Ποσοτικοποίηση των επιστροφών αρδευτικών υδάτων στην Primera de Palos (Ισπανία)

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Quantifying irrigation returns into a highly human managed wetland using remote sensing: The Primera de Palos freshwater lagoon (Spain)

Συγγραφείς: Eva Contreras, Rafael Pimentel, Cristina Aguilar, Javier Aparicio, and María J. Polo

Πηγή: Proceedings of IAHS, 385, 297–303

Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση (Remote sensing), επιστροφές αρδευτικών υδάτων (irrigation returns), λιμνοθάλασσα (freshwater lagoon), ανθρωποδιαχειριζόμενο σύστημα (human-managed system), UPH 16, Panta Rhei

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://piahs.copernicus.org/articles/385/297/2024/

Αντικείμενο έρευνας

Στην παρούσα εργασία, o Global Surface Water Explorer (GSWE) συνδυάστηκε με βαθυμετρικά και ιστορικά μετεωρολογικά δεδομένα για την ποσοτικοποίηση του υδατικού ισοζυγίου κατά την περίοδο 1984-2020 στη λιμνοθάλασσα Primera de Palos (Νοτιοδυτική Ισπανία). Mέσω της προσέγγισης του υδατικού ισοζυγίου, εκτιμήθηκαν όλες τις εισροές και εκροές νερού ώστε να γίνει ανάλυση στις υδρολογικές μεταβολές στη λιμνοθάλασσα. Τα αποτελέσματα έδειξαν υψηλές διακυμάνσεις, με εποχιακές μεταβολές που χαρακτηρίστηκαν από το κλιματικό καθεστώς, κατά τις δύο πρώτες δεκαετίες της περιόδου μελέτης. Μετά την αρχική αυτή περίοδο, η επέκταση του νερού παρέμεινε σταθερή πάνω από το 70 % της μέγιστης έκτασης της λιμνοθάλασσας. Έτσι, το φυσικό υδρολογικό καθεστώς της λιμνοθάλασσας τροποποιήθηκε από τις εισροές νερού από την επιστροφές αρδευτικού νερού, οι οποίες είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν. Χάρη στην προσέγγιση του υδατικού ισοζυγίου, αυτές οι επιστροφές ποσοτικοποιήθηκαν και αποτέλεσαν τον τελικό συντελεστή του ισοζυγίου. Μπορούν να οριστούν τρία σενάρια εισροών αρδευτικών επιστροφών, 4500, 1700 και 500 m3 d-1, ανάλογα με την καλλιεργητική περίοδο. Η χρήση της τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με βαθυμετρικά και μετεωρολογικά δεδομένα μπορεί να παρέχει τη γνώση για την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων, για την καλύτερη διαχείριση των υδάτων.

Σκοπός εφαρμογής

Στην παρούσα μελέτη στοχεύουμε να αναλύσουμε τις αλλαγές στην υδρολογική δυναμική της λιμνοθάλασσας κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριάντα ετών, περιορίζοντας τα εύρη των διαφόρων ροών νερού που εμπλέκονται στο υδατικό ισοζύγιο και υπολογίζοντας ειδικά τις επιστροφές από την άρδευση. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με μετεωρολογικά δεδομένα και τη βαθυμετρία της λιμνοθάλασσας. Η παρούσα εργασία εξετάζει το ερευνητικό ερώτημα αριθ. 16 από τα είκοσι τρία άλυτα προβλήματα στην υδρολογία (UPH- Blöschl et al., 2019): «Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε καινοτόμες τεχνολογίες για τη μέτρηση επιφανειακών και υπόγειων ιδιοτήτων, καταστάσεων και ροών, σε διάφορες χωρικές και χρονικές κλίμακες;».

