Εκτίμηση αποθηκευμένου νερού στα πλημμυρικά πεδίου της λεκάνης απορροής του ποταμού Negro μέσω μικροκυμάτων και μετρήσεων στάθμης

[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425705002762 Frappart et al., 2005. Floodplain water storage in the Negro River basin estimated from microwave remote sensing of inundation area and water levels. Remote Sensing of Environment 99. 387– 399  doi:10.1016/j.rse.2005.08.016]


'''Εισαγωγή'''

Στόχος της εργασίας είναι ο καθορισμός των αυξομειώσεων του όγκου του νερού στις πλημμυριζόμενες περιοχές στην λεκάνη απορροής του ποταμού Negro, δηλαδή η ποσοτικοποίηση του ρόλου των πλημμυρικών πεδίων στο υδατικό ισοζύγιο και στη μεταφορά των φερτών υλικών σε μεγάλης έκτασης λεκάνες απορροής, με τη χρήση τηλεπισκοπικών μέσων καθώς και μετρήσεων της στάθμης του ποταμού από εγκατεστημένους υδρογραφικούς σταθμούς. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται μία νέα μέθοδος για την εκτίμηση των πλημμυρικών πεδίων, αλλά και του επιπέδου της στάθμης του ποταμού, ώστε να υπολογιστεί τελικά ο όγκος του νερού που αποτίθεται στις πλημμυρικές ζώνες στην εν λόγω λεκάνη απορροής και για το υδρολογικό έτος 1995-1996,  όπου χρησιμοποιούνται παρατηρήσεις εικόνες του αισθητήρα SAR (Synthetic Aperture Radar (SAR)) του δορυφόρου JERS-1 (Japanese Earth Resources Satellite) και του δορυφόρου Topex/Poseidon (T/P), καθώς και μετρήσεις εγκατεστημένων υδρογραφικών σταθμών.


'''Περιοχή μελέτης''' 

Η λεκάνη απορροής του ποταμού Negro αποτελεί υπολεκάνη της λεκάνης απορροής του Αμαζονίου καλύπτοντας το 12% αυτής και συμβάλλοντας σημαντικά στην ροή του ποταμού του Αμαζονίου. Εκτείνεται σε τρεις χώρες, στην Κολομβία, την Βενεζουέλα και στο μεγαλύτερο ποσοστό στη Βραζιλία, με συνολική έκταση περίπου 700,000 km2. Χαρακτηριστικά είναι η υψηλή περιεκτικότητα σε οργανική ουσία, το χαμηλό φορτίο φερτών  και κυρίως η μικρή κλίση του ποταμού και κατά συνέπεια η μεγάλη έκταση των πλημμυρικών ζωνών σε συνδυασμό με την άνιση χωρική και χρονική κατανομή της βροχόπτωσης. 


'''Μεθοδολογία''' 

''Χαρτογράφηση της Λεκάνης Απορροής''

Χάρη στη χαρτογράφηση ολόκληρου του τροπικού δάσους που έγινε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος Global Rain Forest Mapping Project (GRFM), ήταν δυνατό να αποκτηθούν εικόνες από τον αισθητήρα SAR του δορυφόρου JERS-1 για το κανάλι L (μήκος κύματος 23.5 cm), διότι το κανάλι αυτό παρουσιάζει ευαισθησία και στην ελεύθερη επιφάνεια νερού αλλά και σε λιμνάζοντα νερά που μπορεί να καλύπτονται από τη φυτοκόμη δένδρων, για την περίοδο από το Σεπτέμβριο ως το Δεκέμβριο του 1995 και από το Μάιο ως τον Ιούλιο 1996. Τα δύο μωσαϊκά που παρασχέθηκαν αντιστοιχήθηκαν στα υψηλά και τα χαμηλά επίπεδα στάθμης του ποταμού, χωρίς όμως να είναι επιβεβαιωμένο ότι αντιστοιχούν στα μέγιστα και τα ελάχιστα επίπεδα στάθμης για την περιοχή. 

