Ο υπολογισμός αποθήκευσης νερού των πλημμυρικών λεκανών του ποταμού Negro, των περιοχών πλημμυρών και των επιπέδων νερού

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση και Υδατικοί Πόροι

Πρωτότυπος Τίτλος: « Floodplain water storage in the Negro River basin estimated from microwave remote sensing of inundation area and water levels »

Συγγραφείς: Frederic Frappart, Frederique Seyler, Jean-Michel Martinez, Juan G. Leon, Anny Cazenave

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing of Environment Volume 99, Issue 4, 15 December 2005, Pages 387-399

Πηγή: [15]

Λέξεις Κλειδιά: τηλεπισκόπηση, υδρολογία, υψομετρία, στάθμη νερού και μεταβολή όγκου του νερού.

Περίληψη

Η συγκεκριμένη έρευνα εστιάζει στην διαχρονική απεικόνιση των διακυμάνσεων νερού πλημμυρισμένων περιοχών λεκανών απορροής μέσω των δεδομένων δύο δορυφόρων και τοπικών υδροηλεκτρικών σταθμών. Περιοχή μελέτης είναι η λεκάνη απορροής του ποταμού Negro στον Αμαζόνιο, ενώ ως σημαντικότερο αποτέλεσμα της έρευνας εμφανίζεται η μη ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ όγκου νερού και πλημμυρισμένων εκτάσεων στην περιοχή.

Εισαγωγή

Ο υδρολογικός κύκλος των λεκανών απορροής επηρεάζεται σημαντικά από τις πλημμυρικές εκτάσεις ειδικά στη περιοχή του Αμαζονίου. Αυτό γιατί μεγάλες βιοχημικές αλλαγές γίνονται στο νερό αυτών των εκτάσεων οι οποίες προσδιορίζουν την υδατική ισορροπία. Τομέα της επιστήμης της υδρολογίας αποτελεί η μελέτη των χρονικών μεταβολών όγκων νερού και συνεισφέρει στη μοντελοποίηση των ροών των ποταμών. Προκειμένου να γίνει πλήρως κατανοητή η υδρολογία χρειάζονται δεδομένα για την ένταση των συνθηκών που οδηγούν σε πλημμύρες και για τις ροές των ποταμών και των παραπόταμων τους. Οι δορυφορικές εικόνες του SAR συνεισφέρουν στον εντοπισμό πλημμυρισμένων περιοχών (Hess κ.ά., 2003, Smith, 1997, Toyra κ.ά., 2001), ενώ το ραντάρ Topex/Poseidon χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό ανύψωσης και κλίσης επιφάνειας των υδάτων σε πλημμυρισμένες περιοχές. Η παρούσα μελέτη επιχειρεί να προβάλλει μια νέα μέθοδο εκτίμησης πλημμυρών και όγκου νερού σε πλημμυρικές περιοχές του Negro για τα έτη 1995-1996, καθώς διαχρονικά έχουν γίνει και αρκετές προσπάθειες για προβολή τέτοιων μεθόδων.

Η υπολεκάνη του ποταμού Negro

Η περίπτωση μελέτης είναι η υπολεκάνη του Negro στον Αμαζόνιο, η οποία είναι ο μεγαλύτερος παραπόταμος και διασχίζει τέσσερις χώρες (Κολομβία, Βενεζουέλα, Γουιάνα και Βραζιλία) (εικ. 1). Τα κύρια χαρακτηριστικά της είναι το σκούρο χρώμα (Sternberg, 1975) και χαμηλή κλίση νερού. Τέλος, ο χρόνος, η ένταση και η περιοχή βροχοπτώσεων διαφοροποιείται έντονα εντός της περιοχής μελέτης.

Εικόνα 1: Η υπολεκάνη του ποταμού Negro από το μωσαϊκό ραντάρ JERS-1. Το παχιά λευκή γραμμή αντιπροσωπεύει το όριο του ποταμού Negro. Κάθε λεπτή λευκή γραμμή αντιπροσωπεύει το κομμάτι α Topex / Poseidon. Οι μαύρες κουκίδες σε λευκό κύκλο αντιπροσωπεύουν επί τόπου σταθμούς μετρήσεων και οι μαύρες κουκίδες σε λευκό τετράγωνο, αλτρομετρικούς σταθμούς στην υπολεκάνη του ποταμού Negro. Πηγή: [1]