Γενικές πληροφορίες

Οι υγρότοποι είναι απαραίτητοι για την οικολογία και την περιβαλλοντική ρύθμιση (Westerberg et al., 2010; Newton et al., 2018). Έχουν επίσης βασικό ρόλο για την οικονομία και τις λειτουργίες κοινωνικών υπηρεσιών (Ye and Sun, 2021- Ghanian et al., 2022). Ωστόσο, η φυσική υδρολογία αυτού του είδους των συστημάτων συχνά τροποποιείται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως η αποστράγγιση (Sica et al., 2016), η εξόρυξη και οι δραστικές τροποποιήσεις των χρήσεων γης στις ανάντη περιοχές (Jia et al., 2013; Li et al., 2021). Αυτές οι αλλαγές στην υδρολογική δυναμική αυτών των συστημάτων, για παράδειγμα τροποποιήσεις της κατανομής των ροών νερού, είναι ιδιαίτερα σημαντικές στους υγροτόπους όπου οι ανάντη λεκάνες απορροής τους έχουν σημαντικό ποσοστό επιφάνειας που έχει τροποποιηθεί από αυτές τις ανθρώπινες δραστηριότητες (Merchán et al., 2015). Σε ξηρά και ημίξηρα κλίματα, οι υγρότοποι συχνά βασίζονται σε εισροές από τις αρδευτικές ροές επιστροφής, οι οποίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στα υδατικά ισοζύγια των υδρολογικών λεκανών απορροής (Scott et al., 2011; Merchán et al., 2013). Η κατανόηση των αλλαγών πάνω στα οικοσυστήματα των υγροτόπων και της χωροχρονικής κατανομής τους είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση, την αποκατάσταση και τη διατήρηση αυτών των συστημάτων.

Περιοχή μελέτης

Ένα παράδειγμα λιμνοθάλασσας γλυκού νερού που έχει τροποποιηθεί από τον άνθρωπο λόγω της γεωργικής πίεσης είναι η λιμνοθάλασσα Primera de Palos, η οποία βρίσκεται σε ένα ιδιαίτερα τροποποιημένο ελώδες περιβάλλον στη νοτιοδυτική Ισπανία. Η Primera de Palos είναι χαρακτηρισμένη ως περιοχή Ramsar, δηλαδή υγρότοπος διεθνούς σημασίας, βάσει της Σύμβασης Ραμσάρ, διεθνούς περιβαλλοντικής συνθήκης που υπογράφηκε το 1971 στο Ραμσάρ του Ιράν, υπό την αιγίδα της UNESCO. Στην Primera de Palos τα γύρω εδάφη έχουν μεταβληθεί εντατικά από την πετροχημική βιομηχανία και τις θερμοκηπιακές καλλιέργειες φράουλας. Αυτό το υδάτινο σώμα αποτελεί μέρος ενός σύνθετου υγροτόπου που έχει την προέλευσή του στο κλείσιμο παλαιών κοιλάδων ή κοίτης ποταμών λόγω της προέλασης ενός μετώπου παράκτιων αμμόλοφων που λειτουργεί ως φράγμα τόσο για το νερό της ενδοχώρας που ρέει προς τη θάλασσα όσο και για το θαλασσινό νερό που ρέει στη λιμνοθάλασσα αποφεύγοντας την εισροή αλάτων (Mantecon et al., 1988). Η συνεισφέρουσα λεκάνη απορροής, η οποία από το 1995 είναι εξ ολοκλήρου αφιερωμένη στην καλλιέργεια φράουλας, αποτελείται από αμμώδες υπόστρωμα που επιτρέπει την αποστράγγιση του αρδευτικού νερού στον υγρότοπο.