Βάσει του συντελεστή ανάκλασης (mean backscatter coefficient), σε κάθε pixel αποδίδονται στοιχεία για το καθεστώς πλημμύρας (περιοχή που πλημμυρίζεται περιστασιακά, μόνιμα ή ποτέ) και για την κατηγορία κάλυψης γης. Οι οχτώ κατηγορίες που προέκυψαν είναι οι εξής ('''Εικόνα 1'''): 
[[Αρχείο:Negro_1.png|200px|thumb|right|Εικόνα 1. Αποτελέσματα της ταξινοημησης από τις εικόνα radar του δορυφόρου JERS-1 για τη λεκάνη απορροής του ποταμου Negro]]
1.Νερό 

2.Δάσος που πλημμυρίζεται περιστασιακά

3.Δάσος που δεν πλημμυρίζεται ποτέ

4.Γυμνό έδαφος ή χαμηλή βλάστηση που δεν πλημμυρίζεται ποτέ 

5.Βοσκότοποι που πλημμυρίζονται περιστασιακά

6.Χαμηλή βλάστηση που πλημμυρίζεται περιστασιακά 

7.Δάσος που βρίσκεται μόνιμα στο νερό 

8.Υδρόβια βλάστηση 

Δεν υπήρχε δυνατότητα επαλήθευσης των αποτελεσμάτων μέσω άλλων τηλεπισκοπικών μέσων. Μόνο δεδομένα από ραντάρ μπορούν να διακρίνουν το νερό ανεξαρτήτως της βλάστησης που μπορεί να το καλύπτει, που δεν υπήρχαν όμως για την περιοχή μελέτης. Τελικά, για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε η τοποθεσία στην περιοχή Όβιδος  ως περιοχή ελέγχου και φάνηκε ότι οι δασώσεις περιοχές αποδόθηκαν με ακρίβεια μεγαλύτερη από 90% και οι περιοχές με χαμηλή βλάστηση με ακρίβεια περίπου 70%. 
[[Αρχείο:Negro_2.png|200px|thumb|right|Εικόνα 2.Έκταση των πλημμυρικών πεδίων, όπως εκτιμήθηκε από τις εικόνες radar του δορυφόρου JERS-1, για τα χαμηλά (γκρι) και τα υψηλά (κόκκινο) επίπεδα στάθμης]]
Στην '''Εικόνα 2''' φαίνεται η απεικόνιση που αντιστοιχεί στα χαμηλά επίπεδα στάθμης νερού (συνδυασμός της κατηγορίας 1 και 6). Αντίστοιχα, η απεικόνιση των υψηλών επιπέδων για την υπό μελέτη λεκάνη προήλθε από το συνδυασμό των κατηγοριών 1, 2, 5, 6, 7 και 8. 

''Μετρήσεις βάθους''
[[Αρχείο:Negro_3.png|200px|thumb|right|Εικόνα 3.Βαθυμετρικός χάρτης στάθμεων για την περίοδο χαμηλών επιπέδων υδάτων]]
Κατασκευάστηκαν βαθυμετρικοί χάρτες για την περιοχή μελέτης, οι οποίοι προέκυψαν από το συνδυασμό δεδομένων από το δορυφόρο Topex/Poseidon, τον πρώτο αισθητήρα  που κατασκευάστηκε για την χαρτογράφηση του πυθμένα των ωκεανών, και τους 8 εγκατεστημένους υδρομετρικούς σταθμούς που συμπίπτουν με την τροχιά του Τ/Ρ δορυφόρου στην περιοχή ('''Εικόνες 3 και 4'''), και έπειτα από τις απαραίτητες διορθώσεις που έπρεπε να γίνουν για τη βελτίωση της πιστότητα των αποτελεσμάτων. 

''Υπολογισμός των παροχών'' 
[[Αρχείο:Negro_4.png|200px|thumb|right|Εικόνα 4. Βαθυμετρικός χάρτης στάθμεων για την περίοδο υψηλών επιπέδων υδάτων]]
Η λεκάνη απορροής του ποταμού Negro χωρίστηκε σε 11 υπολεκάνες. Για κάθε μία από αυτές συνδυάστηκαν τα δεδομένα από τους χάρτες κάλυψης γης, το βάθος του νερού προκειμένου να υπολογιστεί ο όγκος νερού των πλημμυρικών πεδίων για κάθε εποχή (υψηλών και χαμηλών επιπέδων στάθμης), χρησιμοποιώντας το λογισμικό Arcview 3D (Triangulated Irregulated Network - TIN). Τέλος, η συνολική ροή του ποταμού ισούται με τον όγκο του νερού που αποθηκεύεται στα πλημμυρικά πεδία προς τον κύριο όγκο νερού του υδατορεύματος. Η παροχή του ποταμού μετρήθηκε από εγκατεστημένους σταθμούς στην έξοδο (στόμιο) της λεκάνης απορροής.



