ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΕΙΚΤΩΝ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΥΔΑΤΟΣ ΜΕ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ GIS ΣΤΗΝ ΠΕΔΙΑΔΑ ΣΕΡΡΩΝ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 08:11, 4 Μαρτίου 2012

Αγγλικός τίτλος: IDENTIFYING WATER ACCOUNTING INDICATORS USING REMOTE SENSING AND GIS IN SERRES PLAIN
Συγγραφείς: Stavrinos, E ., Th. Alexandridis , G. Galanis , and G. Zalidis
Έτος δημοσίευσης: 2011
Πηγή: http://labrsgis.web.auth.gr/attachments/064_Stavrinos_EGME2011_doc.pdf

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην πεδιάδα Σερρών, όπου επί δεκαετίες ανακύπτει το πρόβλημα της ζήτησης νερού σε σχέση με την αποδοτικότητα και τη χρήση του αρδευτικού νερού, ο χαρακτηρισμός της λειτουργίας των αρδευτικών δικτύων έχει προταθεί ως ένα πρώτο βήμα επίλυσης αυτών των προβλημάτων. Στην εργασία εξετάζεται η χωρική και χρονική μεταβολή της ζήτησης και προσφοράς του αρδευτικού νερού με δορυφορική τηλεπισκόπηση και GIS προσδιορίζοντας δείκτες λογιστικής ύδατος. Διαπιστώθηκε ότι α) υπάρχει ελάχιστη βελτίωση της απόδοσης των δικτύων παρά το μικρό βαθμό συντήρησής τους, και β) κατά το έτος υψηλής διαθεσιμότητας νερού η αποδοτικότητα άρδευσης και η παραγωγικότητα νερού δεν ήταν ανάλογες με αποτέλεσμα η επιπλέον χρήση νερού να μην αξιοποιείται για την αγροτική παραγωγή.
Λέξεις κλειδιά : άρδευση, δείκτες λογιστικής νερού, δορυφορική τηλεπισκόπηση, GIS

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η μη ορθολογική και εντατική άσκηση της γεωργικής δραστηριότητας σε συνδυασμό με την αρδευτική χρήση του νερού έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την υποβάθμιση των εδαφικών, των υδατικών και γενετικών πόρων (βιοποικιλότητα) που με τη σειρά τους οδηγούν στην υποβάθμιση των αγαθών και υπηρεσιών (κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις). Αυτός είναι και ο σκοπός της εργασίας, δηλαδή ο προσδιορισμός της μεταβολής των δεικτών λογιστικής ύδατος μεταξύ των αρδευτικών δικτύων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Στρυμόνα κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου με τη χρήση δορυφορικής τηλεπισκόπησης και GIS για τη δημιουργία πληροφορίας ορθολογικής χρήσης των υδατικών πόρων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε γεωγραφική μονάδα αναφοράς την περιοχή αρδευτικού δικτύου ή περιοχή ευθύνης ΤΟΕΒ, και σε δύο έτη αναφοράς, το 1994 (χαμηλής διαθεσιμότητας υδατικών πόρων) και το 2003 (υψηλής διαθεσιμότητας υδατικών πόρων).

2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Εικόνα 1. Κατηγορίες αρδευτικού νερού ανά περιοχή αναφοράς

Είναι η πεδιάδα των Σερρών που υπάρχουν περισσότερα από ένα εκατομμύριο στρέμματα καλλιεργειών, από τα οποία 845.000 αρδεύονται απ' ευθείας από τον Στρυμόνα και την Κερκίνη ή από πηγές και υπόγεια ύδατα (Εικόνα 1).