Δεδομένα

Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές πηγές δεδομένων. Αφενός, δεδομένου ότι δεν υπάρχουν χρονοσειρές μετρήσεων ροής στη λιμνοθάλασσα ή στη λεκάνη απορροής που την τροφοδοτεί, χρησιμοποιήθηκε το Global Surface Water Explorer (GSWE), μια εικονική διαδικτυακή μηχανή βασισμένη στην τηλεπισκόπηση, για τη χωρική ποσοτικοποίηση της υδάτινης επιφάνειας κατά την ιστορική περίοδο 1984-2020 (Pekel et al., 2016). Ο GSWE παρέχει την έκταση και τις μεταβολές με την πάροδο του χρόνου των υδάτινων προεκτάσεων του πλανήτη σε χωρική ανάλυση 30 m. Δεδομένου ότι η μελέτη εκτείνεται μέχρι το 2022, χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες Landsat από την περίοδο 2020-2022 για την εξαγωγή της επέκτασης των λιμνοθαλασσών χρησιμοποιώντας τον κανονικοποιημένο δείκτη διαφοράς νερού (NWDI, Gao, 1996). Οι πληροφορίες αυτές συνδυάστηκαν με βαθυμετρικά δεδομένα (τα οποία παρασχέθηκαν από την TYPMA S.L., μια εταιρεία συμβούλων που συμμετέχει σε ορισμένες εργασίες διαχείρισης στον υγρότοπο) και ιστορικά μετεωρολογικά δεδομένα από τον μετεωρολογικό σταθμό κοντά στη λιμνοθάλασσα με τη μεγαλύτερη χρονοσειρά - Palos de la Frontera (τα οποία παρασχέθηκαν από την Ισπανική Κρατική Μετεωρολογική Υπηρεσία). Επιπλέον, από τον Μάιο του 2021 έως τον Μάρτιο του 2022, πραγματοποιήθηκαν περιοδικές μετρήσεις της ροής του ρεύματος και της στάθμης του νερού στην έξοδο της λιμνοθάλασσας με εβδομαδιαία/διεβδομαδιαία συχνότητα. Τα δεδομένα αυτά επιτρέπουν τον καθορισμό μιας οριακής τιμής της υδάτινης επιφάνειας από την οποία δεν υπάρχει εκροή στη λιμνοθάλασσα.

Μεθοδολογία

Για την εκτίμηση της δυναμικής της λιμνοθάλασσας εφαρμόστηκε μια προσέγγιση υδατικού ισοζυγίου: ΔV/Δt = inflows – oytflows = (P + Qr + Id + R) – (e + Qout) Όπου Δt είναι η χρονική διακύμανση μεταξύ διαδοχικών ημερομηνιών με διαθέσιμες δορυφορικές πληροφορίες, ΔV/Δt είναι η μεταβολή του όγκου στη λιμνοθάλασσα σε κάθε χρονικό διάστημα, το P αντιπροσωπεύει τη βροχόπτωση στη λιμνοθάλασσα, το Qr είναι η άμεση απορροή στη λιμνοθάλασσα, το E είναι η εξατμισοδιαπνοή από τη λιμνοθάλασσα, το Id αντιπροσωπεύει την υπόγεια ροή, το R αντιπροσωπεύει τις επιστροφές άρδευσης και το Qout αντιπροσωπεύει την εκροή νερού. Το ΔV/Δt υπολογίζεται ως η διαφορά μεταξύ των όγκων νερού μεταξύ δύο διαδοχικών εικόνων. Για κάθε ημερομηνία, ο όγκος της λιμνοθάλασσας προέκυψε χρησιμοποιώντας την επιφάνεια του νερού από τις πληροφορίες τηλεπισκόπησης και τη σχέση μεταξύ επιφάνειας νερού - όγκου νερού - υγρής επιφάνειας λιμνοθάλασσας - υψομέτρου, που καθορίστηκε χρησιμοποιώντας τις βαθυμετρικές πληροφορίες. Το P εκτιμήθηκε ως το γινόμενο της συσσωρευμένης βροχόπτωσης σε κάθε διάστημα και του μέσου εμβαδού της υδάτινης επιφάνειας της λιμνοθάλασσας μεταξύ των εικόνων. Το Qr, εκτιμήθηκε ως το γινόμενο της συσσωρευμένης βροχόπτωσης, η οποία θεωρείται σταθερή στην περιοχή αποστράγγισης στη λιμνοθάλασσα, αυτής της συνεισφέρουσας περιοχής (3,73 km2) και ενός μεταβλητού συντελεστή απορροής (c) με την πάροδο του χρόνου με βάση την κύρια χρήση γης στην περιοχή αυτή. Θεωρήσαμε ότι ο c=0,31 για μηδενικές καλλιέργειες υπό πλαστικό και c=0,50 για καλλιέργειες υπό πλαστικό. Το E, εκτιμήθηκε ως το γινόμενο της δυνητικής εξάτμισης που συσσωρεύεται μεταξύ των εικόνων και του μέσου εμβαδού της υδάτινης επιφάνειας της λιμνοθάλασσας μεταξύ αυτών των ημερών. Η δυνητική εξάτμιση σε ημερήσια κλίμακα υπολογίστηκε από τα δεδομένα της ελάχιστης, της μέσης και της μέγιστης θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας την εξίσωση Hargreaves (Hargreaves and Samani, 1985). Τα IdR και Qout δεν μπορούν να εκτιμηθούν άμεσα. Ως εκ τούτου, ομαδοποιούνται σε έναν όρο και θεωρούνται ο όρος κλεισίματος του υδατικού ισοζυγίου.