Σύνολα δεδομένων και μέθοδοι

Όσο αφορά τα σύνολα δεδομένων, προήλθαν από χάρτες υψηλής ανάλυσης (100μ.) της παγκόσμιας χαρτογράφησης (GRFM) των τροπικών δασών, της Εθνικής Υπηρεσίας Ανάπτυξης Διαστήματος της Ιαπωνίας. Το ραντάρ JERS-1 είναι ευαίσθητο κανάλι L (23,5cm) του δορυφόρου SAR, τόσο για το νερό των θαλασσών όσο και για το στάσιμο νερό κάτω από το θόλο των φύλλων (Rosenqvist et al., 2000). Στα ψηφιδωτά συλλήφθηκαν χαμηλά και υψηλά επίπεδα ύδατος για το μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης του Αμαζονίου. Ο ταξινομητής εκχωρεί τα δεδομένα πλημμύρας στο εικονοστοιχείο: σπάνιες, περιστασιακές και μόνιμες πλημμύρες και ο ευρύς τύπος κάλυψης γης (εικ.2): 1) ανοιχτό νερό, 2) περιστασιακά πλημμυρισμένο δάσος, 3) μη πλημμυρισμένα δάση, 4) μη πλημμυρισμένα έλη εδάφη ή χαμηλή βλάστηση, 5) περιστασιακά πλημμυρισμένα βοσκοτόπια, 6) περιστασιακά πλημμυρισμένα χαμηλή βλάστηση, 7) πλημμυρισμένο δάσος, 8) βυθισμένη βλάστηση. Η ταξινόμηση των διπλών ψηφιδωτών JERS-1 μας επιτρέπει να χαρτογραφήσουμε τις πλημμυρισμένες περιοχές για χαμηλή στάθμη νερού (συνδυασμός 1+6), (εικ.3) και υψηλή στάθμη νερού (συνδυασμός 2,5,6,7,8), (εικ.4).

Ο υψομετρητής ραντάρ T/P λειτουργεί σε κανάλια Ku και C, κάνοντας κατακόρυφες μετρήσεις με τιμές εύρους 10 Hz και μέσες τιμές 1 Hz (εικ.1). Οι διορθώσεις (ιονοσφαιρικές) που εφαρμόστηκαν αφορούν την παλίρροια και εφαρμόστηκε η DORIS. Οι χωρικές και χρονικές μεταβολές της υγρής τροποσφαιρικής διόρθωσης θεωρούνται αμελητέες στην υπολεκάνη του ποταμού Negro (ισημερινή θέση και σχετικά μικρή έκταση χώρου). Κατασκευάζεται χρονολογική σειρά στάθμης για διαφορετικούς τύπους νερού (εικ.4), που σχετίζεται με κάθε σταθμό μέτρησης. Η διασπορά στο πρότυπο L1 δίδεται από τον εκτιμητή γνωστό ως μέση απόλυτη απόκλιση: MAD(h)=1/(N-1) ∑(i=1)|hi-hmed|(1), όπου το MAD (h) είναι η μέση απόλυτη απόκλιση των παρατηρήσεων, N ο αριθμός των παρατηρήσεων, hi η ith παρατήρηση και hmed η μέση τιμή των παρατηρήσεων. Οι χάρτες στάθμης ύδατος αυτής της μεθόδου παρουσιάζονται στις εικόνες 5, 6 και η διαφορά των στάθμεων στην εικόνα 7. Αυτοί οι χάρτες εκτιμήθηκαν από τα ελάχιστα και τα μέγιστα στάδια των χρονοσειρών T/P. Ο συνδυασμός των εικόνων SAR, των μετρήσεων του υψομετρικού ραντάρ και των επιτόπιων σταθμών μετρήσεων παρέχει πληροφορίες σχετικά με την διακύμανση του όγκου νερού κατά τη διάρκεια του εποχιακού κύκλου.

Εικόνα 2: Αποτελέσματα ταξινόμησης για τη λεκάνη ποταμού Negro στις εικόνες ραντάρ JERS-1. Πηγή: [2]

Εικόνα 3. Έκταση της κατάκλισης όπως εκτιμάται από JERS-1 την απόκτηση χαμηλού νερού (γκρίζα) και υψηλή απόκτηση νερού (μαύρη). Πηγή: [3]

Εικόνα 4. Παραδείγματα χρονικών σειρών στάθμης νερού: (α) για ποτάμια ενός καναλιού, (β) για έναν ποταμό διπλού καναλιού, (γ) για πλημμυρισμένες περιοχές. Η λεπτή λευκή γραμμή στο αριστερό μέρος του (a) αντιπροσωπεύει τις μεταβολές της στάθμης του νερού στον επιτόπιο σταθμό Manaus. Πηγή: [4]

Εικόνα 5. Επίπεδο νερού (m wrt GRACE geoid) για την απόκτηση χαμηλού νερού JERS-1. Πηγή: [5]

