Προσομοίωση πλυμμηρικών πεδίων σε ποταμό ρυθμιζόμενης ροής με τη χρήση GIS, τηλεπισκόπησης και υδρολογικών μοντέλων

[http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rra.867/abstract Overton, I.C., 2005. Modelling floodplain inundation on a regulated river: integrating GIS, remote sensing and hydrological models. River Research and Applications 21 (9), 991–1001]


'''Εισαγωγή'''

Ο ποταμός Murray είναι ο μεγαλύτερος ποταμός της Αυστραλίας. Η διαχείρισή του κρίθηκε μεγάλης σημασίας, καθώς παρουσιάζονται μεγάλες πλημμύρες του ποταμού οι οποίες είναι ωφέλιμες για την άρδευση των πέριξ περιοχών, ωστόσο πρέπει να τεθούν υπό έλεγχο. Μαζί με την ποσοτική κατάσταση, μέριμνα πρέπει να ληφθεί και για την οικολογική κατάσταση του ποταμού, αφού η περιοχή μελέτης έχει κηρυχτεί Υγρότοπος Ramsar, διότι παρατηρήθηκαν φαινόμενα αυξημένης αλατότητας λόγω της εισροής στον ποταμό υφάλμυρου νερού από τον υπόγειο υδροφόρο. 
Στα πλαίσια αυτά και για τον καθορισμό της οικολογικής παροχής του ποταμού, μέσω GIS δημιουργήθηκε μοντέλο πρόβλεψης των πλημμυρικών ζωνών για την εκτίμηση των επιπτώσεων των εκάστοτε διαχειριστικών μέτρων. Για την περιοχή μελέτης ('''Εικόνα 1''') δεν υπήρχαν διαθέσιμα δεδομένα για τις πλημμυρικές ζώνες υπό διαφορετικό υδρολογικό καθεστώς (διαφορετικές παροχές) πέρα μόνο για την πλημμύρα του 1956, βάσει της οποίας τελικά καθορίστηκε το ανώτατο όριο της πλημμύρας.


'''Δορυφορικές εικόνες'''
[[Αρχείο:floodplain_model_1.jpg|200px|thumb|right|Εικόνα 1. Περιοχή μελέτης]]
Αρχικά, επιλέχθηκαν 21 δορυφορικές εικόνες από τον Θεματικό Χαρτογράφο (TM) του δορυφόρου LANDSAT, χωρικής διακριτικής ικανότητας 30m x 30m, για διάφορες παροχές του ποταμού (από 3,46 hm3/day to 101,9 hm3/day) και για ημερομηνίες από τον Οκτώβριο του 1986 ως τον Νοέμβριο του 1996. 
Η ακτινοβολία στο μέσο υπέρυθρο mid-infrared μήκος κύματος απορροφάται σχεδόν πλήρως από το νερό, ενώ αντανακλάται από το χέρσο τμήμα της περιοχής μελέτης. Για το λόγο αυτό, αξιοποιήθηκε το Κανάλι 5 (1.55–1.75 mm). Ωστόσο, μικρή ανάκλαση στο κανάλι αυτό παρουσιάζουν και άλλα χαρακτηριστικά, όπως οι περιοχές υπό σκιά. Η διάκριση του νερού από τις σκιερές περιοχές, αλλά και από τις περιοχές με πολύ χαμηλή στάθμη ή τυρβώδη ροή, δεν είναι δυνατή μόνο με ένα κανάλι. Επομένως, ήταν στην κρίση του ερευνητή βάσει του ιστογράμματος ('''Εικόνα 2''') και των χαρακτηριστικών της εικόνας να καθορίσει το ποσοστό ανάκλασης για τον καθορισμό της επιφάνειας νερού. Η μέθοδος αυτή (density slice) βάσει της διεθνούς βιβλιογραφίας δίνει καλά αποτελέσματα, της τάξης του 96,9%, έπειτα από την επαλήθευση με αεροφωτογραγίες (Frazier and Page (2000)) και μάλιστα ανάλογα αποτελέσματα με την ταξινόμηση με τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας με τη χρήση 6 καναλιών. 
[[Αρχείο:floodplain_model_2.jpg|200px|thumb|right|Εικόνα 2. Ιστόγραμμα εικόνας. Η κεντρική γραμμή υποδεικνύει το σημείο στο οποίο η τιμή ανάκλασης κόβεται (density slice)]]


'''Επεξεργασία εικόνων και χαρτογράφηση πλημμυρικών ζωνών'''