2.2. ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΕΚΤΑΣΕΩΝ

Για τη χαρτογράφηση των αρδευόμενων εκτάσεωνέγινε η φασματική βελτίωση των δορυφορικών εικόνων Landsat (14/09/1993, 28/06/2000 και 24/08/2000) για την παραγωγή του δείκτη βλάστησης NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), ο οποίος αναδεικνύει την υγιή φωτοσυνθέτουσα χλωροφύλλη και με την στην υπόθεση ότι κατά τη διάρκεια του σχεδόν άνυδρου καλοκαιριού στις αγροτικές περιοχές μόνο οι αρδευόμενες καλλιέργειες θα έχουν υψηλή συγκέντρωση υγιούς χλωροφύλλης και επομένως υψηλή τιμή του δείκτη NDVI. Με την τεχνική διαχωρισμού κατηγοριών με τιμή κατωφλίου (thresholding) χαρτογραφήθηκαν οι περιοχές με υψηλή τιμή NDVI και ορίστηκαν ως αρδευόμενες καλλιέργειες. Στη συνέχεια, ο χάρτης αρδευόμενων καλλιεργειών βελτιώθηκε μέσω γεωγραφικής σύγκρισης με τα πολύγωνα των αγροτικών ενοτήτων (ilots, κλίμακα 1:5000). Αφαιρώντας τις αρδευόμενες περιοχές που δεν είχαν χαρακτηριστεί ως αγροτικές (π.χ. φυσική βλάστηση γύρω από αρδευτικές τάφρους, κήπους σε αστικές περιοχές κ.λπ.), δημιουργήθηκε ο τελικός χάρτης αρδευόμενων περιοχών για τα έτη αναφοράς.

2.3. ΠΡΟΣΦΟΡΑ ΝΕΡΟΥ

Η εκτίμηση της προσφοράς νερού ανά αρδευτικό δίκτυο προσδιορίστηκε με την επιλογή των παρακάτω κριτηρίων: 1. Πηγή υδροληψίας (είσοδος αρδευτικού νερού από υδροληψία, υδάτινο σώμα, γεωτρήσεις κλπ), 2. Αποδέκτης απορροής (κύρια έξοδος αρδευτικού νερού), 3. Προέλευση αρδευτικού νερού (επιφανειακό, υπόγειο, στράγγιση ανάντη περιοχών), 4. Μεταφορά αρδευτικού νερού (είδος αρδευτικού δικτύου), και 5. Εφαρμογή αρδευτικού νερού (μέθοδος άρδευσης). Τα παραπάνω κριτήρια απεικονίζονται στην Εικόνα 1.

2.4. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ (ET_S)

Tο μοντέλο SEBAL εφαρμόστηκε σε μηνιαία χρονοσειρά εικόνων ΝΟΑΑ AVHRR και Landsat TM/ETM+. Ακολουθώντας τη μέθοδο που αναφέρεται στις εργασίες των Bastiaanssen et al.(2001) και Chemin and Alexandridis (2004), η ελλιπής χρονική συνιστώσα παρασχέθηκε από την καθημερινή εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (ETr - reference evapotranspiration). Η ETr υπολογίστηκε με την τυποποιημένη μέθοδο Penman-Monteith (FAO56 - Allen et al., 1998) χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα που λήφθηκαν από τον σταθμό των Σερρών (Πηγή: ΕΜΥ). Για το σκοπό αυτό συντέθηκε η εικόνα [Km] = [ETa]/ETr, όπου [ETa] είναι η εικόνα ETa που υπολογίστηκε από τον απεικονιστή NOAA AVHRR και αντιπροσωπεύει τη χρονική περίοδο γύρω από τη λήψη της και ETr είναι η τιμή της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς που υπολογίστηκε από μετεωρολογικά δεδομένα για τη μέρα της λήψης της κάθε εικόνας NOAA AVHRR. Η εικόνα Km ονομάζεται κλάσμα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (reference evapotranspiration fraction - ETrF) και μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας γενικευμένος φυτικός συντελεστής Kc, ο οποίος είναι ο συνδυασμός όλων των καλύψεων γης που υπάρχουν σε κάθε εικονοστοιχείο της περιοχής μελέτης. Θεωρώντας την εικόνα Km σταθερή και αντιπροσωπευτική για το χρονικό διάστημα που καλύπτει πριν και μετά τη λήψη της αντίστοιχης δορυφορικής εικόνας, η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή ETs υπολογίστηκε με την εξίσωση (1):
n
ET_S = Σ (ET_a)_i(Km)_i (mm/εποχή) (1)
i -1
όπου ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή για 24 ώρες όπως υπολογίζεται από το μοντέλο SEBAL, Km είναι το κλάσμα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, και n είναι ο αριθμός των δορυφορικών εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν για να καλύψουν την χρονική περίοδο μελέτης. Η παραγόμενη εικόνα ETs εκφράζει τη μη σημειακή κατανάλωση νερού από όλους τους τύπους κάλυψης γης στην περιοχή μελέτης. Στη συνέχεια, έγινε βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας χρησιμοποιώντας τις εικόνες υψηλής ανάλυσης Landsat TM/ETM+. Το τελικό αποτέλεσμα παρουσιάζει την εποχιακή εξατμισοδιαπνοή (ETs) σε μορφή ψηφιδωτού (raster) με ανάλυση 60m (pixel). Η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή των αρδευόμενων καλλιεργειών για τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου (15 Απριλίου έως 30 Σεπτεμβρίου) αντιστοιχεί στην κατανάλωση νερού από τα φυτά, ανεξάρτητα από την πηγή του νερού (άρδευση ή βροχόπτωση).