Αποτελέσματα

Η ανάλυση της επέκτασης των υδάτων της GSWE κατά την εξεταζόμενη περίοδο 1984-2020 (Σχήμα 2) έδειξε μεγάλες διακυμάνσεις κατά τις δύο πρώτες δεκαετίες της περιόδου μελέτης. Οι διακυμάνσεις αυτές συνδέονται σαφώς με το κλιματικό καθεστώς, δηλαδή η λιμνοθάλασσα ήταν πιο άδεια τα ξηρά έτη από ό,τι τα υγρά έτη. Ωστόσο, από το 1995 που συνδέεται με την έκρηξη της χρήσης του θερμοκηπίου για καλλιέργειες φράουλας, η επέκταση του νερού στη λιμνοθάλασσα δεν παρουσίασε αυτές τις υψηλές διακυμάνσεις. Από τότε, η έκταση του νερού της λιμνοθάλασσας ήταν πάντα πάνω από το 70 % της μέγιστης έκτασης της λιμνοθάλασσας (121.149 km2). Τα αποτελέσματα αυτά μας επέτρεψαν να επαληθεύσουμε την υπόθεση της τροποποίησης της δυναμικής της λιμνοθάλασσας λόγω της άρδευσης των καλλιεργειών φράουλας. Ως εκ τούτου, η περίοδος που αντιπροσωπεύει την κατάσταση Α - φυσικές συνθήκες διαρκεί από το 1984 έως το 1995 και η περίοδος που αντιπροσωπεύει την κατάσταση Β - τροποποιημένες συνθήκες διαρκεί από το 1996 έως το 2022. Για να λάβουμε υπόψη κάθε έναν από αυτούς τους επιμέρους όρους αναλύσαμε συγκεκριμένες καταστάσεις στις οποίες ορισμένοι από τους όρους μπορούν να θεωρηθούν μηδενικοί.

Συμπεράσματα

Το εργαλείο τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιήθηκε, το GWSE, σε συνδυασμό με τοπικές πληροφορίες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιτυχή αξιολόγηση της υδρολογικής συμπεριφοράς σε υδάτινα σώματα όταν δεν υπάρχουν ιστορικές σειρές υδρολογικών δεδομένων. Η χωροχρονική ανάλυση του GWSE αποδείχθηκε ότι είναι αρκετή για την καταγραφή της εποχιακής δυναμικής των ροών νερού στην αναλυθείσα λιμνοθάλασσα. Μόνο που επισημάνθηκαν ορισμένοι περιορισμοί που συνδέονται με τα χαμηλά επίπεδα στη λιμνοθάλασσα. Αυτή η μικρή έκταση του νερού μπορεί να συνδέεται με λανθασμένη ταυτοποίηση των υδάτινων εικονοστοιχείων. Σε αυτή την περίπτωση, η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων υψηλότερης ανάλυσης, όπως το Sentinel-2, θα αποτελέσει τη λύση. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε, προσδιορίζοντας βασικές καταστάσεις στις οποίες ορισμένοι όροι της εξίσωσης του υδατικού ισοζυγίου μπορούν να παραμεληθούν, μας επέτρεψε να καθορίσουμε τη συμπεριφορά της υδάτινης επιφάνειας για την περίοδο 1984-2020.