Εικόνα 6. Επίπεδο νερού (m wrt GRACE geoid) για την απόκτηση νερού υψηλής απόδοσης JERS-1. Πηγή: [6]

Εικόνα 7. Χάρτης διαφοράς στάθμης νερού (m) μεταξύ της χαμηλής και της υψηλής απόκτησης νερού JERS-1. Πηγή: [7]

Αποτελέσματα και συζήτηση

Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το διπλό μωσαϊκό JERS για τη λεκάνη Rio Negro δίνονται στην εικόνα 2 και η διαφορά στάθμεων στην 3. Ο Πίνακας 1 χωρίζει τις πλημμυρισμένες περιοχές ανάλογα με τον τύπο της επιφάνειας και της βλάστησης. Οι κατηγορίες πλημμυρισμένων περιοχών δεν κατανέμονται ομοιόμορφα. Αυτή η ετερογενής κατανομή προκαλεί τη μεγάλη ποικιλία καταστάσεων που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια των σταδίων υψηλού και χαμηλού ύδατος (πίν. 2, 3). Γενικά, η πλημμυρισμένη περιοχή είναι ευρύτερη κατά τη διάρκεια υψηλής στάθμης ύδατος σε σχέση με τη στάθμη χαμηλών υδάτων. Στον πίνακα 4 παρουσιάζονται τυπικές αποκλίσεις για τις στάθμες των υδάτων στα κανάλια του ποταμού και στις πλημμυρισμένες περιοχές. Η ακρίβεια είναι καλύτερη στα κανάλια ποταμών παρά στις πλημμυρισμένες περιοχές. Επίσης προσδιορίζεται το προφίλ του ποταμού Negro και των κύριων παραποτάμων του (εικ 8). Η διαφορά μεταξύ των επιπέδων νερού αναφέρεται στον Πίνακα 5. Τέλος, παρουσιάζεται η αντιστρόφως ανάλογη σχέση της χωρητικότητας αποθήκευσης των πλημμυρικών περιοχών από τη χωρική τους έκταση (Εικ. 9, πίν.2).

Εικόνα 8: Προφίλ του κύριου ρεύματος του ποταμού Negro (α), του ποταμού Uaupes (b) και του ποταμού Branco (γ). Πηγή: [8]

Πίνακας 1: Συνολικές εκτάσεις κάθε κατηγορίας στη λεκάνη του ποταμού Νέγκρο, με βάση ψηφιδωτά JERS-1 SAR από δύο ημερομηνίες. Πηγή: [9]

Πίνακας 2: Κατακρημνισμένες περιοχές, μεταβολές όγκου νερού (DV) μεταξύ των βαθμίδων υψηλού και χαμηλού ύδατος JERS-1 και ενσωματωμένη εκροή μισής αιχμής για κάθε υπολεκάνη της λεκάνης του ποταμού Negro. Πηγή: [10]

Πίνακας 3: Ποσοστό της πλημμυρισμένης περιοχής σε σχέση με τη συνολική έκταση για κάθε υπολεκάνη του Negro. Πηγή: [11]

Πίνακας 4: Τυπικές αποκλίσεις (ελάχιστη, μέση και μέγιστη). Πηγή: [12]

Πίνακας 5: Διαφορές μεταξύ των επιπέδων των υδάτων κατά τις ημερομηνίες του ψηφιδωτού JERS (1995 για το στάδιο χαμηλών υδάτων ή το 1996 για το στάδιο υψηλού υδάτινου όγκου) και ελάχιστο για το 1995, μέγιστο 1996 για κάθε αλτημετρικό σταθμό Τ/P. Πηγή: [13]

Εικόνα 9: Μεταβολή όγκου νερού στην υπολεκάνη του ποταμού Negro. Πηγή: [14]

Συμπέρασμα

Σε αυτή τη μελέτη, υπολογίσαμε τις αλλαγές αποθήκευσης νερού κατά τη διάρκεια του υδρολογικού κύκλου του ποταμού Negro 1995-1996. Η χωρητικότητα αποθήκευσης της πλημμυρικής περιοχής δεν μπορεί να προκύψει από την έκτασή της. Η δυνητική χωρητικότητα αποθήκευσης εντός της πλημμυρικής περιοχής δεν είναι ανάλογη με το νερό πλεύσης κατά τη διάρκεια της πλημμύρας. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν για να οριοθετήσουν την έκταση των πλημμυρών σε υψηλή και χαμηλή στάθμη. Έτσι, η επιλογή του γεωγραφικού εύρους αντικατοπτρίζει τη φύση του επιλεγμένου στόχου και μπορεί να επιτευχθεί σαφής διάκριση μεταξύ των ποταμών και των σχετικών πλημμυρικών περιοχών.