτώσεών τους στην πλημμυρική πεδιάδα. Η έρευνα χρησιμοποιεί το πλαίσιο ArcHydro στα αρχικά της στάδια για τη σύνθεση γεωχωρικών και διαχρονικών υδρολογικών δεδομένων, εστιάζοντας σε δίκτυα ποταμών, λεκάνες απορροής και σημεία π αρακολούθησης.
Δεδομένα
Οι ψηφιακοί τοπογραφικοί χάρτες καλύπτουν ολόκληρη τη λεκάνη σε κλίμακες 1:250.000 και 1:50.000, με τον τελευταίο να είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για το μέγεθος της λεκάνης. Ψηφιοποιημένοι τοπογραφικοί χάρτες σε μεγαλύτερη κλίμακα (1:10.000) είναι διαθέσιμοι μόνο για ένα μικρό τμήμα της λεκάνης. Οι θεματικοί χάρτες στην περιοχή μελέτης περιλαμβάνουν γεωλογία, γεωμορφολογία, εδαφολογία και χρήσεις γης/κάλυψη γης.Το Ψηφιακό Μοντέλο Υψομέτρου (DEM) προέρχεται από τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:250.000. Μια υδρογραφική γεωβάση δεδομένων, η οποία περιλαμβάνει τις λεκάνες απορροής των ρεμάτων, έχει καταρτιστεί με τη χρήση του λογισμικού ArcGIS® 9.2 και επεκτάσεων, όπως το Spatial Analyst® και το ArcHydro. Τα υδρολογικά δεδομένα της βάσης δεδομένων περιλαμβάνουν ένα δίκτυο 107 βροχομέτρων εγκατεστημένων σε διάφορα υψόμετρα (450 m - 1700 m), ορισμένα από τα οποία χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1930. Επιπλέον, τα δεδομένα των μετρητών ροής ρευμάτων διατηρούνται από το Τμήμα Υδάτων και Ηλεκτρικής Ενέργειας (DAEE) στην Πολιτεία του Σάο Πάολο.
Αποτελέσματα
Δημιουργείται μέσω GIS μια συλλογή δεδομένων (Arc Hydro), που συνήθως αναπαρίστανται ως κατηγορίες χαρακτηριστικών, όπως σημεία, γραμμές ή πολύγωνα, τα οποία μοιράζονται κοινά θέματα και τύπους χαρακτηριστικών. Το National Hydrography Dataset (NHD) είναι ένας τυπικός πόρος για υδρολογικά δεδομένα, αλλά η προετοιμασία είναι απαραίτητη σε πολλές περιοχές παγκοσμίως. Οι αρχές του Arc Hydro περιλαμβάνουν την κατασκευή ενός δικτύου ροής νερού, το οποίο δημιουργεί μια καλά καθορισμένη τοπολογία μεταξύ πολυγωνικών χαρακτηριστικών, γραμμών και σημείων. Τα HydroEdge και HydroJunction σχηματίζουν ένα γεωμετρικό δίκτυο που ονομάζεται HydroNetwork, επιτρέποντας στο ArcGIS να εντοπίζει διαδρομές μεταξύ δύο οποιωνδήποτε θέσεων του δικτύου. Το πρώτο βήμα στην υδρολογική μοντελοποίηση είναι ο ορισμός μιας περιοχής μοντέλου με τον καθορισμό του περιγράμματος των ορίων της λεκάνης απορροής. Ένα ψηφιακό μοντέλο υψομέτρου (DEM) χρησιμοποιείται για την οριοθέτηση της λεκάνης απορροής και την εκτίμηση των παραμέτρων που σχετίζονται με την τοπογραφία. Το πλέγμα κατεύθυνσης ροής είναι το πρώτο σημαντικό πλέγμα που προκύπτει από το DEM, το οποίο αποτελείται από τιμές που υποδεικνύουν από ποιο γειτονικό κελί θα ρέει το νερό(Εικόνα 2). Η συσσώρευση ροής δεδομένων Arc Hydro, βοηθά στην κατανόηση των προτύπων ροής του νερού στην περιοχή μελέτης. Το DEM πρέπει να έχει αρκετή ακρίβεια μέτρησης του υψομέτρου ώστε να υποστηρίζει τον ορθό προσδιορισμό της κατεύθυνσης της ροής, καθώς μεγάλες εκτάσεις επίπεδων περιοχών μπορεί να παράγουν ένα φυσικό μοτίβο αποστράγγισης.
Συμπέρασμα
Η μεθοδολογία για τη χαρτογράφηση των κινδύνων πλημμύρας εξακολουθεί να εξελίσσεται, περιλαμβάνοντας διάφορες τεχνικές. Η επικαιροποίηση των χαρτών πλημμυρικών πεδίων αποτελεί πρόκληση λόγω της αστικοποίησης και των σημαντικών αλλαγών στις χρήσεις γης. Οι αναπτυσσόμενες χώρες αντιμετωπίζουν περιορισμούς στη χρήση των χαρτών πλημμυρών λόγω ανεπαρκούς κλίμακας δεδομένων και έλλειψης εμπειρογνωμόνων σε GIS εξειδικευμένο στην υδρολογία. Στην συγκιμρεμένη μελέτη υπάρχει μια κατάλληλη βάση δεδομένων για τη λεκάνη, η οποία ενσωματώνει τοπογραφικούς χάρτες και ένα σημαντικό δίκτυο βροχομέτρων, παράλληλα γεωλογικοί χάρτες και χάρτες χρήσεων γης είναι διαθέσιμοι σε περιφερειακή κλίμακα, αλλά δεν υπάρχει κατάλληλη κλίμακα για τα εδαφολογικά δεδομένα. Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν την ενσωμάτωση δεδομένων χρονοσειρών βροχόπτωσης από σαράντα δύο σταθμούς στο ArcHydro για τη δημιουργία ενός μοντέλου υδρολογικών δεδομένων σε περιβάλλον GIS.