2.5. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

Για την εκτίμηση της ανάπτυξης βιομάζας χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο οικολογικής παραγωγής (ecological production model) που στηρίζεται στο ότι η πρόσληψη άνθρακα από τα φύλλα με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης είναι ανάλογη με το ρυθμό απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας. Για την εφαρμογή της μεθόδου, αρχικά υπολογίζεται η φωτοσυνθετικά ενεργός ακτινοβολία (Photosythetically Active Radiation - PAR) από ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα και εικόνες δείκτη βλάστησης NDVI. Στη συνέχεια υπολογίζεται ο χάρτης ανάπτυξης βιομάζας ανά χρονική περίοδο χρησιμοποιώντας το κλάσμα εξάτμισης (Λ) που υπολογίστηκε μέσω του μοντέλου SEBAL, και τον παράγοντα μετατροπής βιομάζας από τη βιβλιογραφία (Gower et al., 1999).

2.6. ΔΕΙΚΤΕΣ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΥΔΑΤΟΣ

Οι δείκτες λογιστικής ύδατος που συνδέονται με την αποδοτικότητα και την παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος στις διάφορες γεωγραφικές μονάδες και συνδέονται με την αξιολόγηση της χρήσης του αρδευτικού νερού υπολογίστηκαν με τις παρακάτω σχέσεις :

Δείκτης παραγωγικότητας νερού.
Περιγράφει την αξία που απορρέει από το νερό που χρησιμοποιήθηκε. Εκφράζεται ως η ανάπτυξη βιομάζας για κάθε κυβικό μέτρο νερού που καταναλώνεται από τις καλλιέργειες μέσω της εξατμισοδιαπνοής (εξίσωση 3):
p = B /ETs (kg/m3 ) (3)
όπου Β είναι η ανάπτυξη βιομάζας και ETs η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή.
Οι δείκτες λογιστικής ύδατος επιλέχθηκαν για το χαρακτηρισμό των αρδευτικών μονάδων της περιοχής μελέτης (ΤΟΕΒ), επειδή περιγράφουν καλύτερα όλες τις απόψεις του συστήματος και τα δεδομένα εισόδου μπορούν να μετρηθούν με τις προαναφερθείσες μεθόδους.