Βάσει της γεωαναφερμένης δορυφορικής εικόνας σχεδιάστηκαν τα πολύγωνα των πλημμυρικών ζωνών σε λογισμικό GIS. Ουσιαστικά, για κάθε επίπεδο πλημμύρας δημιουργήθηκε πολύγωνο που απεικόνιζε την επιφάνεια που καλύπτεται από νερό.  Προσοχή δόθηκε ώστε οι εικόνες αυτές να ακολουθούν χρονολογικά την αύξηση της παροχής /στάθμης του ποταμού, ώστε να αποφευχθεί το ενδεχόμενο να καταγραφούν,  λανθασμένα, λιμνάζοντα νερά από προηγούμενες υψηλότερες παροχές, ενώ αφαιρέθηκαν περιοχές που ταυτοποιήθηκαν ως νερό και βρίσκονταν εκτός της ζώνης της μεγαλύτερης καταγεγραμμένης πλημμύρας στην περιοχή (1956). Ακόμα, εξαιτίας της δυσκολίας να διαχωριστούν οι περιοχές που καλύπτονται από παρόχθια βλάστηση, ή είχαν πολύ μικρή στάθμη, ή τυρβώδη ροή, σε όλες τις περιοχές εντός του υδατορεύματος και τις περιοχές που σε παλαιότερη μελέτη (Pressey, 1986) είχαν ταξινομηθεί ως μόνιμοι υγρότοποι αποδόθηκε ο ίδιος κωδικός. 
Για τη θεώρηση ενός ορθότερου μοντέλου πρόβλεψης εκτελέστηκε, χρησιμοποιώντας μοντέλα υδρολογικής προσομοίωσης, παρεμβολή μεταξύ των πολυγώνων των πλημμηρικών ζωνών, προκειμένου να αποδοθούν και τα μεσοδιαστήματα των παροχών από τις 21 δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν. Η μέθοδος που εφαρμόστηκε για την παρεμβολή αυτή ήταν ο αλγόριθμος κατάτμησης λεκάνης απορροής βάσει δεικτών (marker-based watershed segmentation algorithm) λόγω του πλεονεκτήματος ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε δεδομένα με κενά. 
Το αρχείο raster που προέκυψε από τα παραπάνω, μετά από περεταίρω επεξεργασία για την απομάκρυνση ανωμαλιών της ψηφιακής απεικόνισης (απομάκρυνση θορύβου), μετατράπηκε σε vector αρχείο (καταλληλότερο για την εφαρμογή μοντέλων).
Τα αποτελέσματα των υδρολογικών μοντέλων που εφαρμόστηκαν για την περιοχή μελέτης αποτέλεσαν τα δεδομένα εισόδου του μοντέλου GIS, με το οποίο οι υδρολογικές παράμετροι συνδέονται με τα χωρικά δεδομένα. 


'''Υδρολογικό Μοντέλο'''

Από την αρμόδια δημόσια υπηρεσία υδάτων της Αυστραλίας παρασχέθηκαν δεδομένα (μετρήσεις από εγκατεστημένους υδρομετρικούς σταθμούς) για το ύψος της στάθμης κατά μήκος του ποταμού, καθώς και καμπύλες στάσιμων νερών, σχετιζόμενων και με εγκατεστημένα στον ποταμό υδατοφράγματα. Ας σημειωθεί ότι η στάθμη διατηρείται σε υψηλότερα επίπεδα από ότι πριν τις παρεμβάσεις επί του ποταμού και η ροή του ποταμού εμφανίζεται ως σειρά δεξαμενών υδάτων, όπως φαίνεται και στην '''Εικόνα 3'''. [[Αρχείο:floodplain_model_3.jpg|200px|thumb|right|Εικόνα 3. Στάθμη κατά μήκος του ποταμού και για τις διάφορες παροχές.]]
Κατά μήκος του ποταμού υπάρχουν 6 ανεξάρτητα μεταξύ τους υδατοφράγματα που ρυθμίζουν την παροχή και κατ’ επέκταση το ύψος της στάθμης. Για το λόγο αυτό, ο ποταμός χωρίστηκε στις αντίστοιχες υποπεριοχές (Flood Units). Σε κάθε υποπεριοχή εκτιμήθηκε το σημείο εκείνο που σύμφωνα με το υδρολογικό μοντέλο υπήρχε ο μεγαλύτερος κίνδυνος πλημμύρας. Ακόμα, ως Οικολογικές Ενότητες, καθώς περιέχουν τις ίδιες οικολογικές ιδιότητες, ορίστηκαν οι περιοχές εκείνες που κατακλύζονται εκατέρωθεν του ποταμού στα διάφορα επίπεδα παροχής/στάθμης που ποταμού και θέσης του υδατοφράγματος. Βάσει των ως άνω και λαμβανομένων υπόψη των κλιματικών συνθηκών, το υδρολογικό μοντέλο που σχεδιάστηκε δίνει ως αποτέλεσμα τις προβλεπόμενες πλημμυρικές ζώνες.
[[Αρχείο:floodplain_model_4.jpg|200px|thumb|right|Εικόνα 4. Αποτέλεσμα του Μοντέλου Πρόβλεψης Πλημμυρικών Ζωνών για την υποπεριοχή 6 και για παροχές 60hm3 (με γαλάζιο χρώμα) και 100 hm3 (με μπλε χρώμα)]]


'''Αποτελέσματα και Συμπεράσματα'''

Το μοντέλο πρόβλεψης πλυμμηρικών ζωνών χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό στρατηγικών / επιλογή οικολογικής παροχής στην περιοχή μελέτης. Βάσει τη επαλήθευσης από αεροφωτογραφία φάνηκε ότι το μοντέλο υποεκτιμά κατά 15% την έκταση των πλημμυρικών ζωνών. Αν και η σύνδεση των υδρολογικών μοντέλων με λογισμικό διαχείρισης χωρικών δεδομένων αποτελεί ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο στο σχεδιασμό πολιτικών διαχείρισης ποτάμιων υδάτων, στο στάδιο αυτό το υπό μελέτη μοντέλο δεν δίνει πληροφορίες για την χρονική διακύμανση των εξεταζόμενων δεδομένων. Μία ακόμα βελτίωση που θα μπορούσε να γίνει είναι η περαιτέρω αξιοποίηση δεδομένων των οικολογικών συνθηκών του ποταμού. Επιπλέον, περιορισμό στο μοντέλο αυτό αποτελεί η διακριτική ικανότητα των εικόνων, αφού μεταβολές που συμβαίνουν σε απόσταση μικρότερη από τα 30m (ΔΙ του Landsat) δεν μπορούν να ληφθούν υπόψη. Η αξιοποίηση μεγαλύτερης ευκρίνειας εικόνων μπορεί να οδηγήσει σε μοντέλα πρόβλεψης μεγαλύτερης ακρίβειας.