'''Αποτελέσματα και Συμπεράσματα'''
[[Αρχείο:Negro_5.png|200px|thumb|right|Εικόνα 5. Μεταβολή του όγκου των υδάτων στην λεκάνη απορροής του ποταμού Negro]]
Η συνολική έκταση των πλημμυρικών πεδίων, όπως εκτιμήθηκε από τις δορυφορικές εικόνες, φτάνει περίπου τα 36 km2 και 153 km2 για την περίοδο χαμηλών και υψηλών επιπέδων νερού, αντίστοιχα. Η χωρική κατανομή των πλημμυρικών πεδίων στην υπό μελέτη λεκάνη απορροής διαφέρει. Στο ανατολικό τμήμα της λεκάνης απορροής και στα χαμηλά επίπεδα νερού μόνο ένα μικρό κομμάτι πλημμυρίζεται, ενώ την περίοδο των βροχών η έκταση αυτή διπλασιάζεται και τριπλασιάζεται. Σε κατάντη περιοχές παρατηρούνται και για τις 2 περιόδους πιο αυξημένες παροχές. 

Από τη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων φαίνεται ότι μεγαλύτερη ακρίβεια επέδειξαν οι μετρήσεις στάθμης επί του ποταμού και των κλάδων του σε σχέση με αυτές επί των πλημμυρικών πεδίων. Σε κάθε περίπτωση, οι τιμές της στάθμης υποεκτιμούνται από τις δορυφορικές εικόνες. Συγκεκριμένα, στα κατάντη του ποταμού αποδίδεται με σχετική ακρίβεια το χαμηλό επίπεδο υδάτων, όχι όμως το υψηλό, ενώ στα ανάντη ισχύει το ακριβώς αντίθετο. 

Στα σημεία όπου συμβάλλουν οι παραπόταμοι στον κύριο ποταμό τα πλημμυρικά πεδία είναι πιο εκτεταμένα, κυρίως κατά την περίοδο των υψηλών βροχοπτώσεων. Ο όγκος του νερού που εναποτέθηκε στα πλημμυρικά πεδία, όπως εκτιμήθηκε από το προτεινόμενο μοντέλο, συγκρίθηκε με τον όγκο της απορροής κατά την πλημμύρα για κάθε υπολεκάνη για την οποία υπήρχαν δεδομένα παροχών. Στο σύνολο της λεκάνης απορροής, η ελάχιστη μεταβολή του υδατικού όγκου υπερεκτιμήθηκε από το μοντέλο κατά 26% και η μέγιστη υποεκτιμήθηκε κατά 34%. (Εικόνα 5)

Φαίνεται πως, παρά το ότι η (υδατο)χωρητικότητα των πλημμυρικών πεδίων σχετίζεται με την έκτασή τους, η αναλογία αυτή δεν είναι γραμμική, ενώ σημαντικότερο ρόλο παίζει ο χρόνος παραμονής των υδάτων σε αυτά. Κατά συνέπεια, δεν μπορεί να συμπεράνει κανείς τη δυνατότητα αποθήκευσης νερού στα πλημμυρικά πεδία από την έκτασή τους. 

Ωστόσο, μπορεί να εξαχθεί ένας χάρτης των πλημμυρικών αυτών ζωνών και, παράλληλα, να αποδοθεί το γεωγραφικό μοτίβο της έκτασης των διαφόρων ειδών βλάστησης αποτελώντας ένα εργαλείο για την παρακολούθηση του οικοσυστήματος. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων που παρουσιάζονται στον εν λόγω  χάρτη είναι ανάλογη με τη χωρική διακριτική ικανότητα του μέσου που χρησιμοποιείται. Επομένως, ο συνδυασμός των δορυφορικών εικόνων JERS με εικόνες από άλλους αισθητήρες μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια των αποτελεσμάτων, ιδιαίτερα στη διάκριση περιοχών με χαμηλή βλάστηση.