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ & ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Με την εφαρμογή της τηλεπισκοπικής μεθόδου καταγραφής των αρδευόμενων καλλιεργειών εκτιμήθηκε η συνολική αρδευόμενη έκταση ανά γεωγραφική μονάδα και έτος αναφοράς (Πίνακας 1). Η ακρίβεια της μεθόδου εκτιμήθηκε με ένα τυχαίο δείγμα 250 σημείων, στα οποία ανατέθηκε μία κλάση (αρδευόμενο ή μη-αρδευόμενο) μέσω φωτοερμηνείας των εικόνων υψηλής ανάλυσης Landsat TM/ETM+. Η σύγκριση του δείγματος με το χάρτη αρδευόμενων εκτάσεων έδειξε ακρίβεια 97% και αξιοπιστία 94% και για τα δύο έτη αναφοράς. Γενικά παρατηρήθηκε μικρή αύξηση της αρδευόμενης έκτασης κατά 8% από το 1994 στο 2003, που οφείλεται κυρίως στην εγκατάσταση περισσότερων ιδιωτικών γεωτρήσεων και λιγότερο στην επέκταση των αρδευτικών δικτύων. Η προσφορά νερού, η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή και η ανάπτυξη βιομάζας χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των δεικτών λογιστικής ύδατος ανά γεωγραφική μονάδα και έτος αναφοράς (Πίνακας 1).

Πίνακας 1. Αρδευόμενη έκταση και δείκτες λογιστικής ύδατος ανά γεωγραφική μονάδα
Περίμετρος ΤΟΕΒ ή περιοχής

Εικόνα 2. Δείκτης αποδοτικότητας αρδευτικού συστήματος (a) ανά περιοχή και έτος αναφοράς

Εικόνα 3. Δείκτης παραγωγικότητας νερού (e) ανά περιοχή και έτος αναφοράς

Ο δείκτης αποδοτικότητας άρδευσης (a) έχει ελάχιστα υψηλότερες τιμές το 1994 λόγω της καλύτερης αποδοτικότητας των συστημάτων άρδευσης σε ξηρότερες συνθήκες (Εικόνα 2). Αντίθετα, το 2003 η υψηλότερη βροχόπτωση ήταν η αιτία της χαμηλότερης κατανάλωσης αρδευτικού νερού σε σχέση με την παρεχόμενη προς το αρδευτικό δίκτυο ποσότητα (από επιφανειακή ή/και υπόγεια νερά). Άλλοι παράγοντες που πιθανώς να επηρεάζουν τη μεταβολή του δείκτη (a) είναι η ελλιπής συντήρηση του δικτύου μεταφοράς και ο σταδιακός εκσυγχρονισμός του δικτύου εφαρμογής άρδευσης.
Ο ΤΟΕΒ Προβατά παρουσιάζει πολύ χαμηλή τιμή λόγω των υψηλών απωλειών του χωμάτινου δικτύου μεταφοράς, και των υψηλών αρδευτικών απαιτήσεων της καλλιέργειας ρυζιού, η οποία απαιτεί συγχρονισμένες καλλιεργητικές και αρδευτικές εφαρμογές. Στους υπόλοιπους ΤΟΕΒ, οι υψηλότερες τιμές του δείκτη αποδοτικότητας άρδευσης οφείλονται στην ύπαρξη πιο σύγχρονου δικτύου μεταφοράς και διανομής (με επενδεδυμένες διώρυγες ή με κλειστούς αγωγούς).
Η παραγωγικότητα νερού (p) απεικονίζει την ανάπτυξη βιομάζας για κάθε μονάδα νερού άρδευσης που καταναλώνεται από τις καλλιέργειες (Εικόνα 3) η οποία εξαρτάται σε μεγαλύτερο βαθμό από το είδος της καλλιέργειας, και σε μικρότερο βαθμό από τη στρεμματική απόδοση των καλλιεργειών.. Η συνολική αύξηση του δείκτη στο έτος 2003 οφείλεται στην μείωση των υδροβόρων καλλιεργειών (ρύζι) και στην εισαγωγή νέων ποικιλιών (βαμβακιού και καλαμποκιού), οι οποίες είναι πιο μικρόσωμες και επομένως παράγουν λιγότερη βιομάζα (με ταυτόχρονη αύξηση της στρεμματικής απόδοσης σε καρπό).

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα συμπεράσματα που προκύπτουν σχετικά με τη χρήση των υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης είναι: